水下常压干式舱安全设计

时间：2024-07-28

崔宁，宋春娜，邱辉武，魏行超

深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518067

导管架是海洋石油开发的重要组成部分，导管架在风、浪、流、海水腐蚀以及外力的撞击下形成的水下裂纹会严重影响导管架的结构强度和使用寿命[1-2]。一些严重的损伤（如水下贯穿性大裂纹）要求高质量的水下焊接修复，而水下常压干式舱修复技术是目前水下裂纹永久性焊接修复的最有效手段。它是一个综合、复杂的维修系统，舱体安装在水下，舱内环境复杂，且需要有2～3名作业人员直接进入干式舱进行焊接、检验等工作，存在一定的风险。安全系统的设计对保证舱内作业人员安全高效的工作尤为重要。

水下常压干式舱在陆丰7-2导管架B4和A1主桩腿水下EL-10 m贯穿性大裂纹修复项目得到了成功的运用。本文阐述水下常压干式舱内安全系统的设计。

1 水下常压干式舱

常压干式舱可设置在导管架结构水下EL-20 m以浅的任何节点部位，形成一个常压、干式的作业环境，可完成高质量焊接作业，进而能够有效解决严重损伤的导管架（如主桩腿贯穿性大裂纹等）要求高质量焊接修复的难题。

1.1 水下常压干式舱总体组成

常压干式舱主体结构包括舱体、人员进出通道、卡箍、水上作业平台、密封构件及安全系统六部分，见图1。

（1）舱体由6个片体组装而成，制造水下干式环境，提供2～3名人员的施工空间，及存放作业设备平台，是干式舱的主体结构[3]。

（2）人孔通道是维持常压的关键结构，是人员及设备进出舱内的载体。干式舱舱体通过一根延伸出水面的人孔通道与大气相连，保证舱体里有新鲜空气供应及形成常压状态；通道内有爬梯，人员通过爬梯进出舱体；电缆和管道等沿着通道铺设进入舱体。

图1 水下常压干式舱

（3）卡箍将人孔通道和导管架连成一体，保证整体结构的稳定性。

（4）水上平台是人员进出舱口及设备存放平台，应急逃生吊装架及绞车安装平台。

（5）密封构件用于密封干式舱与导管架之间的间隙，防止舱内进水。

（6）安全系统是为预防舱内作业风险配备的安全设施。

1.2 水下常压干式舱内作业流程

不同作业类型的潜在风险不同，安全系统需针对舱内作业内容进行专门设计。常压干式舱常用于水下干式焊接作业，以舱内焊接作业为例，简述其作业流程，如图2所示。

2 水下常压干式舱内安全设计

水下常压干式舱内安全设计的目的在于保障人员作业安全，需考虑的风险有可控风险及潜在风险两大类：可控风险主要为干式舱结构强度不足及密封失效，潜在风险如舱内大面积进水、有毒气体及人员突发伤病等；因此干式舱安全设计必须针对各种可能存在的风险进行分析，设计出有效的应对方案，保障舱内作业人员人身安全，其主要面对的风险及产生原因如表1所示。

针对舱内存在的各种作业风险，为保证人员安全作业，干式舱要有严格可行的安全设计。水下常压干式舱安全系统设计主要内容如下：

图2 水下常压干式舱内作业流程

表1 水下常压干式舱面对的风险及产生原因

2.1 干式舱结构设计

常压干式舱舱体部分位于水下，人孔通道则大部分在水上，整个干式舱所处的环境复杂，在风浪流不断作用下，若干式舱强度不足，容易导致舱体变形、各片体之间错位、通道摇晃等，因此干式舱结构强度是保障水下安全作业的基础，干式舱结构设计主要分为形状尺寸设计和强度设计，现以我国南海陆丰区域某油田海洋气候外界自然环境为例，对用于焊接修复导管架EL-10 m节点桩腿上裂纹的干式舱进行结构设计。

（1）陆丰油田海域自然环境信息。海水密度为1.03 kg/m3，海水温度为0～30℃，最大流速为0.118 m/s，最大有义波高为6.35 m，最大风速为36.8 m/s。

（2）干式舱基本信息。维修点位置：水深-10 m导管架节点；维修点结构：主桩腿（φ1 981 mm）+4拉筋；舱体所处水深：-10 m；通道伸出水面：+7 m。

2.1.1 干式舱形状尺寸设计

干式舱形状尺寸设计主要考虑舱内有效空间和舱体外形，有效空间应满足人员作业、逃生空间、设备存放、管道铺设空间等要求；外形设计需达到舱体受力均匀、整体对称、自重小等效果。

（1）舱内有效空间设计。舱内人员作业、逃生、设备存放等需要占用大量的空间，以舱内焊接作业为例，首先应满足至少2名人员在干式舱内可自由行走，其次还需考虑存放焊接、气刨、打磨及通风等设备的空间，最后还应保证有足够的活动空间完成焊接等作业，因此舱体宽度至少为桩腿外周边额外有1 m的空间，干式舱上、下部分高度均大于作业人员身高。综上所述，干式舱体内空间尺寸应为：

舱体宽度＞桩腿直径1.981+2=3.981（m），取值4.5 m。

舱体高度＞人员高度×2=4 m，取值5 m。

通道宽度＞人员爬梯时活动空间或设备最大宽度，取值1 m。

（2）舱体外形设计。水下舱体主要受水中静水压力，可视为一个受外压的压力容器，且舱体形状应满足受力分布均匀、整体对称（安装后不倾斜便于密封）要求，因此舱体应设计成圆筒形状。

综上所述舱体外形尺寸应为直径4.5 m、高5 m的圆筒形结构，如图3所示。

图3 舱体外形

2.1.2 干式舱结构强度设计

（1）干式舱主要受水上风力、水流冲击力及水中静水压力作用，根据陆丰油田海洋环境数据可得：

水下-10 m 静水压力P2=ρ2gh=1 030×9.8×（10+6.35） =165 037（Pa）。

式中：ρ1为空气密度，kg/m3；v1为风速，m/s；ρ2为海水密度，kg/m3；v2为水中流速，m/s；g为重力加速度，N/kg；h为水深+最大浪高的高度值，m。

（2）干式舱结构的钢材及壁厚选取。水下常压干式舱通常采用的钢材材质为DH36，干式舱各部件钢材厚度取值如图4所示。

（3）干式舱结构强度校核。根据以上所述干式舱结构尺寸及所受外力数据，采用有限元分析软件AUTO DESKSIMULATION MECHANICAL2014对其进行强度校核，结果如图5所示。

从图5可以看出：

（1）干式舱最大应力区域在干式舱顶部的加强材上，最大应力值为162.8 MPa，小于DH36钢材许用应力值237 MPa。注：DH36钢板屈服强度＞355 MPa，考虑动载系数1.3和材料安全系数1.15，许用应力值=355/（1.3×1.15） =237（MPa）。

图4 干式舱结构厚度分布/mm

图5 干式舱应力和位移分布

（2）干式舱最大变形位移区域也在干式舱顶部加强材上，最大位移X方向为5.73 mm、Y方向为5.715 mm，舱体最大位移值3.419 mm，该变形位移值满足水下密封间隙值（小于15 mm）要求。

综上所述，该干式舱结构设计满足水深-10 m作业工况和使用要求。

2.1.3 干式舱密封形式设计

干式舱在安装后，需将其内部海水排空，形成常压、稳定的干式内部环境，维修人员才能进入舱内进行作业。如何在内部排空及后续作业过程中，有效阻止外部水进入舱内，取决于密封结构形式设计是否合理。设计时需加以考虑：

（1）密封结构适应性。干式舱建造时尺寸与原设计存在一定误差，同时干式舱水下安装同轴度也存在一定的误差，将导致其密封面与导管架桩腿之间间隙及干式舱各片体密封面之间间隙无法预测，因此密封结构设计应具有各种间隙适应性。

（2）密封结构抗压性。水下密封结构所处水深为-8～-13 m。当内部抽水后，内外压差较大，密封结构需能承受一定的水压。

通常水下结构物密封采用橡胶材料，其次考虑干式舱密封间隙不确定特性，干式舱的密封结构应设计成可伸缩性橡胶结构，即气胀式密封。

气胀式密封橡胶内部为空心结构，可根据所需密封间隙大小来调整充气量，使橡胶自由膨胀或收缩以达到密封效果，其结构组成分为密封槽、楔型橡胶、充气塞、U型卡（见图6）。密封槽[4]由15 mm厚，材质为DH36钢板焊接而成，上部斜面，中间是U型槽。楔型橡胶采用实心的三元乙丙橡胶，安装于密封槽顶部，是干式舱第一道密封屏障。充气塞（见图7）截面高125 mm，宽75 mm，壁厚5 mm，设有气孔与单向阀，通过密封槽上的开孔与外部相连，可通过调整充气量使之自由膨胀以密封各种间隙，保持密封效果。U型卡通过M16螺栓来固定密封槽，水下安装简单方便，便于潜水员操作，相比于法兰面开孔的螺栓固定，具有更大的灵活性。

图6 密封结构

图7 充气塞细节

2.2 应对舱内突发性大面积漏水的安全设计

为了解决施工人员在舱内作业时遇到舱内快速大量渗水，而人员无法快速从舱体通道逃生的问题，在舱内专门设计了可用于应急逃生的安全岛。安全岛主要包括安全岛箱体、内部简易的潜水设备、人员爬梯等。如果大量水渗入舱体内，安全岛处会形成一个气泡空间，施工人员可利用此时间穿戴应急潜水装备逃生。

安全岛设计如图8所示，主要考虑以下几个方面：

图8 安全岛示意

（1）安全岛形状。应考虑四周密封以防止水快速涌入，及人员从底部能够快速进入且能补给新鲜空气，因此安全岛设计为一个五面密封、底部开放的箱体结构。

（2）安全岛尺寸。正常作业情况下，舱内为2人，简易的救生设备占用空间小，约0.5 m3，因此，根据人员活动空间、其内部逃生设备占用空间，安全岛尺寸设计为1.5 m×0.8 m×2 m较为合理。

（3）安全岛位置。安全岛应在不影响作业的前提下选择在离作业点最近的地方，紧急情况下人员能以最短的时间到达安全岛内逃生，因此安全岛安装最佳位置为作业区域正上方。

（4）内部逃生设备。主要为简易的潜水装置，其组成见图9。

2.3 应对舱内突发性火灾安全设计

舱内进行气刨、焊接等明火热工作业时，如操作不当易引发火灾，火灾对于狭小、高温的舱内空间危害性极大，容易导致人员烧伤、缺氧等，防止火灾的发生对于舱内作业是极其重要的。水下常压干式舱内防止火灾的安全设计如下：第一，配置灭火器；第二，配置大功率工业风扇（体积小、大功率的工业风扇是水下干式舱内常用的通风设备），一般要求一个作业点至少有1台工业风扇用于通风作业。干式舱内空间约为47 m3，活动空间狭小，应选择口径14 in、风量1 500 m3/h工业风扇。

2.4 应对有害气体过量、空气流通不畅的安全设计

舱内气刨、焊接等作业易产生有毒气体，对作业人员造成伤害，同时内部全封闭，仅靠一根长距离人孔通道与外界长相连，空气流通困难。为防止舱内作业人员不受有毒气体侵害，保证舱内空气流通，干式舱内设计有三种防范措施。

2.4.1 舱内安装气体分析仪

气体分析仪主要是对舱内气体成分进行实时监测，根据气体分析仪表上所显示的气体成分来判断舱内空气环境是否对人体有害，舱内气体成分应满足的要求见表2。

表2 舱内气体成分

2.4.2 配备专业的AGA防毒面罩

气刨、焊接等作业产生的有毒气体，如一氧化碳、氮氧化物等，作业过程中产生的金属粉尘等也对人体有害，舱内配备有专业AGA防毒面罩，人员在作业过程中需戴好防毒面罩。

2.4.3 通风系统

良好的空气循环及新鲜空气的注入是保证舱内人员安全作业的前提，是排放舱内有毒气体及稀释空气中金属粉尘的主要措施。舱内通风系统由水上作业平台的2台鼓风机及配套风管组成，风管通过人孔通道伸入舱内并连接鼓风机（见图10），通过外界鼓风机不停地往舱内送气，舱内气体则从人孔通道排除，以达到空气流通效果。

图10 舱内风管布置

通风系统的要求：鼓风机的风量＞3 000 m3/h，2台；风管口径＜8in；风管口位置与作业点保持大于2m距离，出风口不能正对作业点，离舱底高约0.5 m。

2.5 应对电源中断的安全设计

舱内作业过程中如果电源突然中断，会导致舱内照明、通风系统、视频监控失效，对人员安全存在较大的危险，舱内应对突发性电源中断的措施如下：

（1）支持母船上配备应急发电机，当主电源中断后，立刻启动应急发电机供电。

（2）舱内安装备用照明电路，如主线路故障立即启动备用电路。

（3）舱内配备强光手电，当电源中断后可使用强光手电照明。

2.6 应对人员突发性伤病的安全设计

人员在作业过程受伤或因舱内高温导致人员发生中暑、虚脱无力等症状而失去行动能力时，为了保障在此类突发性情况下将舱内人员安全送出，在通道口平台上安装有人员应急逃生吊装系统。应急逃生吊装系统主要分为：提升架、电动及手动双功能倒链、人员吊篮等。

2.6.1 吊装系统提升架

由于人员重量较轻且人孔通道顶部作业平台空间有限，尽可能设计成尺寸较小且可旋转的支架结构，见图11。

图11 吊装提升架

提升架设计要求：形状为L型；尺寸为0.8 m×1.5 m；材料为钢管φ76×5 mm；自由度为旋转360°；旋转后，挂钩吊耳位于通道正上方。

2.6.2 提升动力设备

主要考虑提升重量、提升速度、自身重量及易于安装等因素。电动倒链是一种使用简易、携带方便的起重工具，且其挂钩尺寸小，下放过程中不易碰撞通道内电缆管道、爬梯等结构，非常适合将人员从人孔通道内提升出来；为保证人员在紧急情况下安全撤离，需考虑电动动力失效的可能性，在无动力情况下，可手动快速提升。因此提升动力设备应选择电动及手动双功能倒链，（见图12～13）。

图12 电动及手动双功能倒链

图13 人员提升

电动及手动双功能倒链功能要求：提升质量＞350 kg（考虑舱内2人同时应急逃生提拉）；提升速度＞5 m/min；动力源为电动和手动。