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用于海底管道修復(fù)的常壓干式艙密封門(mén)設(shè)計(jì)

潘悅?cè)?，楊寶?br/>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(xiàng)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(mén)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)選型。分別對(duì)密封門(mén)結(jié)構(gòu)和密封門(mén)密封部位設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，提出了較為優(yōu)化的設(shè)計(jì)形式，并對(duì)密封材料進(jìn)行了優(yōu)選。采取了上下對(duì)開(kāi)門(mén)結(jié)構(gòu)，門(mén)與艙體連接部位采用了旋轉(zhuǎn)式門(mén)栓的布置設(shè)計(jì)，密封門(mén)與海底管道交界部位密封采用了隔水擋板的設(shè)計(jì)，提高了整體密封效果?；谠摲N艙門(mén)的常壓干式艙成功應(yīng)用在東方1-1海底管道修復(fù)項(xiàng)目及華德管道改遷工程干式艙施工項(xiàng)目中。

干式艙；海底管道；密封艙門(mén)

1　概述

海底管道修復(fù)是一項(xiàng)技術(shù)含量高、涉及專(zhuān)業(yè)面廣、施工操作復(fù)雜、投入高和風(fēng)險(xiǎn)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(wú)水）環(huán)境后進(jìn)行的焊接或機(jī)械修復(fù)，與濕式維修相比，修復(fù)質(zhì)量能夠大幅提高。干式維修需根據(jù)水深不同采用常壓或高壓干式艙來(lái)提供干式環(huán)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(mén)。本文結(jié)合東方1-1海底管道搶修項(xiàng)目，對(duì)常壓干式艙密封艙門(mén)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析［1-8］。

東方1－1海底管道修復(fù)項(xiàng)目施工區(qū)域水深只有6 m，管道位于防波堤下方，無(wú)法進(jìn)行平管起吊作業(yè)，若采用水下機(jī)械連接器進(jìn)行修復(fù)，則會(huì)因進(jìn)口的機(jī)械連接器生產(chǎn)及采辦周期長(zhǎng)而無(wú)法滿足要求，因此該項(xiàng)目采用重力式常壓干式艙對(duì)水下管道進(jìn)行修復(fù)。

重力式常壓干式艙由艙體、防沉板、密封門(mén)和工作平臺(tái)等組成，其作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖1。施工過(guò)程中，將干式沉箱套在斷裂的海底管道一端，然后安裝艙門(mén)進(jìn)行密封，把艙體內(nèi)水排空形成干式環(huán)境，進(jìn)行管道法蘭的焊接修復(fù)工作。

圖1　重力式常壓干式艙作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

2　密封門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

干式艙就位后，根據(jù)海底管道在干式艙門(mén)框的相對(duì)位置，制作密封門(mén)，從而將艙內(nèi)與外界海水隔開(kāi)。密封門(mén)在海底工作情況下會(huì)受到海水的外壓，如果外壓過(guò)大，密封門(mén)就會(huì)被壓損，從而產(chǎn)生較大的應(yīng)力變形，而密封門(mén)的變形會(huì)帶動(dòng)海底管道周?chē)拿芊庋b置產(chǎn)生位移，導(dǎo)致密封裝置失效。

2.1整體結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

密封門(mén)有兩扇對(duì)開(kāi)門(mén)板（左右對(duì)開(kāi)或上下對(duì)開(kāi)），中間通過(guò)螺栓來(lái)密封。左右對(duì)開(kāi)的兩扇門(mén)板在水壓作用下變形較大，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，用來(lái)約束相對(duì)位移的螺栓，會(huì)承受較大的剪切力，給兩扇門(mén)板之間的密封增加了難度。而采用上下對(duì)開(kāi)的門(mén)板，如圖2所示，上門(mén)板的重力有助于兩扇門(mén)板之間的密封，并減小了連接螺栓受到的剪切力。

圖3　旋轉(zhuǎn)式門(mén)栓兩種狀態(tài)示意

2.2連接部位設(shè)計(jì)

連接部位是指干式艙艙壁與密封門(mén)之間的連接部位。干式艙安裝就位前，預(yù)先用螺栓將門(mén)栓一端限制在干式艙壁上，螺栓處于松弛狀態(tài)時(shí)，門(mén)栓如圖3所示，當(dāng)門(mén)板就位后，擰緊螺栓，擠壓門(mén)板和艙壁之間的橡膠墊，達(dá)到密封效果。

圖3　　旋轉(zhuǎn)式門(mén)栓兩種狀態(tài)示意

扣緊狀態(tài)

松弛狀態(tài)

門(mén)栓在門(mén)板內(nèi)側(cè)有螺母連接，在艙內(nèi)操作螺母即可對(duì)門(mén)栓進(jìn)行擰緊或放松。門(mén)板上的槽鋼支撐了門(mén)栓，防止門(mén)栓的變形，設(shè)置成旋轉(zhuǎn)式門(mén)栓便于門(mén)的安裝。為保證門(mén)板螺栓孔位置的密封性，艙壁外側(cè)的螺桿設(shè)計(jì)有橡膠套筒，如圖4所示。

圖4　旋轉(zhuǎn)式門(mén)栓示意

在施工中，為減小艙壁螺栓孔處的應(yīng)力集中，可以在艙壁內(nèi)側(cè)焊接加強(qiáng)環(huán)，增加該處強(qiáng)度。

3　密封門(mén)密封部位設(shè)計(jì)

密封門(mén)的密封包括兩部分：一是密封門(mén)周邊與干式艙艙體側(cè)壁之間的密封，這部分屬靜密封，較容易實(shí)現(xiàn)；二是密封門(mén)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(mén)周邊的密封

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

圖5　密封門(mén)周邊密封橡膠示意

3.2密封門(mén)與海底管道交界部位密封

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

設(shè)計(jì)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(guò)程中止水擋板可能翹起情況的發(fā)生，增加了沿海底管道徑向的壓力。當(dāng)艙內(nèi)外兩塊止水擋板靠近（擰緊螺栓）時(shí)，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(shè)計(jì)減少了由于海底管道變形或者位移產(chǎn)生的影響，大大提高了對(duì)海底管道外徑的適用范圍，克服制造誤差對(duì)密封效果的影響。

圖6　　端部增加卡箍的密封設(shè)計(jì)

從圖6可看出，止水橡膠內(nèi)開(kāi)有許多“彈性空洞”，其原因是：由于待維修海底管道存在應(yīng)力，需要止水橡膠具有很大的彈性，在止水橡膠內(nèi)開(kāi)孔，并且針對(duì)各部位所需彈性大小不同，各部位開(kāi)設(shè)不同數(shù)量和大小的圓孔，就可以有效應(yīng)對(duì)海底管道外表面可能存在的凹凸不平的問(wèn)題。

3.3環(huán)管一周止水密封

“環(huán)管一周導(dǎo)水槽”的設(shè)計(jì)理念：當(dāng)部分海水滲透過(guò)橡膠達(dá)到圖7中環(huán)管一周導(dǎo)水槽的位置時(shí)，由于導(dǎo)水槽環(huán)管一周聯(lián)通，滲透水會(huì)受重力而聚集于導(dǎo)水槽下部，在環(huán)管一周導(dǎo)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?qū)郏瑢h(huán)管一周導(dǎo)水槽里的水導(dǎo)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(dǎo)水槽也能防止水從海底管道和橡膠密封圈一周滲透進(jìn)入干式艙。導(dǎo)水槽的三維示意圖見(jiàn)圖8。

3.4局部設(shè)計(jì)優(yōu)化

（1）螺栓的布置。采用錯(cuò)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(chǎn)生的力矩有利于對(duì)止水橡膠產(chǎn)生徑向壓力。

（2）U型螺栓孔設(shè)計(jì)。為便于現(xiàn)場(chǎng)安裝，止水擋板外緣安裝螺栓處采用U形開(kāi)口式螺栓孔，外端為圓弧形，防止了因應(yīng)力集中給止水擋板帶來(lái)的安全隱患。卡箍螺栓對(duì)稱(chēng)安裝在卡箍左右兩側(cè)、止水擋板對(duì)接處和上下門(mén)對(duì)接處采用倒置的螺栓安裝方式，這也是考慮到現(xiàn)場(chǎng)安裝的操作方便。

圖7　導(dǎo)水槽內(nèi)水位示意

圖8　導(dǎo)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(yīng)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(rùn)滑性等。

本文對(duì)常用的幾種密封橡膠的特性及適用場(chǎng)合進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)表1。

為適應(yīng)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(yè)時(shí)間不長(zhǎng)，但海水pH值長(zhǎng)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(biāo)上均表現(xiàn)出色，且價(jià)格便宜，在黃浦江觀光隧道中也被大量采用，故本項(xiàng)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(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

東方1-1海底管道修復(fù)項(xiàng)目使用1個(gè)常壓干式艙，如圖10所示，采用1個(gè)上述密封門(mén)，完成了水深9 m法蘭常壓干式焊接，施工過(guò)程中艙門(mén)密封效果極佳，艙內(nèi)幾乎無(wú)海水滲漏。

圖10　　東方1-1海底管道修復(fù)干式艙內(nèi)作業(yè)

華德管道改遷工程干式艙施工項(xiàng)目使用3個(gè)常壓干式艙，完成了水下10 m管道常壓干式環(huán)境不停產(chǎn)開(kāi)孔封堵和管道焊接連接，如圖11所示。其中2個(gè)干式艙各采用2個(gè)上述密封門(mén)作側(cè)門(mén)，另外1個(gè)干式艙采用3個(gè)上述密封門(mén)作側(cè)門(mén)。密封門(mén)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(shí)踐表明總體密封效果較好，能滿足艙內(nèi)干式環(huán)境不停產(chǎn)開(kāi)孔封堵和管道焊接的要求。

圖11　華德管道改遷項(xiàng)目干式艙內(nèi)作業(yè)

6　結(jié)束語(yǔ)

重力式常壓干式艙密封艙門(mén)的設(shè)計(jì)和在工程中實(shí)踐應(yīng)用表明：采用三元乙丙彈性橡膠并在橡膠內(nèi)部按需開(kāi)孔洞，可以增大密封門(mén)密封橡膠的彈性，使其與海底管道結(jié)合更加緊密。

另外，海底管道周?chē)芊膺€需解決艙門(mén)鋼板變形問(wèn)題，采取加強(qiáng)措施減小艙門(mén)板變形以使密封裝置更好地發(fā)揮作用。

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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?cè)唬?989-），女，天津人，助理工程師，2014年畢業(yè)于天津大學(xué)海洋工程專(zhuān)業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事海底管道設(shè)計(jì)相關(guān)工作。Email：panyr@mail.cooec.com.cn

2015-07-15；

2015-11-21