用于導管架維修的常壓干式艙密封結構設計

齊兵兵，文祥宇，齊芳芳

深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳518067

用于導管架維修的常壓干式艙密封結構設計

齊兵兵，文祥宇，齊芳芳

深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳518067

焊接修復導管架水下裂紋的最好方法是利用常壓干式艙，而良好的密封結構是完成干式維修的前提和保證。以陸豐7-2導管架修復項目中使用的常壓干式艙為例，詳細介紹干式艙的密封結構設計，該設計充分考慮施工過程中遇到的諸多難點，并在設計過程中予以有效解決。密封結構包括密封短節、密封槽、充氣塞、楔型橡膠以及U型卡。密封結構設計具有靈活性、耐久性、彈性、抗臺風以及水下安裝方便等特點，在工程實踐中應用成功，可為其他類似項目提供參考。

導管架；維修；干式艙；密封結構

1 概述

自20世紀70年代我國在渤海建成第一座海上石油平臺以來，目前已累計建成導管架平臺超過200座。導管架在長期服役過程中，由于風、浪、流等隨機出現的交變載荷作用可能產生疲勞裂紋，或被船撞擊而產生裂紋，或安裝過程中由于偶然碰撞造成局部裂紋等。據統計，導管架裂紋通常處于30 m以淺的表層水深范圍內。要徹底修復導管架裂紋，采用水下常壓干式艙進行焊接修復是最好的辦法[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]。本文結合陸豐7-2導管架修復項目，對常壓干式艙密封結構的設計進行分析。

陸豐7-2導管架地處南海的開敞海域，水深達106 m，頻受臺風侵襲。該導管架裂紋為貫穿性裂紋，深度達80 mm（樁腿壁厚80 mm，部分裂紋已完全貫穿），長度達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型節點，結構復雜。經多次研究論證，決定本項目采用常壓干式艙方案進行水下裂紋焊接維修，即在水下裂紋附近安裝一個常壓干式艙體，將內部海水抽出，使裂紋處于常壓、干式環境下，施工人員按照比導管架建造標準更嚴格的工藝進行焊接修復，確保裂紋焊接修復的質量。干式艙整體結構見圖1。

2 密封結構設計

2.1 設計難點

干式艙安裝以后，需要安裝密封結構，將海水隔開，提供常壓、穩定的干式環境，供維修人員對裂紋進行水下焊接修復。密封結構設計有諸多限制因素，設計時需加以考慮。

（1）水下密封的靈活性。導管架節點附近出現的巨大裂紋會導致主樁腿與拉筋管之間的相對角度和位置發生改變（與完工圖紙相比）。若安排船舶與潛水員進行精確測量，則需耗費數百萬元的成本。因此干式艙在設計與建造時，以原導管架節點完工圖紙為基礎，再根據裂紋寬度，考慮一定的偏差范圍。密封結構的設計尤其要充分考慮導管架的變形影響，具備一定的靈活性，在導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及檢驗至少持續5 d，焊接修復期間若焊接修復區域進水，則容易造成修復失敗及返工重修，甚至導致導管架報廢，引起重大經濟損失。因此，干式艙的密封結構需要至少保證5 d以上的持續密封能力。

（3）水下密封的抗壓性。水下密封結構所處水深范圍為-8～-13 m，內部抽水后，內外壓差較大，密封結構需能承受一定的海水壓力，確保密封不會失效。

（4）水下密封的彈性。干式艙安裝于導管架水下10 m左右，容易受表層風浪、涌浪、海流等交變載荷影響而產生晃動。晃動過程中干式艙與導管架的交界部分會產生相對位移，密封結構需具備一定的彈性，提供持續穩定的密封效果。

（5）抗臺風能力。南海熱帶風暴、臺風較多，為避免導管架修復過程中突發臺風導致修復失敗，干式艙密封結構設計需要考慮臺風的影響。

（6）水下安裝。導管架K型節點結構復雜，干式艙密封結構的水下安裝較為困難，在設計時必須仔細考慮水下安裝問題，以方便潛水員水下施工作業，提高海上施工效率。

2.2 密封型式設計

由于導管架節點處結構復雜，為使干式艙艙體能夠順利安裝至導管架節點上，將干式艙艙體結構分為6個部分，見圖2，在水下按照Part1至Part6的順序逐個安裝，并最終組對安裝成整體。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個交界位置的艙體與導管架支管之間的密封結構設計相同，分為密封短節、密封槽、充氣塞、U型卡和楔型橡膠。其中每個短節均勻分為兩部分，便于水下安裝。

（1）密封短節。密封短節長600 mm，以干式艙與導管架拉筋管交界為中心，內外各延長約300 mm，短節直徑比拉筋管大100 mm，安裝后與拉筋管同軸心，材質為DH36鋼板，厚度15 mm。短節兩端設計成法蘭面，短節中間與干式艙壁焊接固定一起，使法蘭面為主要密封面。該短節將艙壁與海水交界面變為內外兩個密封面，雙重密封可提高密封效果，也便于潛水員水下施工。密封短節安裝位置如圖4所示。

圖4 密封短節示意

（2）密封槽。密封槽由15 mm厚，材質為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，便于安裝至導管架支管上。底部法蘭面與短節法蘭面組對，軸向固定和保護內部密封圈與上部楔型橡膠，如圖6所示。密封槽與短節的分離設計解決了導管架變形情況有所不同時的密封難題，密封槽與短節法蘭面之間可根據導管架的變形而相對移動，既確保法蘭面之間的密封效果，同時確保干式艙與導管架之間的密封效果。如圖7所示。

（3）楔型橡膠。楔型橡膠采用實心的三元乙丙橡膠，起主要的密封作用，同時需抵抗海水的壓力。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，由于艙內外壓差變化，楔型橡膠被擠壓進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部，設有氣孔與單向閥，通過密封槽上的開孔與外部相連。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，當干式艙與導管架有相對位移時，充氣塞隨之變形，保持密封效果。

（5）U型卡。U型卡通過M16螺栓將密封槽與短節法蘭固定。U型卡水下安裝簡單方便，便于潛水員操作。無論密封槽與短節之間如何相對移動，U型卡均能滿足其固定要求。相比于法蘭面開孔的螺栓固定，具有更大的靈活性。同時可根據水下實際情況，加裝U型卡，提高密封性。經計算和實踐證明，U型卡固定方式能夠經受住臺風的考驗。

圖8 充氣塞示意

2.3 局部優化設計

（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，經過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）短節內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，進一步確保干式艙密封效果。通過M16螺栓連接固定實心橡膠。

圖9 短節內部楔型法蘭面及橡膠

3 現場應用

陸豐7-2導管架修復項目使用的常壓干式艙采用上述密封結構進行密封。密封結構安裝之前需要在甲板對密封面進行打磨、拋光處理至SA2.0標準并粘貼膠皮。密封結構吊裝入水后，由潛水員在水下進行組對，最后安裝U型卡子進行固定。整個施工過程如圖10所示，在干式艙內修復裂紋作業過程中密封效果良好，項目進展順利。

圖10 陸豐7-2導管架常壓干式的安裝

4 結束語

常壓干式艙密封結構設計了三層密封屏障，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，能夠在復雜的水下結構物上提供持續、穩定的密封效果。尤其是密封槽、充氣塞和U型卡的設計，有效地解決了在無法獲知導管架節點變形信息的前提下提供穩定密封的技術難題。

另外，密封結構的設計不僅適用于導管架維修的常壓干式艙，同時也為其他類似水下結構物的干式維修提供參考和指導，有助于推動國內海洋工程水下作業技術的進步與發展。

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

[2]潘悅然，楊寶峰.用于海底管道修復的常壓干式艙密封門設計[J].石油工程建設，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年畢業于大連理工大學機械工程學院，獲機械、英語雙學位，主要從事水下生產系統安裝、維修、拆除方面的研究工作。

2016-12-10

Email：qibb@mail.cooec.com.cn