深水管節沉放施工水下可更換穿艙密封系統設計及應用

周相榮

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

海底隧道建設過程中，各段深水沉管必須實現精準對接[1-2]，因水下安裝全程無人控制，一體船控制中心和水下沉管間必須建立可靠有效的電力和通訊聯系[3]，通過電力纜和通訊纜將一體船控制裝置與沉管內執行設備，如壓載泵及各類傳感器搭接貫通，為其提供動力和信號傳輸路由。深水沉管安裝過程中，為保證電力和通訊在沉管中的正常供應，通常需要在沉管壁上安裝1 個水密的穿艙件，電纜和光纜可以從沉管外部一直穿入到沉管內部。目前，國內外對于穿艙密封系統及其性能研究較多，如張磊等[4]對灌封膠密封、玻璃焊料密封、金屬化焊接密封、O 形橡膠密封圈密封等不同密封技術的特點及適用性進行了對比，找出了適合高壓力差場穿艙連接器密封技術；胡德芳等[5]提出了一種對稱的密封穿艙技術，并用ANSYS 軟件分析了其密封性能；呂巖松[6]提出了一種采用電纜杯形管節進行穿艙密封的結構設計方案；邱金水等[7]利用填料函進行穿艙電纜的密封設計，并對填料進行了有限元受力分析，選出了最優的填料模式。但目前國內外對于穿艙件受損后水下更換的技術研究較少。由于深水沉管安裝及后續運營過程中受到海壓、海流、海風等外部條件的影響，穿艙設備容易出現問題，此時，需要在水下對穿艙件進行更換[8]。但由于沉管內外壓力差較大，水下更換非常困難[9]。針對以上問題，本研究設計了一套深水管節沉放施工水下可更換穿艙密封系統，此系統使水下穿艙連接器更換更方便，并確保在復雜海況條件下水下沉管安裝時的電力供應和通訊聯系。

1 深水沉管穿艙密封系統設計

1.1 系統原理

深水沉管穿艙系統通常安裝在沉管端封門上，施工時由于深海水壓的影響，端封門內外一般存在較大的壓力差。傳統穿艙系統在水下更換時存在以下問題：1） 穿艙件內外壓力差較大，潛水員很難拆下穿艙件；2） 穿艙系統水下拆除后，海水會涌入沉管。本系統解決方法：1） 在沉管內設置密封腔，并在密封腔上加設泄壓閥和壓力泵接口。拆卸穿艙件時，由壓力泵對沉管內密封腔加壓，使內外壓力平衡，方便潛水員拆卸穿艙件。2） 在沉管內部穿艙件一端設置密封堵頭，如穿艙件發生損壞，可先在沉管內部利用密封堵頭封堵，然后進行穿艙件拆卸更換，可防止海水進入沉管。

1.2 系統組成

可更換水下穿艙密封系統是由焊接法蘭、穿艙組件、水密1 區、臍帶纜、水密2 區、干式連接器、密封圈、密封堵頭、連接器密封堵頭、壓力表、泄壓閥、球閥、壓力泵等組成，如圖1 所示。水下穿艙密封系統殼體由焊接法蘭固定在端封門上，焊接法蘭與穿艙組件通過連接螺栓固定，臍帶纜與干式連接器相連，并在干式連接器端與連接器密封堵頭固定在一起。水密1 區和水密2區套在臍帶纜外面。各連接處都采用O 形橡膠密封圈密封，臍帶纜、密封1 區、穿艙組件、連接器密封堵頭間采用專用密封膠密封，使其連接為一個固定的整體。在密封腔上安裝有泄壓閥。泄壓閥的主要作用是平衡連接器密封堵頭內外的壓力，使潛水員在深水壓力下能夠方便地拆下穿艙組件。

圖1 深水沉管穿艙密封系統圖Fig.1 Deepwaterimmersedtubepenetrationsealingsystem

1.3 系統優勢

1） 密封可靠。系統通過專用密封膠、O 形橡膠密封圈等實現可靠的密封。水下穿艙件與電纜通過樹脂粘合劑、聚氨酯冷填充劑、夾緊塊等進行水密和承重處理，以保證深水密封和承重要求。

2） 水下更換方便。設備損壞時可以很方便地進行水下更換，更換時間可控制在20 min 以內。

1.4 系統水下更換流程

如果水下沉管安裝過程中穿艙系統發生損毀，水下更換流程如下：

1） 端封門內部先行安裝連接器密封堵頭，確保施工過程中水不會進入沉管內部。

2） 在沉管內部安裝密封腔，該密封腔受力校核耐水壓等級為0.1 MPa。

3） 關閉密封腔泄壓閥，由壓力泵對沉管內密封腔加壓，使內外壓力平衡或壓力略高于同位置端封門外部水壓。

4） 潛水員在端封門外部通過起頂螺釘取下臍帶纜穿艙組件，穿艙電纜組件拆下后系統結構如圖2 所示。

圖2 穿艙電纜組件拆下后系統結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the system structure after removing the cable assembly

5） 潛水員水下安裝新電纜穿艙連接器。安裝時，通過泄壓閥將內部壓力釋放，潛水員借助外部水壓將穿艙件推進到位，并擰緊螺釘。

6） 新的穿艙組件安裝成功后，取下密封腔，連接沉管內部線路，完成更換過程。

2 深中通道深水管節可更換穿艙密封系統

2.1 工程概況

深中通道是我國“十三五”期間確定的重大工程，是世界級的“橋、島、隧、地下互通”集群工程。其中，隧道部分由32 節深水沉管組成，全長5 035 m，是世界上最長的水下鋼殼混凝土隧道。

深中通道沉管安裝時，拖運沉管的浮運一體船與沉管之間通過水下臍帶纜穿艙組件建立電力供應和通訊聯系。沉管安裝的關鍵一環是壓載水系統，由壓載水控制系統和管內壓載水管系統組成[10]。其中，壓載水控制系統包括浮運一體船控制中心和沉管內監控系統兩大部分，是保證壓載水系統正常工作的關鍵[11]。沉管內監控系統包括視頻監控系統和傳感器系統兩部分。視頻監控系統主要包括視頻攝像機、照明設備等，用于觀測端封門、閥門驅動頭指示器、壓載水箱的水尺等；傳感器系統主要包括水箱液位傳感器、漏水傳感器、進出口和對接腔的壓力傳感器等，主要用于監測沉管安裝時壓載水系統的各項數據。

2.2 系統設計

根據深水管節沉放施工水下可更換穿艙系統的設計原理，設計深中通道深水管節沉放施工水下可更換穿艙密封系統如圖3 所示。深中通道深水管節水下可更換穿艙密封系統主要由焊接法蘭、穿艙組件、動力連接器、臍帶纜、O 形橡膠密封圈、密封腔、連接器密封堵頭、壓力表、泄壓閥、球閥、壓力泵等組成，其中動力連接器由3 組動力線組成，將臍帶纜提供的電力傳輸到3 個不同的動力插座。整個穿艙密封裝置間采用專用密封膠密封，增加其水密性。

圖3 深中通道深水管節可更換穿艙密封系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of replaceable penetration sealing system for deep-water immersed tube in the Shenzhen-Zhongshan Link

2.3 系統指標

深水管節沉放施工水下可更換穿艙密封系統的主要技術指標如表1 所示。

表1 深中通道深水管節水下可更換穿艙密封系統的主要技術指標Table 1 Main technical index of underwater replaceable penetration sealing system for deep-water immersed tube in the Shenzhen-Zhongshan Link

3 試驗驗證

深水管節沉放施工水下可更換穿艙密封系統的密封試驗，主要包括焊接法蘭和穿艙組件的水密性試驗、成套電纜水密穿艙組件的水密性試驗、端封門內側密封腔的密封特性試驗。本試驗嚴格按照GB/T 4208—2017《外殼防護等級（IP 代碼）》相關要求進行。

3.1 焊接法蘭與穿艙組件的水密性試驗

試驗目的：驗證焊接法蘭和穿艙組件滿足100 m 水深壓力水密要求。

制備外徑200 mm，高度500 mm 的壓力艙，壓力艙耐壓5 MPa。把密封法蘭和壓力艙裝配好，放入壓力釜，壓力艙內壁上事先涂抹無水硫酸銅。壓力釜緩慢加壓至3 MPa，加壓時間控制在10 min 左右，保壓2 h 后，壓力釜緩慢釋放壓力，釋壓時間也控制在10 min 左右。常壓后打開密封法蘭，觀察壓力艙內部。結果表明，壓力艙內部無水存積、無水硫酸銅無變色現象，焊接法蘭和穿艙組件滿足100 m 水深壓力下的水密性要求。

3.2 成套電纜水密穿艙組件密封測試

試驗目的：驗證成套電纜水密穿艙組件滿足100 m 水深壓力水密要求。

事先在壓力艙內部涂抹無水硫酸銅，將安裝好的成套電纜水密穿艙組件放入壓力釜內，如圖4 所示。對壓力釜加壓，壓力緩慢升至試驗壓力3 MPa 后，穩壓6 h，試驗結束后打開壓力艙端蓋進行檢查。試驗結果：壓力艙內部無水存積、無水硫酸銅無變色現象。試驗結論：成套電纜水密穿艙組件滿足100 m 水深壓力下的水密要求。

圖4 成套電纜水密穿艙組件密封測試示意圖Fig.4 Seal test diagram of complete set of cable watertight penetration chamber assembly

3.3 端封門內側密封腔的密封特性試驗

試驗目的：驗證端封門內側密封腔滿足100 m 水深壓力水密要求。

試驗原理見圖5，去掉縱向水密纜尾部的水密堵頭，采用對密封艙內部加壓測漏方式，向耐壓艙內部緩慢加壓至1 MPa，穩壓2 h，試驗結束后，打開耐壓艙蓋，觀察內部情況。結果表明，端封門內側密封腔滿足100 m 水深壓力水密要求。

圖5 密封腔水密性測試圖Fig.5 Water tightness test of sealing chamber

4 應用及效果評價

本系統應用于深中通道沉管隧道E3 和E5 管節沉放施工過程中。由于海況條件和臍帶纜的晃動，在E3 和E5 管節施工時穿艙件受損，導致沉管內電力和通訊中斷，需要更換穿艙件。

施工人員進入沉管，在端封門內部安裝密封腔，確保更換過程中海水不會通過端封門穿艙孔進入沉管內部。首先關閉泄壓閥，然后利用壓力泵對密封腔進行加壓，使連接器密封堵頭內部壓力比端封門外部水壓略高，以方便潛水員水下更換。潛水員下潛更換時，首先在端封門外部通過起頂螺釘取下組合纜穿艙電纜組件，然后在水下調直穿艙件頭部對準焊接法蘭孔，并清理O 形橡膠密封圈安裝孔，確保附近水質干凈、無雜質。安裝新的電纜穿艙件時，沉管內部施工人員先利用泄壓閥將內部水壓釋放，潛水員借助外部水壓將穿艙件推進到位。新的穿艙組件安裝成功后，沉管內部施工人員取下密封腔，連接沉管內部線路，完成更換過程。

深中通道沉管隧道在E3 和E5 管節沉放施工過程中的水下穿艙件更換時，更換過程方便快捷、安全可靠，均在20 min 內完成更換，且更換過程中沒有海水進入沉管，驗證了本系統的可靠性和便捷性，確保了深中通道管節沉放施工順利進行。

5 結語

本文針對深水管節沉放施工過程中沉管穿艙件密封及更換的需要，設計了一種深水管節沉放施工水下可更換穿艙密封系統。本套穿艙密封系統采用了多種裝置滿足系統水密的要求，同時采用艙內壓力控制裝置平衡沉管內外的壓力，保證穿艙件在需要時可方便更換。本套系統設置端封門內密封腔，可避免穿艙件更換時沉管進水。本套系統在深中通道沉管安裝過程中進行了應用，不僅驗證了其可靠性和便捷性，并且試驗結果表明該系統可滿足更大水深、更復雜海況的施工要求。