用于导管架维修的常压干式舱密封结构设计

齐兵兵，文祥宇，齐芳芳

深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳518067

用于导管架维修的常压干式舱密封结构设计

齐兵兵，文祥宇，齐芳芳

深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳518067

焊接修复导管架水下裂纹的最好方法是利用常压干式舱，而良好的密封结构是完成干式维修的前提和保证。以陆丰7-2导管架修复项目中使用的常压干式舱为例，详细介绍干式舱的密封结构设计，该设计充分考虑施工过程中遇到的诸多难点，并在设计过程中予以有效解决。密封结构包括密封短节、密封槽、充气塞、楔型橡胶以及U型卡。密封结构设计具有灵活性、耐久性、弹性、抗台风以及水下安装方便等特点，在工程实践中应用成功，可为其他类似项目提供参考。

导管架；维修；干式舱；密封结构

1 概述

自20世纪70年代我国在渤海建成第一座海上石油平台以来，目前已累计建成导管架平台超过200座。导管架在长期服役过程中，由于风、浪、流等随机出现的交变载荷作用可能产生疲劳裂纹，或被船撞击而产生裂纹，或安装过程中由于偶然碰撞造成局部裂纹等。据统计，导管架裂纹通常处于30 m以浅的表层水深范围内。要彻底修复导管架裂纹，采用水下常压干式舱进行焊接修复是最好的办法[1]。而干式舱良好的密封效果是完成干式维修的前提和保证[2]。本文结合陆丰7-2导管架修复项目，对常压干式舱密封结构的设计进行分析。

陆丰7-2导管架地处南海的开敞海域，水深达106 m，频受台风侵袭。该导管架裂纹为贯穿性裂纹，深度达80 mm（桩腿壁厚80 mm，部分裂纹已完全贯穿），长度达2 830 mm，处于主桩腿水面以下10 m位置。斜拉筋管与水平拉筋管交汇于此，形成K型节点，结构复杂。经多次研究论证，决定本项目采用常压干式舱方案进行水下裂纹焊接维修，即在水下裂纹附近安装一个常压干式舱体，将内部海水抽出，使裂纹处于常压、干式环境下，施工人员按照比导管架建造标准更严格的工艺进行焊接修复，确保裂纹焊接修复的质量。干式舱整体结构见图1。

2 密封结构设计

2.1 设计难点

干式舱安装以后，需要安装密封结构，将海水隔开，提供常压、稳定的干式环境，供维修人员对裂纹进行水下焊接修复。密封结构设计有诸多限制因素，设计时需加以考虑。

（1）水下密封的灵活性。导管架节点附近出现的巨大裂纹会导致主桩腿与拉筋管之间的相对角度和位置发生改变（与完工图纸相比）。若安排船舶与潜水员进行精确测量，则需耗费数百万元的成本。因此干式舱在设计与建造时，以原导管架节点完工图纸为基础，再根据裂纹宽度，考虑一定的偏差范围。密封结构的设计尤其要充分考虑导管架的变形影响，具备一定的灵活性，在导管架不同的变形情况下，仍能保持足够的密封效果。

图1 常压干式舱

（2）水下密封的持久性。水下裂纹的焊接修复及检验至少持续5 d，焊接修复期间若焊接修复区域进水，则容易造成修复失败及返工重修，甚至导致导管架报废，引起重大经济损失。因此，干式舱的密封结构需要至少保证5 d以上的持续密封能力。

（3）水下密封的抗压性。水下密封结构所处水深范围为-8～-13 m，内部抽水后，内外压差较大，密封结构需能承受一定的海水压力，确保密封不会失效。

（4）水下密封的弹性。干式舱安装于导管架水下10 m左右，容易受表层风浪、涌浪、海流等交变载荷影响而产生晃动。晃动过程中干式舱与导管架的交界部分会产生相对位移，密封结构需具备一定的弹性，提供持续稳定的密封效果。

（5）抗台风能力。南海热带风暴、台风较多，为避免导管架修复过程中突发台风导致修复失败，干式舱密封结构设计需要考虑台风的影响。

（6）水下安装。导管架K型节点结构复杂，干式舱密封结构的水下安装较为困难，在设计时必须仔细考虑水下安装问题，以方便潜水员水下施工作业，提高海上施工效率。

2.2 密封型式设计

由于导管架节点处结构复杂，为使干式舱舱体能够顺利安装至导管架节点上，将干式舱舱体结构分为6个部分，见图2，在水下按照Part1至Part6的顺序逐个安装，并最终组对安装成整体。舱体之间采用法兰连接并用M16螺栓固定，法兰面之间粘贴三元乙丙橡胶，增加密封性，见图3。

图2 干式舱安装示意

图3 舱体之间连接示意

上述6个交界位置的舱体与导管架支管之间的密封结构设计相同，分为密封短节、密封槽、充气塞、U型卡和楔型橡胶。其中每个短节均匀分为两部分，便于水下安装。

（1）密封短节。密封短节长600 mm，以干式舱与导管架拉筋管交界为中心，内外各延长约300 mm，短节直径比拉筋管大100 mm，安装后与拉筋管同轴心，材质为DH36钢板，厚度15 mm。短节两端设计成法兰面，短节中间与干式舱壁焊接固定一起，使法兰面为主要密封面。该短节将舱壁与海水交界面变为内外两个密封面，双重密封可提高密封效果，也便于潜水员水下施工。密封短节安装位置如图4所示。

图4 密封短节示意

（2）密封槽。密封槽由15 mm厚，材质为DH36钢板焊接而成。上部斜面，中间是U型槽，底部法兰面，形状如图5所示。

图5 密封槽

密封槽整体平分为两瓣，便于安装至导管架支管上。底部法兰面与短节法兰面组对，轴向固定和保护内部密封圈与上部楔型橡胶，如图6所示。密封槽与短节的分离设计解决了导管架变形情况有所不同时的密封难题，密封槽与短节法兰面之间可根据导管架的变形而相对移动，既确保法兰面之间的密封效果，同时确保干式舱与导管架之间的密封效果。如图7所示。

（3）楔型橡胶。楔型橡胶采用实心的三元乙丙橡胶，起主要的密封作用，同时需抵抗海水的压力。楔型橡胶安装于密封槽顶部，是干式舱第一道密封屏障。干式舱抽水以后，由于舱内外压差变化，楔型橡胶被挤压进密封槽与拉筋管之间的空隙，密封效果更好。

图6 密封槽剖面示意

图7 密封槽滑动示意

（4）充气塞。充气塞如图8所示，其截面高125 mm、宽75 mm，壁厚5 mm。充气塞安装于密封槽内部，设有气孔与单向阀，通过密封槽上的开孔与外部相连。充气塞作为干式舱第二道密封屏障，起干式舱与拉筋管之间的密封作用。充气塞具有较大的弹性，当干式舱与导管架有相对位移时，充气塞随之变形，保持密封效果。

（5）U型卡。U型卡通过M16螺栓将密封槽与短节法兰固定。U型卡水下安装简单方便，便于潜水员操作。无论密封槽与短节之间如何相对移动，U型卡均能满足其固定要求。相比于法兰面开孔的螺栓固定，具有更大的灵活性。同时可根据水下实际情况，加装U型卡，提高密封性。经计算和实践证明，U型卡固定方式能够经受住台风的考验。

图8 充气塞示意

2.3 局部优化设计

（1）法兰面与法兰面之间添加胶皮。法兰面之间粘贴5 mm厚的三元乙丙橡胶胶皮，经过螺栓挤压之后容易挤压变形，增加法兰面之间的密封性。

（2）法兰面外侧注入密封胶。在法兰面的外沿注入聚氨酯密封胶，遇水凝固，提高干式舱整体密封性。

（3）短节内部法兰做成楔型法兰面。楔型法兰面以及楔型橡胶如图9所示。其作为第三层密封屏障，是前面两道密封屏障的备用方案，进一步确保干式舱密封效果。通过M16螺栓连接固定实心橡胶。

图9 短节内部楔型法兰面及橡胶

3 现场应用

陆丰7-2导管架修复项目使用的常压干式舱采用上述密封结构进行密封。密封结构安装之前需要在甲板对密封面进行打磨、抛光处理至SA2.0标准并粘贴胶皮。密封结构吊装入水后，由潜水员在水下进行组对，最后安装U型卡子进行固定。整个施工过程如图10所示，在干式舱内修复裂纹作业过程中密封效果良好，项目进展顺利。

图10 陆丰7-2导管架常压干式的安装

4 结束语

常压干式舱密封结构设计了三层密封屏障，保证了干式舱的密封效果，具有一定的灵活性，持久性、抗压性以及弹性，能够在复杂的水下结构物上提供持续、稳定的密封效果。尤其是密封槽、充气塞和U型卡的设计，有效地解决了在无法获知导管架节点变形信息的前提下提供稳定密封的技术难题。

另外，密封结构的设计不仅适用于导管架维修的常压干式舱，同时也为其他类似水下结构物的干式维修提供参考和指导，有助于推动国内海洋工程水下作业技术的进步与发展。

[1]侯志文，魏行超，崔宁，等.应用水下常压干式舱修复导管架裂纹[J].石油工程建设，2015，41（6）：15-17.

[2]潘悦然，杨宝峰.用于海底管道修复的常压干式舱密封门设计[J].石油工程建设，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

齐兵兵（1984-），男，广东深圳人，工程师，2010年毕业于大连理工大学机械工程学院，获机械、英语双学位，主要从事水下生产系统安装、维修、拆除方面的研究工作。

2016-12-10

Email：qibb@mail.cooec.com.cn