齊兵兵，文祥宇，齊芳芳

深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳518067

用于導(dǎo)管架維修的常壓干式艙密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

齊兵兵，文祥宇，齊芳芳

深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳518067

焊接修復(fù)導(dǎo)管架水下裂紋的最好方法是利用常壓干式艙，而良好的密封結(jié)構(gòu)是完成干式維修的前提和保證。以陸豐7-2導(dǎo)管架修復(fù)項(xiàng)目中使用的常壓干式艙為例，詳細(xì)介紹干式艙的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)充分考慮施工過(guò)程中遇到的諸多難點(diǎn)，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中予以有效解決。密封結(jié)構(gòu)包括密封短節(jié)、密封槽、充氣塞、楔型橡膠以及U型卡。密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有靈活性、耐久性、彈性、抗臺(tái)風(fēng)以及水下安裝方便等特點(diǎn)，在工程實(shí)踐中應(yīng)用成功，可為其他類似項(xiàng)目提供參考。

導(dǎo)管架；維修；干式艙；密封結(jié)構(gòu)

1 概述

自20世紀(jì)70年代我國(guó)在渤海建成第一座海上石油平臺(tái)以來(lái)，目前已累計(jì)建成導(dǎo)管架平臺(tái)超過(guò)200座。導(dǎo)管架在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，由于風(fēng)、浪、流等隨機(jī)出現(xiàn)的交變載荷作用可能產(chǎn)生疲勞裂紋，或被船撞擊而產(chǎn)生裂紋，或安裝過(guò)程中由于偶然碰撞造成局部裂紋等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)管架裂紋通常處于30 m以淺的表層水深范圍內(nèi)。要徹底修復(fù)導(dǎo)管架裂紋，采用水下常壓干式艙進(jìn)行焊接修復(fù)是最好的辦法[1]。而干式艙良好的密封效果是完成干式維修的前提和保證[2]。本文結(jié)合陸豐7-2導(dǎo)管架修復(fù)項(xiàng)目，對(duì)常壓干式艙密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

陸豐7-2導(dǎo)管架地處南海的開(kāi)敞海域，水深達(dá)106 m，頻受臺(tái)風(fēng)侵襲。該導(dǎo)管架裂紋為貫穿性裂紋，深度達(dá)80 mm（樁腿壁厚80 mm，部分裂紋已完全貫穿），長(zhǎng)度達(dá)2 830 mm，處于主樁腿水面以下10 m位置。斜拉筋管與水平拉筋管交匯于此，形成K型節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。經(jīng)多次研究論證，決定本項(xiàng)目采用常壓干式艙方案進(jìn)行水下裂紋焊接維修，即在水下裂紋附近安裝一個(gè)常壓干式艙體，將內(nèi)部海水抽出，使裂紋處于常壓、干式環(huán)境下，施工人員按照比導(dǎo)管架建造標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格的工藝進(jìn)行焊接修復(fù)，確保裂紋焊接修復(fù)的質(zhì)量。干式艙整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

干式艙安裝以后，需要安裝密封結(jié)構(gòu)，將海水隔開(kāi)，提供常壓、穩(wěn)定的干式環(huán)境，供維修人員對(duì)裂紋進(jìn)行水下焊接修復(fù)。密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有諸多限制因素，設(shè)計(jì)時(shí)需加以考慮。

（1）水下密封的靈活性。導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)附近出現(xiàn)的巨大裂紋會(huì)導(dǎo)致主樁腿與拉筋管之間的相對(duì)角度和位置發(fā)生改變（與完工圖紙相比）。若安排船舶與潛水員進(jìn)行精確測(cè)量，則需耗費(fèi)數(shù)百萬(wàn)元的成本。因此干式艙在設(shè)計(jì)與建造時(shí)，以原導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)完工圖紙為基礎(chǔ)，再根據(jù)裂紋寬度，考慮一定的偏差范圍。密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤其要充分考慮導(dǎo)管架的變形影響，具備一定的靈活性，在導(dǎo)管架不同的變形情況下，仍能保持足夠的密封效果。

圖1 常壓干式艙

（2）水下密封的持久性。水下裂紋的焊接修復(fù)及檢驗(yàn)至少持續(xù)5 d，焊接修復(fù)期間若焊接修復(fù)區(qū)域進(jìn)水，則容易造成修復(fù)失敗及返工重修，甚至導(dǎo)致導(dǎo)管架報(bào)廢，引起重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，干式艙的密封結(jié)構(gòu)需要至少保證5 d以上的持續(xù)密封能力。

（3）水下密封的抗壓性。水下密封結(jié)構(gòu)所處水深范圍為-8～-13 m，內(nèi)部抽水后，內(nèi)外壓差較大，密封結(jié)構(gòu)需能承受一定的海水壓力，確保密封不會(huì)失效。

（4）水下密封的彈性。干式艙安裝于導(dǎo)管架水下10 m左右，容易受表層風(fēng)浪、涌浪、海流等交變載荷影響而產(chǎn)生晃動(dòng)?；蝿?dòng)過(guò)程中干式艙與導(dǎo)管架的交界部分會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，密封結(jié)構(gòu)需具備一定的彈性，提供持續(xù)穩(wěn)定的密封效果。

（5）抗臺(tái)風(fēng)能力。南海熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)較多，為避免導(dǎo)管架修復(fù)過(guò)程中突發(fā)臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致修復(fù)失敗，干式艙密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮臺(tái)風(fēng)的影響。

（6）水下安裝。導(dǎo)管架K型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，干式艙密封結(jié)構(gòu)的水下安裝較為困難，在設(shè)計(jì)時(shí)必須仔細(xì)考慮水下安裝問(wèn)題，以方便潛水員水下施工作業(yè)，提高海上施工效率。

2.2 密封型式設(shè)計(jì)

由于導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為使干式艙艙體能夠順利安裝至導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)上，將干式艙艙體結(jié)構(gòu)分為6個(gè)部分，見(jiàn)圖2，在水下按照Part1至Part6的順序逐個(gè)安裝，并最終組對(duì)安裝成整體。艙體之間采用法蘭連接并用M16螺栓固定，法蘭面之間粘貼三元乙丙橡膠，增加密封性，見(jiàn)圖3。

圖2 干式艙安裝示意

圖3 艙體之間連接示意

上述6個(gè)交界位置的艙體與導(dǎo)管架支管之間的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同，分為密封短節(jié)、密封槽、充氣塞、U型卡和楔型橡膠。其中每個(gè)短節(jié)均勻分為兩部分，便于水下安裝。

（1）密封短節(jié)。密封短節(jié)長(zhǎng)600 mm，以干式艙與導(dǎo)管架拉筋管交界為中心，內(nèi)外各延長(zhǎng)約300 mm，短節(jié)直徑比拉筋管大100 mm，安裝后與拉筋管同軸心，材質(zhì)為DH36鋼板，厚度15 mm。短節(jié)兩端設(shè)計(jì)成法蘭面，短節(jié)中間與干式艙壁焊接固定一起，使法蘭面為主要密封面。該短節(jié)將艙壁與海水交界面變?yōu)閮?nèi)外兩個(gè)密封面，雙重密封可提高密封效果，也便于潛水員水下施工。密封短節(jié)安裝位置如圖4所示。

圖4 密封短節(jié)示意

（2）密封槽。密封槽由15 mm厚，材質(zhì)為DH36鋼板焊接而成。上部斜面，中間是U型槽，底部法蘭面，形狀如圖5所示。

圖5 密封槽

密封槽整體平分為兩瓣，便于安裝至導(dǎo)管架支管上。底部法蘭面與短節(jié)法蘭面組對(duì)，軸向固定和保護(hù)內(nèi)部密封圈與上部楔型橡膠，如圖6所示。密封槽與短節(jié)的分離設(shè)計(jì)解決了導(dǎo)管架變形情況有所不同時(shí)的密封難題，密封槽與短節(jié)法蘭面之間可根據(jù)導(dǎo)管架的變形而相對(duì)移動(dòng)，既確保法蘭面之間的密封效果，同時(shí)確保干式艙與導(dǎo)管架之間的密封效果。如圖7所示。

（3）楔型橡膠。楔型橡膠采用實(shí)心的三元乙丙橡膠，起主要的密封作用，同時(shí)需抵抗海水的壓力。楔型橡膠安裝于密封槽頂部，是干式艙第一道密封屏障。干式艙抽水以后，由于艙內(nèi)外壓差變化，楔型橡膠被擠壓進(jìn)密封槽與拉筋管之間的空隙，密封效果更好。

圖6 密封槽剖面示意

圖7 密封槽滑動(dòng)示意

（4）充氣塞。充氣塞如圖8所示，其截面高125 mm、寬75 mm，壁厚5 mm。充氣塞安裝于密封槽內(nèi)部，設(shè)有氣孔與單向閥，通過(guò)密封槽上的開(kāi)孔與外部相連。充氣塞作為干式艙第二道密封屏障，起干式艙與拉筋管之間的密封作用。充氣塞具有較大的彈性，當(dāng)干式艙與導(dǎo)管架有相對(duì)位移時(shí)，充氣塞隨之變形，保持密封效果。

（5）U型卡。U型卡通過(guò)M16螺栓將密封槽與短節(jié)法蘭固定。U型卡水下安裝簡(jiǎn)單方便，便于潛水員操作。無(wú)論密封槽與短節(jié)之間如何相對(duì)移動(dòng)，U型卡均能滿足其固定要求。相比于法蘭面開(kāi)孔的螺栓固定，具有更大的靈活性。同時(shí)可根據(jù)水下實(shí)際情況，加裝U型卡，提高密封性。經(jīng)計(jì)算和實(shí)踐證明，U型卡固定方式能夠經(jīng)受住臺(tái)風(fēng)的考驗(yàn)。

圖8 充氣塞示意

2.3 局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

（1）法蘭面與法蘭面之間添加膠皮。法蘭面之間粘貼5 mm厚的三元乙丙橡膠膠皮，經(jīng)過(guò)螺栓擠壓之后容易擠壓變形，增加法蘭面之間的密封性。

（2）法蘭面外側(cè)注入密封膠。在法蘭面的外沿注入聚氨酯密封膠，遇水凝固，提高干式艙整體密封性。

（3）短節(jié)內(nèi)部法蘭做成楔型法蘭面。楔型法蘭面以及楔型橡膠如圖9所示。其作為第三層密封屏障，是前面兩道密封屏障的備用方案，進(jìn)一步確保干式艙密封效果。通過(guò)M16螺栓連接固定實(shí)心橡膠。

圖9 短節(jié)內(nèi)部楔型法蘭面及橡膠

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

陸豐7-2導(dǎo)管架修復(fù)項(xiàng)目使用的常壓干式艙采用上述密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封。密封結(jié)構(gòu)安裝之前需要在甲板對(duì)密封面進(jìn)行打磨、拋光處理至SA2.0標(biāo)準(zhǔn)并粘貼膠皮。密封結(jié)構(gòu)吊裝入水后，由潛水員在水下進(jìn)行組對(duì)，最后安裝U型卡子進(jìn)行固定。整個(gè)施工過(guò)程如圖10所示，在干式艙內(nèi)修復(fù)裂紋作業(yè)過(guò)程中密封效果良好，項(xiàng)目進(jìn)展順利。

圖10 陸豐7-2導(dǎo)管架常壓干式的安裝

4 結(jié)束語(yǔ)

常壓干式艙密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了三層密封屏障，保證了干式艙的密封效果，具有一定的靈活性，持久性、抗壓性以及彈性，能夠在復(fù)雜的水下結(jié)構(gòu)物上提供持續(xù)、穩(wěn)定的密封效果。尤其是密封槽、充氣塞和U型卡的設(shè)計(jì)，有效地解決了在無(wú)法獲知導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)變形信息的前提下提供穩(wěn)定密封的技術(shù)難題。

另外，密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅適用于導(dǎo)管架維修的常壓干式艙，同時(shí)也為其他類似水下結(jié)構(gòu)物的干式維修提供參考和指導(dǎo)，有助于推動(dòng)國(guó)內(nèi)海洋工程水下作業(yè)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。

[1]侯志文，魏行超，崔寧，等.應(yīng)用水下常壓干式艙修復(fù)導(dǎo)管架裂紋[J].石油工程建設(shè)，2015，41（6）：15-17.

[2]潘悅?cè)唬瑮顚毞?用于海底管道修復(fù)的常壓干式艙密封門(mén)設(shè)計(jì)[J].石油工程建設(shè)，2016，42（1）：46-49.

Design of sealing structure of dry cofferdam with normal pressure applied in jacket repair

QIBingbing，WEN Xiangyu，QIFangfang
COOEC Shenzhen Subsea Technology Co.，Ltd.，Shenzhen 518067，China

Applying the cofferdam with normal pressure is the best method for underwater welding repair of jacket crack，and the good sealing structure is the precondition and guarantee of performing the repair work in dry condition.Taking the cofferdam with normal pressure applied in LF7-2 jacket repair project as an example，the design of sealing structure of the cofferdam is introduced in detail.The difficult points in construction course are taken into account of the design，and solved effectively in the design.The sealing structure includes sealing short tube，sealing groove，gas filling plug，wedge rubber and U-shaped clamps.The sealing structure design has the features of flexibility，durability，elasticity，anti-typhoon and easy installation underwater.It has been successfully used in the project and can provide help to other similar project.

jacket；repair；dry cofferdam；sealing structure

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.007

齊兵兵（1984-），男，廣東深圳人，工程師，2010年畢業(yè)于大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，獲機(jī)械、英語(yǔ)雙學(xué)位，主要從事水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝、維修、拆除方面的研究工作。

2016-12-10

Email：qibb@mail.cooec.com.cn