崔 寧，宋春娜，邱輝武，魏行超

深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳 518067

導(dǎo)管架是海洋石油開發(fā)的重要組成部分，導(dǎo)管架在風、浪、流、海水腐蝕以及外力的撞擊下形成的水下裂紋會嚴重影響導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)強度和使用壽命[1-2]。一些嚴重的損傷（如水下貫穿性大裂紋）要求高質(zhì)量的水下焊接修復(fù)，而水下常壓干式艙修復(fù)技術(shù)是目前水下裂紋永久性焊接修復(fù)的最有效手段。它是一個綜合、復(fù)雜的維修系統(tǒng)，艙體安裝在水下，艙內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，且需要有2～3名作業(yè)人員直接進入干式艙進行焊接、檢驗等工作，存在一定的風險。安全系統(tǒng)的設(shè)計對保證艙內(nèi)作業(yè)人員安全高效的工作尤為重要。

水下常壓干式艙在陸豐7-2導(dǎo)管架B4和A1主樁腿水下EL-10 m貫穿性大裂紋修復(fù)項目得到了成功的運用。本文闡述水下常壓干式艙內(nèi)安全系統(tǒng)的設(shè)計。

1 水下常壓干式艙

常壓干式艙可設(shè)置在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)水下EL-20 m以淺的任何節(jié)點部位，形成一個常壓、干式的作業(yè)環(huán)境，可完成高質(zhì)量焊接作業(yè)，進而能夠有效解決嚴重損傷的導(dǎo)管架（如主樁腿貫穿性大裂紋等）要求高質(zhì)量焊接修復(fù)的難題。

1.1 水下常壓干式艙總體組成

常壓干式艙主體結(jié)構(gòu)包括艙體、人員進出通道、卡箍、水上作業(yè)平臺、密封構(gòu)件及安全系統(tǒng)六部分，見圖1。

（1）艙體由6個片體組裝而成，制造水下干式環(huán)境，提供2～3名人員的施工空間，及存放作業(yè)設(shè)備平臺，是干式艙的主體結(jié)構(gòu)[3]。

（2）人孔通道是維持常壓的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，是人員及設(shè)備進出艙內(nèi)的載體。干式艙艙體通過一根延伸出水面的人孔通道與大氣相連，保證艙體里有新鮮空氣供應(yīng)及形成常壓狀態(tài)；通道內(nèi)有爬梯，人員通過爬梯進出艙體；電纜和管道等沿著通道鋪設(shè)進入艙體。

圖1 水下常壓干式艙

（3）卡箍將人孔通道和導(dǎo)管架連成一體，保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（4）水上平臺是人員進出艙口及設(shè)備存放平臺，應(yīng)急逃生吊裝架及絞車安裝平臺。

（5）密封構(gòu)件用于密封干式艙與導(dǎo)管架之間的間隙，防止艙內(nèi)進水。

（6）安全系統(tǒng)是為預(yù)防艙內(nèi)作業(yè)風險配備的安全設(shè)施。

1.2 水下常壓干式艙內(nèi)作業(yè)流程

不同作業(yè)類型的潛在風險不同，安全系統(tǒng)需針對艙內(nèi)作業(yè)內(nèi)容進行專門設(shè)計。常壓干式艙常用于水下干式焊接作業(yè)，以艙內(nèi)焊接作業(yè)為例，簡述其作業(yè)流程，如圖2所示。

2 水下常壓干式艙內(nèi)安全設(shè)計

水下常壓干式艙內(nèi)安全設(shè)計的目的在于保障人員作業(yè)安全，需考慮的風險有可控風險及潛在風險兩大類：可控風險主要為干式艙結(jié)構(gòu)強度不足及密封失效，潛在風險如艙內(nèi)大面積進水、有毒氣體及人員突發(fā)傷病等；因此干式艙安全設(shè)計必須針對各種可能存在的風險進行分析，設(shè)計出有效的應(yīng)對方案，保障艙內(nèi)作業(yè)人員人身安全，其主要面對的風險及產(chǎn)生原因如表1所示。

針對艙內(nèi)存在的各種作業(yè)風險，為保證人員安全作業(yè)，干式艙要有嚴格可行的安全設(shè)計。水下常壓干式艙安全系統(tǒng)設(shè)計主要內(nèi)容如下：

圖2 水下常壓干式艙內(nèi)作業(yè)流程

表1 水下常壓干式艙面對的風險及產(chǎn)生原因

2.1 干式艙結(jié)構(gòu)設(shè)計

常壓干式艙艙體部分位于水下，人孔通道則大部分在水上，整個干式艙所處的環(huán)境復(fù)雜，在風浪流不斷作用下，若干式艙強度不足，容易導(dǎo)致艙體變形、各片體之間錯位、通道搖晃等，因此干式艙結(jié)構(gòu)強度是保障水下安全作業(yè)的基礎(chǔ)，干式艙結(jié)構(gòu)設(shè)計主要分為形狀尺寸設(shè)計和強度設(shè)計，現(xiàn)以我國南海陸豐區(qū)域某油田海洋氣候外界自然環(huán)境為例，對用于焊接修復(fù)導(dǎo)管架EL-10 m節(jié)點樁腿上裂紋的干式艙進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（1）陸豐油田海域自然環(huán)境信息。海水密度為1.03 kg/m3，海水溫度為0～30℃，最大流速為0.118 m/s，最大有義波高為6.35 m，最大風速為36.8 m/s。

（2）干式艙基本信息。維修點位置：水深-10 m導(dǎo)管架節(jié)點；維修點結(jié)構(gòu)：主樁腿（φ1 981 mm）+4拉筋；艙體所處水深：-10 m；通道伸出水面：+7 m。

2.1.1 干式艙形狀尺寸設(shè)計

干式艙形狀尺寸設(shè)計主要考慮艙內(nèi)有效空間和艙體外形，有效空間應(yīng)滿足人員作業(yè)、逃生空間、設(shè)備存放、管道鋪設(shè)空間等要求；外形設(shè)計需達到艙體受力均勻、整體對稱、自重小等效果。

（1）艙內(nèi)有效空間設(shè)計。艙內(nèi)人員作業(yè)、逃生、設(shè)備存放等需要占用大量的空間，以艙內(nèi)焊接作業(yè)為例，首先應(yīng)滿足至少2名人員在干式艙內(nèi)可自由行走，其次還需考慮存放焊接、氣刨、打磨及通風等設(shè)備的空間，最后還應(yīng)保證有足夠的活動空間完成焊接等作業(yè)，因此艙體寬度至少為樁腿外周邊額外有1 m的空間，干式艙上、下部分高度均大于作業(yè)人員身高。綜上所述，干式艙體內(nèi)空間尺寸應(yīng)為：

艙體寬度＞樁腿直徑1.981+2=3.981（m），取值4.5 m。

艙體高度＞人員高度×2=4 m，取值5 m。

通道寬度＞人員爬梯時活動空間或設(shè)備最大寬度，取值1 m。

（2）艙體外形設(shè)計。水下艙體主要受水中靜水壓力，可視為一個受外壓的壓力容器，且艙體形狀應(yīng)滿足受力分布均勻、整體對稱（安裝后不傾斜便于密封）要求，因此艙體應(yīng)設(shè)計成圓筒形狀。

綜上所述艙體外形尺寸應(yīng)為直徑4.5 m、高5 m的圓筒形結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 艙體外形

2.1.2 干式艙結(jié)構(gòu)強度設(shè)計

（1）干式艙主要受水上風力、水流沖擊力及水中靜水壓力作用，根據(jù)陸豐油田海洋環(huán)境數(shù)據(jù)可得：

水下-10 m 靜水壓力P2=ρ2gh=1 030×9.8×（10+6.35） =165 037（Pa）。

式中：ρ1為空氣密度，kg/m3；v1為風速，m/s；ρ2為海水密度，kg/m3；v2為水中流速，m/s；g為重力加速度，N/kg；h為水深+最大浪高的高度值，m。

（2）干式艙結(jié)構(gòu)的鋼材及壁厚選取。水下常壓干式艙通常采用的鋼材材質(zhì)為DH36，干式艙各部件鋼材厚度取值如圖4所示。

（3）干式艙結(jié)構(gòu)強度校核。根據(jù)以上所述干式艙結(jié)構(gòu)尺寸及所受外力數(shù)據(jù)，采用有限元分析軟件AUTO DESKSIMULATION MECHANICAL2014對其進行強度校核，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出：

（1）干式艙最大應(yīng)力區(qū)域在干式艙頂部的加強材上，最大應(yīng)力值為162.8 MPa，小于DH36鋼材許用應(yīng)力值237 MPa。注：DH36鋼板屈服強度＞355 MPa，考慮動載系數(shù)1.3和材料安全系數(shù)1.15，許用應(yīng)力值=355/（1.3×1.15） =237（MPa）。

圖4 干式艙結(jié)構(gòu)厚度分布/mm

圖5 干式艙應(yīng)力和位移分布

（2）干式艙最大變形位移區(qū)域也在干式艙頂部加強材上，最大位移X方向為5.73 mm、Y方向為5.715 mm，艙體最大位移值3.419 mm，該變形位移值滿足水下密封間隙值（小于15 mm）要求。

綜上所述，該干式艙結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足水深-10 m作業(yè)工況和使用要求。

2.1.3 干式艙密封形式設(shè)計

干式艙在安裝后，需將其內(nèi)部海水排空，形成常壓、穩(wěn)定的干式內(nèi)部環(huán)境，維修人員才能進入艙內(nèi)進行作業(yè)。如何在內(nèi)部排空及后續(xù)作業(yè)過程中，有效阻止外部水進入艙內(nèi)，取決于密封結(jié)構(gòu)形式設(shè)計是否合理。設(shè)計時需加以考慮：

（1）密封結(jié)構(gòu)適應(yīng)性。干式艙建造時尺寸與原設(shè)計存在一定誤差，同時干式艙水下安裝同軸度也存在一定的誤差，將導(dǎo)致其密封面與導(dǎo)管架樁腿之間間隙及干式艙各片體密封面之間間隙無法預(yù)測，因此密封結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)具有各種間隙適應(yīng)性。

（2）密封結(jié)構(gòu)抗壓性。水下密封結(jié)構(gòu)所處水深為-8～-13 m。當內(nèi)部抽水后，內(nèi)外壓差較大，密封結(jié)構(gòu)需能承受一定的水壓。

通常水下結(jié)構(gòu)物密封采用橡膠材料，其次考慮干式艙密封間隙不確定特性，干式艙的密封結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計成可伸縮性橡膠結(jié)構(gòu)，即氣脹式密封。

氣脹式密封橡膠內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，可根據(jù)所需密封間隙大小來調(diào)整充氣量，使橡膠自由膨脹或收縮以達到密封效果，其結(jié)構(gòu)組成分為密封槽、楔型橡膠、充氣塞、U型卡（見圖6）。密封槽[4]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。楔型橡膠采用實心的三元乙丙橡膠，安裝于密封槽頂部，是干式艙第一道密封屏障。充氣塞（見圖7）截面高125 mm，寬75 mm，壁厚5 mm，設(shè)有氣孔與單向閥，通過密封槽上的開孔與外部相連，可通過調(diào)整充氣量使之自由膨脹以密封各種間隙，保持密封效果。U型卡通過M16螺栓來固定密封槽，水下安裝簡單方便，便于潛水員操作，相比于法蘭面開孔的螺栓固定，具有更大的靈活性。

圖6 密封結(jié)構(gòu)

圖7 充氣塞細節(jié)

2.2 應(yīng)對艙內(nèi)突發(fā)性大面積漏水的安全設(shè)計

為了解決施工人員在艙內(nèi)作業(yè)時遇到艙內(nèi)快速大量滲水，而人員無法快速從艙體通道逃生的問題，在艙內(nèi)專門設(shè)計了可用于應(yīng)急逃生的安全島。安全島主要包括安全島箱體、內(nèi)部簡易的潛水設(shè)備、人員爬梯等。如果大量水滲入艙體內(nèi)，安全島處會形成一個氣泡空間，施工人員可利用此時間穿戴應(yīng)急潛水裝備逃生。

安全島設(shè)計如圖8所示，主要考慮以下幾個方面：

圖8 安全島示意

（1）安全島形狀。應(yīng)考慮四周密封以防止水快速涌入，及人員從底部能夠快速進入且能補給新鮮空氣，因此安全島設(shè)計為一個五面密封、底部開放的箱體結(jié)構(gòu)。

（2）安全島尺寸。正常作業(yè)情況下，艙內(nèi)為2人，簡易的救生設(shè)備占用空間小，約0.5 m3，因此，根據(jù)人員活動空間、其內(nèi)部逃生設(shè)備占用空間，安全島尺寸設(shè)計為1.5 m×0.8 m×2 m較為合理。

（3）安全島位置。安全島應(yīng)在不影響作業(yè)的前提下選擇在離作業(yè)點最近的地方，緊急情況下人員能以最短的時間到達安全島內(nèi)逃生，因此安全島安裝最佳位置為作業(yè)區(qū)域正上方。

（4）內(nèi)部逃生設(shè)備。主要為簡易的潛水裝置，其組成見圖9。

2.3 應(yīng)對艙內(nèi)突發(fā)性火災(zāi)安全設(shè)計

艙內(nèi)進行氣刨、焊接等明火熱工作業(yè)時，如操作不當易引發(fā)火災(zāi)，火災(zāi)對于狹小、高溫的艙內(nèi)空間危害性極大，容易導(dǎo)致人員燒傷、缺氧等，防止火災(zāi)的發(fā)生對于艙內(nèi)作業(yè)是極其重要的。水下常壓干式艙內(nèi)防止火災(zāi)的安全設(shè)計如下：第一，配置滅火器；第二，配置大功率工業(yè)風扇（體積小、大功率的工業(yè)風扇是水下干式艙內(nèi)常用的通風設(shè)備），一般要求一個作業(yè)點至少有1臺工業(yè)風扇用于通風作業(yè)。干式艙內(nèi)空間約為47 m3，活動空間狹小，應(yīng)選擇口徑14 in、風量1 500 m3/h工業(yè)風扇。

2.4 應(yīng)對有害氣體過量、空氣流通不暢的安全設(shè)計

艙內(nèi)氣刨、焊接等作業(yè)易產(chǎn)生有毒氣體，對作業(yè)人員造成傷害，同時內(nèi)部全封閉，僅靠一根長距離人孔通道與外界長相連，空氣流通困難。為防止艙內(nèi)作業(yè)人員不受有毒氣體侵害，保證艙內(nèi)空氣流通，干式艙內(nèi)設(shè)計有三種防范措施。

2.4.1 艙內(nèi)安裝氣體分析儀

氣體分析儀主要是對艙內(nèi)氣體成分進行實時監(jiān)測，根據(jù)氣體分析儀表上所顯示的氣體成分來判斷艙內(nèi)空氣環(huán)境是否對人體有害，艙內(nèi)氣體成分應(yīng)滿足的要求見表2。

表2 艙內(nèi)氣體成分

2.4.2 配備專業(yè)的AGA防毒面罩

氣刨、焊接等作業(yè)產(chǎn)生的有毒氣體，如一氧化碳、氮氧化物等，作業(yè)過程中產(chǎn)生的金屬粉塵等也對人體有害，艙內(nèi)配備有專業(yè)AGA防毒面罩，人員在作業(yè)過程中需戴好防毒面罩。

2.4.3 通風系統(tǒng)

良好的空氣循環(huán)及新鮮空氣的注入是保證艙內(nèi)人員安全作業(yè)的前提，是排放艙內(nèi)有毒氣體及稀釋空氣中金屬粉塵的主要措施。艙內(nèi)通風系統(tǒng)由水上作業(yè)平臺的2臺鼓風機及配套風管組成，風管通過人孔通道伸入艙內(nèi)并連接鼓風機（見圖10），通過外界鼓風機不停地往艙內(nèi)送氣，艙內(nèi)氣體則從人孔通道排除，以達到空氣流通效果。

圖10 艙內(nèi)風管布置

通風系統(tǒng)的要求：鼓風機的風量＞3 000 m3/h，2臺；風管口徑＜8in；風管口位置與作業(yè)點保持大于2m距離，出風口不能正對作業(yè)點，離艙底高約0.5 m。

2.5 應(yīng)對電源中斷的安全設(shè)計

艙內(nèi)作業(yè)過程中如果電源突然中斷，會導(dǎo)致艙內(nèi)照明、通風系統(tǒng)、視頻監(jiān)控失效，對人員安全存在較大的危險，艙內(nèi)應(yīng)對突發(fā)性電源中斷的措施如下：

（1）支持母船上配備應(yīng)急發(fā)電機，當主電源中斷后，立刻啟動應(yīng)急發(fā)電機供電。

（2）艙內(nèi)安裝備用照明電路，如主線路故障立即啟動備用電路。

（3）艙內(nèi)配備強光手電，當電源中斷后可使用強光手電照明。

2.6 應(yīng)對人員突發(fā)性傷病的安全設(shè)計

人員在作業(yè)過程受傷或因艙內(nèi)高溫導(dǎo)致人員發(fā)生中暑、虛脫無力等癥狀而失去行動能力時，為了保障在此類突發(fā)性情況下將艙內(nèi)人員安全送出，在通道口平臺上安裝有人員應(yīng)急逃生吊裝系統(tǒng)。應(yīng)急逃生吊裝系統(tǒng)主要分為：提升架、電動及手動雙功能倒鏈、人員吊籃等。

2.6.1 吊裝系統(tǒng)提升架

由于人員重量較輕且人孔通道頂部作業(yè)平臺空間有限，盡可能設(shè)計成尺寸較小且可旋轉(zhuǎn)的支架結(jié)構(gòu)，見圖11。

圖11 吊裝提升架

提升架設(shè)計要求：形狀為L型；尺寸為0.8 m×1.5 m；材料為鋼管φ76×5 mm；自由度為旋轉(zhuǎn)360°；旋轉(zhuǎn)后，掛鉤吊耳位于通道正上方。

2.6.2 提升動力設(shè)備

主要考慮提升重量、提升速度、自身重量及易于安裝等因素。電動倒鏈是一種使用簡易、攜帶方便的起重工具，且其掛鉤尺寸小，下放過程中不易碰撞通道內(nèi)電纜管道、爬梯等結(jié)構(gòu)，非常適合將人員從人孔通道內(nèi)提升出來；為保證人員在緊急情況下安全撤離，需考慮電動動力失效的可能性，在無動力情況下，可手動快速提升。因此提升動力設(shè)備應(yīng)選擇電動及手動雙功能倒鏈，（見圖12～13）。

圖12 電動及手動雙功能倒鏈

圖13 人員提升

電動及手動雙功能倒鏈功能要求：提升質(zhì)量＞350 kg（考慮艙內(nèi)2人同時應(yīng)急逃生提拉）；提升速度＞5 m/min；動力源為電動和手動。

3 結(jié)束語

水下常壓干式艙空間狹小，作業(yè)設(shè)備、線路多，存在各種可能的風險，做好全面的安全預(yù)防措施至關(guān)重要。干式艙安全設(shè)計需對艙內(nèi)漏水、火災(zāi)、有毒性氣體、電源中斷、人員突發(fā)傷病等主要的安全風險重點考慮，一種風險盡可能設(shè)計2種或以上的逃生方案。

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