摘要：海底管道是海上油气田开发、生产与油气外输的主要生产设施, 目前海洋石油总公司铺设的海底管道总长度已超过2000km, 进入20 世纪90 年代后, 由于各种原因, 如管道运行状态超出设计范围, 船舶起抛锚作业, 拖网捕鱼碰撞, 海底冲刷以及施工操作不当, 落物冲击, 介质腐蚀等, 相继出现海底管道损坏事故, 其损坏形式多种多样。干式维修需根据水深不同采用常压或高压干式舱来提供干式环境，因此干式舱良好的密封效果是完成干式维修的前提和保证，而干式舱的密封效果主要取决于密封门。本文分析了用于海底管道修复的常压干式舱密封门设计。
关键词：海底管道修复；常压干式舱密封门；设计；
海底管道泄漏事故风险随着海洋油气工业的快速发展而逐渐增加。海底管道长期暴露于恶劣的海洋环境中，承受复杂工作载荷、环境载荷及意外风险载荷，失效概率高，一旦发生失效，维修与更换困难，不仅影响正常生产运输，造成巨大经济损失，而且将污染海洋环境，造成生态灾难。
一、事故原因分析
1.第三方破坏。第三方破坏起因于不法分子盗油、近海工程施工、海上落物冲击、船舶起抛锚作业、拖网捕鱼和海洋开发等。不法分子打孔盗油是引起管道泄漏的原因之一，工程施工引发第三方破坏的主要原因是：无警示标志、违章操作或因标识不清挖断管道。渔业生产引发第三方破坏的主要原因是：拖网板、拖网梁、渔网、铰链对海底管道的缠绕、撞击和拖拽作用造成海底管道破坏；锚对海底管道的撞击、刮碰造成管道凹陷、撕裂、刺穿；沉船撞击造成管道破损。落物引发第三方破坏的主要原因是：水上施工过程坠物、台风吹落物撞击导致管道受损甚至破裂。海洋开发引发第三方破坏的主要原因是：海洋油气勘探、路由勘探过程中意外撞击、刮碰海底管道。
2.冲刷悬空。对于海底管道而言，管跨的出现不可避免，悬空管段因水流作用承受交变载荷，一定条件下导致涡激振动，造成管道疲劳破坏。鱼刺图特别适用于搜寻问题根源。为深入研究悬跨形成根源，绘制海底管道悬跨鱼刺图结果表明：设计埋深不合理、施工埋深不足、未采取保护措施、施工质量不达标和地形数据不准确是悬跨形成的深层次原因。因此，悬跨防控措施应包括实地勘察获取准确地形数据、合理设计管道埋深、保证铺设深度和施工质量、定期检测水平偏移和垂直埋深、加密检测悬跨高发部位并及时回填悬跨段。我国多采用回填悬空段进行悬空管道恢复，该方法价格便宜、施工简单、保护范围广、无需停产，但其可靠性较差，存在二次悬空的可能性。
二、用于海底管道修复的常压干式舱密封门设计
1.密封门结构设计。干式舱就位后，根据海底管道在干式舱门框的相对位置，制作密封门，从而将舱内与外界海水隔开。密封门在海底工作情况下会受到海水的外压，如果外压过大，密封门就会被压损，从而产生较大的应力变形，而密封门的变形会带动海底管道周围的密封装置产生位移，导致密封装置失效。一是整体结构形式设计。密封门有两扇对开门板（左右对开或上下对开），中间通过螺栓来密封。左右对开的两扇门板在水压作用下变形较大，会产生相对位移，用来约束相对位移的螺栓，会承受较大的剪切力，给两扇门板之间的密封增加了难度。而采用上下对开的门板，上门板的重力有助于两扇门板之间的密封，并减小了连接螺栓受到的剪切力。二是连接部位设计。连接部位是指干式舱舱壁与密封门之间的连接部位。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆干式舱安装就位前，预先用螺栓将门栓一端限制在干式舱壁上，螺栓处于松弛状态时，当门板就位后，拧紧螺栓，挤压门板和舱壁之间的橡胶垫，达到密封效果。门栓在门板内侧有螺母连接，在舱内操作螺母即可对门栓进行拧紧或放松。门板上的槽钢支撑了门栓，防止门栓的变形，设置成旋转式门栓便于门的安装。为保证门板螺栓孔位置的密封性，舱壁外侧的螺杆设计有橡胶套筒。在施工中，为减小舱壁螺栓孔处的应力集中，可以在舱壁内侧焊接加强环，增加该处强度。
2.密封门密封部位设计。密封门的密封包括两部分：一是密封门周边与干式舱舱体侧壁之间的密封，这部分属静密封，较容易实现；二是密封门与海底管道圆周之间的密封，由于海底管道外表面可能凹凸不平，因而此部分密封较困难。
一是密封门周边的密封。海底管道的外径为559 mm。密封门周边的静密封件采用100 mm 宽、10 mm 厚的三元乙丙橡胶垫，门边采用螺栓进行紧固，二是密封门与海底管道交界部位密封由于密封门与海底管道交界部位属于带压静密封，是主要的可能发生漏水部位，也是密封的重点部位。设计采用45°倾斜止水挡板挤压45°斜面的止水橡胶，在止水挡板端部增加围绕管周的卡箍，避免在挤压橡胶过程中止水挡板可能翘起情况的发生，增加了沿海底管道径向的压力。当舱内外两块止水挡板靠近（拧紧螺栓） 时，挤压止水橡胶，缩小围绕海底管道的直径，将海底管道抱紧。该设计减少了由于海底管道变形或者位移产生的影响，大大提高了对海底管道外径的适用范围，克服制造误差对密封效果的影响。止水橡胶内开有许多“弹性空洞”，其原因是：由于待维修海底管道存在应力，需要止水橡胶具有很大的弹性，在止水橡胶内开孔，并且针对各部位所需弹性大小不同，各部位开设不同数量和大小的圆孔，就可以有效应对海底管道外表面可能存在的凹凸不平的问题。三是环管一周止水密封。由于导水槽环管一周联通，渗透水会受重力而聚集于导水槽下部，在环管一周导水槽底部还有一与之垂直（平行于海底管道方向） 的底部轴向导水槽，将环管一周导水槽里的水导出橡胶密封圈，在出口处集中收集排水，这样即使在前面的橡胶密封失效的情况下，导水槽也能防止水从海底管道和橡胶密封圈一周渗透进入干式舱。
3.局部设计优化。一是螺栓的布置。采用错位的双螺栓布置，相邻两螺栓所在的圆周到海底管道中心的半径不同，这样产生的力矩有利于对止水橡胶产生径向压力。二是 U 型螺栓孔设计。为便于现场安装，止水挡板外缘安装螺栓处采用U 形开口式螺栓孔，外端为圆弧形，防止了因应力集中给止水挡板带来的安全隐患。卡箍螺栓对称安装在卡箍左右两侧、止水挡板对接处和上下门对接处采用倒置的螺栓安装方式，这也是考虑到现场安装的操作方便。三是密封材料选择。橡胶是最常用的密封材料，品种有丁腈橡胶、氟橡胶、硅橡胶和聚氨酯橡胶等。橡胶件除了应具有一定的硬度和弹性外，还要具有耐磨性、抗蠕变性及自润滑性等。为适应海底管道直径和位置的变化，密封材料必须有较好的弹性；虽然干式舱在水中作业时间不长，但海水pH 值长期保持在8.1 左右，其腐蚀作用也不能忽视，因而密封橡胶需要耐碱性、耐腐蚀和耐水性。
重力式常压干式舱密封舱门的设计和在工程中实践应用表明：采用三元乙丙弹性橡胶并在橡胶内部按需开孔洞，可以增大密封门密封橡胶的弹性，使其与海底管道结合更加紧密。另外，海底管道周围密封还需解决舱门钢板变形问题，采取加强措施减小舱门板变形以使密封装置更好地发挥作用。
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论文作者:范景涛,刘博,宋艳磊
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第11期
论文发表时间:2017/12/1
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