深水管节沉放施工水下可更换穿舱密封系统设计及应用

周相荣

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

0 引言

海底隧道建设过程中，各段深水沉管必须实现精准对接[1-2]，因水下安装全程无人控制，一体船控制中心和水下沉管间必须建立可靠有效的电力和通讯联系[3]，通过电力缆和通讯缆将一体船控制装置与沉管内执行设备，如压载泵及各类传感器搭接贯通，为其提供动力和信号传输路由。深水沉管安装过程中，为保证电力和通讯在沉管中的正常供应，通常需要在沉管壁上安装1 个水密的穿舱件，电缆和光缆可以从沉管外部一直穿入到沉管内部。目前，国内外对于穿舱密封系统及其性能研究较多，如张磊等[4]对灌封胶密封、玻璃焊料密封、金属化焊接密封、O 形橡胶密封圈密封等不同密封技术的特点及适用性进行了对比，找出了适合高压力差场穿舱连接器密封技术；胡德芳等[5]提出了一种对称的密封穿舱技术，并用ANSYS 软件分析了其密封性能；吕岩松[6]提出了一种采用电缆杯形管节进行穿舱密封的结构设计方案；邱金水等[7]利用填料函进行穿舱电缆的密封设计，并对填料进行了有限元受力分析，选出了最优的填料模式。但目前国内外对于穿舱件受损后水下更换的技术研究较少。由于深水沉管安装及后续运营过程中受到海压、海流、海风等外部条件的影响，穿舱设备容易出现问题，此时，需要在水下对穿舱件进行更换[8]。但由于沉管内外压力差较大，水下更换非常困难[9]。针对以上问题，本研究设计了一套深水管节沉放施工水下可更换穿舱密封系统，此系统使水下穿舱连接器更换更方便，并确保在复杂海况条件下水下沉管安装时的电力供应和通讯联系。

1 深水沉管穿舱密封系统设计

1.1 系统原理

深水沉管穿舱系统通常安装在沉管端封门上，施工时由于深海水压的影响，端封门内外一般存在较大的压力差。传统穿舱系统在水下更换时存在以下问题：1） 穿舱件内外压力差较大，潜水员很难拆下穿舱件；2） 穿舱系统水下拆除后，海水会涌入沉管。本系统解决方法：1） 在沉管内设置密封腔，并在密封腔上加设泄压阀和压力泵接口。拆卸穿舱件时，由压力泵对沉管内密封腔加压，使内外压力平衡，方便潜水员拆卸穿舱件。2） 在沉管内部穿舱件一端设置密封堵头，如穿舱件发生损坏，可先在沉管内部利用密封堵头封堵，然后进行穿舱件拆卸更换，可防止海水进入沉管。

1.2 系统组成

可更换水下穿舱密封系统是由焊接法兰、穿舱组件、水密1 区、脐带缆、水密2 区、干式连接器、密封圈、密封堵头、连接器密封堵头、压力表、泄压阀、球阀、压力泵等组成，如图1 所示。水下穿舱密封系统壳体由焊接法兰固定在端封门上，焊接法兰与穿舱组件通过连接螺栓固定，脐带缆与干式连接器相连，并在干式连接器端与连接器密封堵头固定在一起。水密1 区和水密2区套在脐带缆外面。各连接处都采用O 形橡胶密封圈密封，脐带缆、密封1 区、穿舱组件、连接器密封堵头间采用专用密封胶密封，使其连接为一个固定的整体。在密封腔上安装有泄压阀。泄压阀的主要作用是平衡连接器密封堵头内外的压力，使潜水员在深水压力下能够方便地拆下穿舱组件。

图1 深水沉管穿舱密封系统图Fig.1 Deepwaterimmersedtubepenetrationsealingsystem

1.3 系统优势

1） 密封可靠。系统通过专用密封胶、O 形橡胶密封圈等实现可靠的密封。水下穿舱件与电缆通过树脂粘合剂、聚氨酯冷填充剂、夹紧块等进行水密和承重处理，以保证深水密封和承重要求。

2） 水下更换方便。设备损坏时可以很方便地进行水下更换，更换时间可控制在20 min 以内。

1.4 系统水下更换流程

如果水下沉管安装过程中穿舱系统发生损毁，水下更换流程如下：

1） 端封门内部先行安装连接器密封堵头，确保施工过程中水不会进入沉管内部。

2） 在沉管内部安装密封腔，该密封腔受力校核耐水压等级为0.1 MPa。

3） 关闭密封腔泄压阀，由压力泵对沉管内密封腔加压，使内外压力平衡或压力略高于同位置端封门外部水压。

4） 潜水员在端封门外部通过起顶螺钉取下脐带缆穿舱组件，穿舱电缆组件拆下后系统结构如图2 所示。

图2 穿舱电缆组件拆下后系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the system structure after removing the cable assembly

5） 潜水员水下安装新电缆穿舱连接器。安装时，通过泄压阀将内部压力释放，潜水员借助外部水压将穿舱件推进到位，并拧紧螺钉。

6） 新的穿舱组件安装成功后，取下密封腔，连接沉管内部线路，完成更换过程。

2 深中通道深水管节可更换穿舱密封系统

2.1 工程概况

深中通道是我国“十三五”期间确定的重大工程，是世界级的“桥、岛、隧、地下互通”集群工程。其中，隧道部分由32 节深水沉管组成，全长5 035 m，是世界上最长的水下钢壳混凝土隧道。

深中通道沉管安装时，拖运沉管的浮运一体船与沉管之间通过水下脐带缆穿舱组件建立电力供应和通讯联系。沉管安装的关键一环是压载水系统，由压载水控制系统和管内压载水管系统组成[10]。其中，压载水控制系统包括浮运一体船控制中心和沉管内监控系统两大部分，是保证压载水系统正常工作的关键[11]。沉管内监控系统包括视频监控系统和传感器系统两部分。视频监控系统主要包括视频摄像机、照明设备等，用于观测端封门、阀门驱动头指示器、压载水箱的水尺等；传感器系统主要包括水箱液位传感器、漏水传感器、进出口和对接腔的压力传感器等，主要用于监测沉管安装时压载水系统的各项数据。

2.2 系统设计

根据深水管节沉放施工水下可更换穿舱系统的设计原理，设计深中通道深水管节沉放施工水下可更换穿舱密封系统如图3 所示。深中通道深水管节水下可更换穿舱密封系统主要由焊接法兰、穿舱组件、动力连接器、脐带缆、O 形橡胶密封圈、密封腔、连接器密封堵头、压力表、泄压阀、球阀、压力泵等组成，其中动力连接器由3 组动力线组成，将脐带缆提供的电力传输到3 个不同的动力插座。整个穿舱密封装置间采用专用密封胶密封，增加其水密性。

图3 深中通道深水管节可更换穿舱密封系统示意图Fig.3 Schematic diagram of replaceable penetration sealing system for deep-water immersed tube in the Shenzhen-Zhongshan Link

2.3 系统指标

深水管节沉放施工水下可更换穿舱密封系统的主要技术指标如表1 所示。

表1 深中通道深水管节水下可更换穿舱密封系统的主要技术指标Table 1 Main technical index of underwater replaceable penetration sealing system for deep-water immersed tube in the Shenzhen-Zhongshan Link

3 试验验证

深水管节沉放施工水下可更换穿舱密封系统的密封试验，主要包括焊接法兰和穿舱组件的水密性试验、成套电缆水密穿舱组件的水密性试验、端封门内侧密封腔的密封特性试验。本试验严格按照GB/T 4208—2017《外壳防护等级（IP 代码）》相关要求进行。

3.1 焊接法兰与穿舱组件的水密性试验

试验目的：验证焊接法兰和穿舱组件满足100 m 水深压力水密要求。

制备外径200 mm，高度500 mm 的压力舱，压力舱耐压5 MPa。把密封法兰和压力舱装配好，放入压力釜，压力舱内壁上事先涂抹无水硫酸铜。压力釜缓慢加压至3 MPa，加压时间控制在10 min 左右，保压2 h 后，压力釜缓慢释放压力，释压时间也控制在10 min 左右。常压后打开密封法兰，观察压力舱内部。结果表明，压力舱内部无水存积、无水硫酸铜无变色现象，焊接法兰和穿舱组件满足100 m 水深压力下的水密性要求。

3.2 成套电缆水密穿舱组件密封测试

试验目的：验证成套电缆水密穿舱组件满足100 m 水深压力水密要求。

事先在压力舱内部涂抹无水硫酸铜，将安装好的成套电缆水密穿舱组件放入压力釜内，如图4 所示。对压力釜加压，压力缓慢升至试验压力3 MPa 后，稳压6 h，试验结束后打开压力舱端盖进行检查。试验结果：压力舱内部无水存积、无水硫酸铜无变色现象。试验结论：成套电缆水密穿舱组件满足100 m 水深压力下的水密要求。

图4 成套电缆水密穿舱组件密封测试示意图Fig.4 Seal test diagram of complete set of cable watertight penetration chamber assembly

3.3 端封门内侧密封腔的密封特性试验

试验目的：验证端封门内侧密封腔满足100 m 水深压力水密要求。

试验原理见图5，去掉纵向水密缆尾部的水密堵头，采用对密封舱内部加压测漏方式，向耐压舱内部缓慢加压至1 MPa，稳压2 h，试验结束后，打开耐压舱盖，观察内部情况。结果表明，端封门内侧密封腔满足100 m 水深压力水密要求。

图5 密封腔水密性测试图Fig.5 Water tightness test of sealing chamber

4 应用及效果评价

本系统应用于深中通道沉管隧道E3 和E5 管节沉放施工过程中。由于海况条件和脐带缆的晃动，在E3 和E5 管节施工时穿舱件受损，导致沉管内电力和通讯中断，需要更换穿舱件。

施工人员进入沉管，在端封门内部安装密封腔，确保更换过程中海水不会通过端封门穿舱孔进入沉管内部。首先关闭泄压阀，然后利用压力泵对密封腔进行加压，使连接器密封堵头内部压力比端封门外部水压略高，以方便潜水员水下更换。潜水员下潜更换时，首先在端封门外部通过起顶螺钉取下组合缆穿舱电缆组件，然后在水下调直穿舱件头部对准焊接法兰孔，并清理O 形橡胶密封圈安装孔，确保附近水质干净、无杂质。安装新的电缆穿舱件时，沉管内部施工人员先利用泄压阀将内部水压释放，潜水员借助外部水压将穿舱件推进到位。新的穿舱组件安装成功后，沉管内部施工人员取下密封腔，连接沉管内部线路，完成更换过程。

深中通道沉管隧道在E3 和E5 管节沉放施工过程中的水下穿舱件更换时，更换过程方便快捷、安全可靠，均在20 min 内完成更换，且更换过程中没有海水进入沉管，验证了本系统的可靠性和便捷性，确保了深中通道管节沉放施工顺利进行。

5 结语

本文针对深水管节沉放施工过程中沉管穿舱件密封及更换的需要，设计了一种深水管节沉放施工水下可更换穿舱密封系统。本套穿舱密封系统采用了多种装置满足系统水密的要求，同时采用舱内压力控制装置平衡沉管内外的压力，保证穿舱件在需要时可方便更换。本套系统设置端封门内密封腔，可避免穿舱件更换时沉管进水。本套系统在深中通道沉管安装过程中进行了应用，不仅验证了其可靠性和便捷性，并且试验结果表明该系统可满足更大水深、更复杂海况的施工要求。