用于海底管道修復的常壓干式艙密封門設計

潘悅然，楊寶峰海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

用于海底管道修復的常壓干式艙密封門設計

潘悅然，楊寶峰
海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

以東方1-1海底管道搶修項目使用的重力式常壓干式艙為例，介紹了重力式常壓干式艙密封門設計與結構選型。分別對密封門結構和密封門密封部位設計進行了詳細闡述，提出了較為優化的設計形式，并對密封材料進行了優選。采取了上下對開門結構，門與艙體連接部位采用了旋轉式門栓的布置設計，密封門與海底管道交界部位密封采用了隔水擋板的設計，提高了整體密封效果。基于該種艙門的常壓干式艙成功應用在東方1-1海底管道修復項目及華德管道改遷工程干式艙施工項目中。

干式艙；海底管道；密封艙門

1　概述

海底管道修復是一項技術含量高、涉及專業面廣、施工操作復雜、投入高和風險大的海洋工程，一般分為濕式維修和干式維修，其中干式維修是指在水下建立干式（無水）環境后進行的焊接或機械修復，與濕式維修相比，修復質量能夠大幅提高。干式維修需根據水深不同采用常壓或高壓干式艙來提供干式環境，因此干式艙良好的密封效果是完成干式維修的前提和保證，而干式艙的密封效果主要取決于密封門。本文結合東方1-1海底管道搶修項目，對常壓干式艙密封艙門的設計進行分析［1-8］。

東方1－1海底管道修復項目施工區域水深只有6 m，管道位于防波堤下方，無法進行平管起吊作業，若采用水下機械連接器進行修復，則會因進口的機械連接器生產及采辦周期長而無法滿足要求，因此該項目采用重力式常壓干式艙對水下管道進行修復。

重力式常壓干式艙由艙體、防沉板、密封門和工作平臺等組成，其作業現場見圖1。施工過程中，將干式沉箱套在斷裂的海底管道一端，然后安裝艙門進行密封，把艙體內水排空形成干式環境，進行管道法蘭的焊接修復工作。

圖1　重力式常壓干式艙作業現場

2　密封門結構設計

干式艙就位后，根據海底管道在干式艙門框的相對位置，制作密封門，從而將艙內與外界海水隔開。密封門在海底工作情況下會受到海水的外壓，如果外壓過大，密封門就會被壓損，從而產生較大的應力變形，而密封門的變形會帶動海底管道周圍的密封裝置產生位移，導致密封裝置失效。

2.1整體結構形式設計

密封門有兩扇對開門板（左右對開或上下對開），中間通過螺栓來密封。左右對開的兩扇門板在水壓作用下變形較大，會產生相對位移，用來約束相對位移的螺栓，會承受較大的剪切力，給兩扇門板之間的密封增加了難度。而采用上下對開的門板，如圖2所示，上門板的重力有助于兩扇門板之間的密封，并減小了連接螺栓受到的剪切力。

圖3　旋轉式門栓兩種狀態示意

2.2連接部位設計

連接部位是指干式艙艙壁與密封門之間的連接部位。干式艙安裝就位前，預先用螺栓將門栓一端限制在干式艙壁上，螺栓處于松弛狀態時，門栓如圖3所示，當門板就位后，擰緊螺栓，擠壓門板和艙壁之間的橡膠墊，達到密封效果。

圖3　　旋轉式門栓兩種狀態示意

扣緊狀態

松弛狀態

門栓在門板內側有螺母連接，在艙內操作螺母即可對門栓進行擰緊或放松。門板上的槽鋼支撐了門栓，防止門栓的變形，設置成旋轉式門栓便于門的安裝。為保證門板螺栓孔位置的密封性，艙壁外側的螺桿設計有橡膠套筒，如圖4所示。

圖4　旋轉式門栓示意

在施工中，為減小艙壁螺栓孔處的應力集中，可以在艙壁內側焊接加強環，增加該處強度。

3　密封門密封部位設計

密封門的密封包括兩部分：一是密封門周邊與干式艙艙體側壁之間的密封，這部分屬靜密封，較容易實現；二是密封門與海底管道圓周之間的密封，由于海底管道外表面可能凹凸不平，因而此部分密封較困難。

3.1密封門周邊的密封

本工程海底管道的外徑為559 mm。密封門周邊的靜密封件采用100 mm寬、10 mm厚的三元乙丙橡膠墊，門邊采用螺栓進行緊固，如圖5所示。

圖5　密封門周邊密封橡膠示意

3.2密封門與海底管道交界部位密封

由于密封門與海底管道交界部位屬于帶壓靜密封，是主要的可能發生漏水部位，也是密封的重點部位。

設計采用45°傾斜止水擋板擠壓45°斜面的止水橡膠，在止水擋板端部增加圍繞管周的卡箍，避免在擠壓橡膠過程中止水擋板可能翹起情況的發生，增加了沿海底管道徑向的壓力。當艙內外兩塊止水擋板靠近（擰緊螺栓）時，擠壓止水橡膠，縮小圍繞海底管道的直徑，將海底管道抱緊，如圖6所示。該設計減少了由于海底管道變形或者位移產生的影響，大大提高了對海底管道外徑的適用范圍，克服制造誤差對密封效果的影響。

圖6　　端部增加卡箍的密封設計

從圖6可看出，止水橡膠內開有許多“彈性空洞”，其原因是：由于待維修海底管道存在應力，需要止水橡膠具有很大的彈性，在止水橡膠內開孔，并且針對各部位所需彈性大小不同，各部位開設不同數量和大小的圓孔，就可以有效應對海底管道外表面可能存在的凹凸不平的問題。

3.3環管一周止水密封

“環管一周導水槽”的設計理念：當部分海水滲透過橡膠達到圖7中環管一周導水槽的位置時，由于導水槽環管一周聯通，滲透水會受重力而聚集于導水槽下部，在環管一周導水槽底部還有一與之垂直（平行于海底管道方向）的底部軸向導水槽，將環管一周導水槽里的水導出橡膠密封圈，在出口處集中收集排水，這樣即使在前面的橡膠密封失效的情況下，導水槽也能防止水從海底管道和橡膠密封圈一周滲透進入干式艙。導水槽的三維示意圖見圖8。

3.4局部設計優化

（1）螺栓的布置。采用錯位的雙螺栓布置，如圖9所示，相鄰兩螺栓所在的圓周到海底管道中心的半徑不同，這樣產生的力矩有利于對止水橡膠產生徑向壓力。

（2）U型螺栓孔設計。為便于現場安裝，止水擋板外緣安裝螺栓處采用U形開口式螺栓孔，外端為圓弧形，防止了因應力集中給止水擋板帶來的安全隱患。卡箍螺栓對稱安裝在卡箍左右兩側、止水擋板對接處和上下門對接處采用倒置的螺栓安裝方式，這也是考慮到現場安裝的操作方便。

圖7　導水槽內水位示意

圖8　導水槽示意

圖9　雙螺栓布置示意

4　密封材料選擇

橡膠是最常用的密封材料，品種有丁腈橡膠、氟橡膠、硅橡膠和聚氨酯橡膠等。橡膠件除了應具有一定的硬度和彈性外，還要具有耐磨性、抗蠕變性及自潤滑性等。

本文對常用的幾種密封橡膠的特性及適用場合進行了對比，見表1。

為適應海底管道直徑和位置的變化，密封材料必須有較好的彈性；雖然干式艙在水中作業時間不長，但海水pH值長期保持在8.1左右，其腐蝕作用也不能忽視，因而密封橡膠需要耐堿性、耐腐蝕和耐水性。三元乙丙橡膠在彈性、耐堿性、耐腐蝕性、耐水性等指標上均表現出色，且價格便宜，在黃浦江觀光隧道中也被大量采用，故本項目中密封橡膠采用三元乙丙橡膠。

表1　常用密封橡膠及其特性

5　現場應用

東方1-1海底管道修復項目使用1個常壓干式艙，如圖10所示，采用1個上述密封門，完成了水深9 m法蘭常壓干式焊接，施工過程中艙門密封效果極佳，艙內幾乎無海水滲漏。

圖10　　東方1-1海底管道修復干式艙內作業

華德管道改遷工程干式艙施工項目使用3個常壓干式艙，完成了水下10 m管道常壓干式環境不停產開孔封堵和管道焊接連接，如圖11所示。其中2個干式艙各采用2個上述密封門作側門，另外1個干式艙采用3個上述密封門作側門。密封門所用密封材料均為三元乙丙橡膠，并與帶混凝土配重層的管道直接密封，增加了密封難度，但實踐表明總體密封效果較好，能滿足艙內干式環境不停產開孔封堵和管道焊接的要求。

圖11　華德管道改遷項目干式艙內作業

6　結束語

重力式常壓干式艙密封艙門的設計和在工程中實踐應用表明：采用三元乙丙彈性橡膠并在橡膠內部按需開孔洞，可以增大密封門密封橡膠的彈性，使其與海底管道結合更加緊密。

另外，海底管道周圍密封還需解決艙門鋼板變形問題，采取加強措施減小艙門板變形以使密封裝置更好地發揮作用。

［1］高仁云，葛彤.水下干式管道維修系統綜合監控軟件設計［J］.上海海事大學學報，2006，27（3）：1-4.

［2］劉春厚，潘東民，吳宜山.海底管道維修方法綜述［J］.中國海上油氣，2004，16（1）：59-62.

［3］孫杰.軸承密封件安裝穩定性與密封特性研究［D］.青島：中國海洋大學，2006.

［4］蔣澤勇，葛彤，李長春.海底管線維修干式艙作業控制與監測［J］.石油機械，2006，34（6）：38-42.

［5］梁曉鋒，張裕芳，易宏，等.水下管道維修干式艙系統可靠性及安全性分析［J］.船舶工程，2008，30（2）：67-71.

［6］房曉明.海底管線干式維修技術［J］.哈爾濱工程大學學報，2008，29（7）：651-657.

［7］高峰，房曉明，潘東民，等.高壓干式海底管道焊接維修工藝技術［J］.北京石油化工學院學報，2012，20（3）：48-51.

［8］蒲高軍，魯之如.干式維修箱在海底管道登陸段泄漏修復中的應用［J］.石油工程建設，2011，37（6）：15-16.

Design of Sealing Door of Dry Work Chamber with Normal Pressure Applied in Subsea Pipeline Repair

PAN Yueran，YANG Baofeng
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300461，China

Taking the gravity-type dry work chamber with normal pressure applied in the DF1-1 subsea pipeline rush repair project as an example，this paper introduces the design and structure selection of the sealing door of the dry work chamber.The design of the structure and sealing location of the door are described in detail，the optimal door design is brought forward，and the sealing material is chosen optimally.The door is designed as up-down bisected structure，rotary bolt is used between the door and the chamber body，and a watertight baffle is used in the interface of the door and the subsea pipeline.This type of sealing method has been applied successfully in the DF1-1 subsea pipeline rush repair project and the HUADE subsea pipeline modification project.

dry work chamber；subsea pipeline；sealing chamber door

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.01.011

潘悅然（1989-），女，天津人，助理工程師，2014年畢業于天津大學海洋工程專業，碩士，現主要從事海底管道設計相關工作。Email：panyr@mail.cooec.com.cn

2015-07-15；

2015-11-21