水下自浮式隔水艙技術

符方超，蔡長松，郝 靜

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引 言

與其他海洋浮式結構物相比，浮式生產儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading,FPSO）具有抗風浪能力強、適應水深范圍廣、儲/卸油能力大、可轉移和能重復使用等優點，可用來分離油氣、處理含油污水、供電、供熱和儲存與運輸原油產品，是集人員居住和生產指揮等功能于一體的綜合大型海上石油生產平臺。FPSO已在海上油氣田生產中得到廣泛應用，是海洋工程船舶中的高技術產品[1]。為保證油田不停產，FPSO一般不解脫、不間斷地作業，長時間浸泡在海水中，受到海浪的沖刷、海水的腐蝕和海風的摧殘，船體結構損壞等風險會逐年增加。當FPSO船體結構水線以下部分出現損壞時，若進塢維修，則意味著油田需停產，且進塢維修的工期較長，會嚴重影響油田的產量和經濟效益。為了使油田不停產，需使FPSO在位維修，因此FPSO水線下船體結構修復技術一直是研究的熱點。

1 項目概況

1.1 項目背景

本文研究的FPSO于1990年2月改造完成，2015年6月進行5年特檢，美國船級社（American Bureau of Shipping, ABS）驗船師在檢驗船體結構的過程中發現位于FR103肋位與FR104肋位之間的L32縱骨出現變形、穿孔等損壞，要求對該受損縱骨進行更換。L32縱骨位于水線以下約10m的位置，更換縱骨需進行縱骨與船體外板的角接焊接，在不采取任何措施的情況下直接焊接縱骨和船板，船體外板和焊縫會在海水的作用下快速冷卻，這屬于背水焊接，會直接影響焊接的質量和船體外板的性能，因此要求在作業位置的船體外側安裝隔水艙，將作業位置的船體外板與海水隔離開，避免背水焊接，保證焊接的質量，同時不影響船體外板的原有性能[2-3]。圖1為FPSO外板布置圖，圖2為A-A剖面圖。

圖1 FPSO外板布置圖

圖2 A-A剖面圖

1.2 技術背景

水下焊接常用的方法有濕法水下焊接、局部干法水下焊接和干法水下焊接等3種，每種焊接方法都有其優點和適應的場合，其中干法水下焊接是在干燥氣相中焊接，安全性最高，但適應的水下作業水深較淺。目前干法水下焊接主要有隔水艙、高壓干式艙和常壓干式艙等3種方法，其維修技術特點見表1[4-5]。

表1 水下結構干法水下焊接維修技術特點

通過對3種水下艙體維修方法進行比較可知，隔水艙是最安全、最經濟的修復方法，能很好地應用于船底板和船側板的維修中，在該項目之前已成功應用于FPSO外板維修項目中，故該項目選擇隔水艙修復方案。

1.3 隔水艙在實踐應用中存在的難點

在應用隔水艙進行水線下結構物修復時，水下環境的特性使得隔水艙的應用存在以下難點：

1) 在應用隔水艙修復船底板和船舭板時，潛水員在船底下方處于懸空狀態（無支撐點），需在后仰并克服隔水艙重力的情況下將隔水艙安裝到船底板上，比較困難；

2) 艙內海水被抽干后，艙內的壓強等于大氣壓，隔水艙在海水外壓力的作用下有結構變形的風險；

3) 在作業過程中，需抽干艙內的海水及確認艙內的海水是否已被抽干；

4) 隔水艙的密封性。

2 水下自浮式隔水艙的設計建造

2.1 水下自浮式隔水艙的浮力艙設計

需修復的L32縱骨接近船底位置，靠近艏部，船體外板有明顯的向內收縮的趨勢，潛水員在安裝隔水艙時會出現身體后仰安裝的情況，并承擔隔水艙的重力，使得安裝難度增加，嚴重影響著安裝施工效率。因此，對隔水艙增加浮力艙，將其設計為水下自浮式隔水艙，方便潛水員安裝。圖3為浮力艙設計圖[6-7]，其中：圖3a)中的陰影板材為隔板，隔板將水下自浮式隔水艙分割成2個腔室；圖3b)中的陰影部分空間為浮力艙，另一個艙室為隔離艙。

圖3 浮力艙設計圖

浮力艙設計原理：假定水下自浮式隔水艙在水下完全失重，總質量為M艙，排水量為M排；浮力艙排水量為M水；剩余結構排水量為M余（浮力艙以外的其他結構的排水量）；海水的密度為ρ水；浮力艙的體積為V艙，排水體積為V水，且V艙=V水。由此可得

通過式(1)～式(3)計算出水下自浮式隔水艙在水下完全失重時浮力艙的體積V艙。在設計水下自浮式隔水艙時，浮力艙的體積應等于或略小于V艙。若浮力艙的體積大于V艙，則水下自浮式隔水艙會浮在水面上；若浮力艙的體積小于V艙過多，則潛水員作業時需承受較大的重力，起不到水下自浮式隔水艙的作用。

2.2 水下自浮式隔水艙的強度校核

在該項目中，水下自浮式隔水艙的作業水深為10m，而FPSO的工作吃水深度達15m。因此，為使該水下自浮式隔水艙適用于FPSO全船的維修，并具備較高的安全可靠性，以20m水壓力為標準設計其結構強度。該水下自浮式隔水艙能承受20m水深處的外壓力，即適用于船底板的維修。根據所更換縱骨的長度，水下自浮式隔水艙的尺寸設計為1000mm×500mm×620mm，鋼板厚度為8mm，材質為Q235B。

水下自浮式隔水艙主要受到水壓力的作用，取水深為20m。在ANSYS軟件中建立模型，輸入模型參數見表2。

表2 模型參數

采用ANSYS軟件進行仿真計算分析，結果見表3。

表3 計算分析結果

Von Mises應力（210.64MPa）小于屈服應力（235.00MPa），聯合校核UC小于1，可得出隔水艙體結構強度滿足要求，輸出圖形見圖4和圖5。

圖4 艙體所受Von-Mises應力圖

圖5 艙體變形量圖

2.3 水下自浮式隔水艙結構設計

水下自浮式隔水艙結構示意見圖6，其中：浮力艙設有注水孔和排氣孔，用于調節浮力；隔離艙設有供氣孔和抽水孔，在隔水艙安裝到位之后，用抽水泵將隔離艙內的海水抽干；隔離艙設有觀察孔，用于觀察、確認隔離艙內海水的情況；隔水艙四周設有加強版，提高隔水艙開口處的結構強度，保證隔水艙開口面形狀的穩定性，使隔水艙開口與船舶外板保持緊密接觸；隔水艙開口面設有密封膠槽，使用前在膠槽內安裝完好的橡膠，實現隔水艙與船體外板接觸面的密封；浮力艙底部設有潛水員把手，側面設有多個吊耳，方便潛水員進行安裝操作[6-7]。

2.4 水下自浮式隔水艙建造及測試

根據設計要求購置鋼板，校核鋼板的平整度，在達到設計要求的前提下完成鋼板的組對焊接。對基本的外觀進行檢測，水下自浮式隔水艙外板平整無變形，焊縫外觀符合標準的要求，開口面的弧度與設計弧度一致（修復部位的船板弧度）。在外觀檢測符合要求之后進行磁粉檢測，檢測范圍為水下自浮式隔水艙的所有焊縫，若檢測合格，即完成建造[7]。

水下自浮式隔水艙設計的一個關鍵難點是保證密封性，在通過水密性試驗之后才可應用于實際項目的施工中。該項目需修復的船板接近于平面，故該水下自浮式隔水艙的開口面設計為無弧度的平面。圖7為水下自浮式隔水艙水密性試驗，將水下自浮式隔水艙的開口面朝上放置在水泥地面上，向隔離艙內注滿水，在膠槽中安裝橡膠墊，將膠槽設置為雙層膠槽實現雙層密封。用平整的鋼板蓋住開口并使其與橡膠緊密接觸，對鋼板施加壓力使其對橡膠有2個水壓的擠壓力，10m水深處的水壓強為1kg/cm2，故擠壓力應為2kg/cm2。通過隔離艙上的開孔向隔離艙內注水加壓，使其壓力保持1個水壓力（1kg/cm2），密封橡膠變形會引起壓力變化，只要不出現明顯的滲漏就視為水密性良好。

在水下安裝到位并抽空海水之后，水下自浮式隔水艙被一個水壓力擠壓在船板上。水密性試驗中外界給予2個水壓力F外，隔離艙內有1個水壓力F內，即實際作用在橡膠上的擠壓力F=F外-F內，等于1個水壓力。水密性試驗條件等同于項目實際條件，水下自浮式隔水艙橡膠在1個水壓力的擠壓作用下與鋼板接觸，密封性良好。

圖6 水下自浮式隔水艙示意

圖7 水下自浮式隔水艙水密性試驗

3 水下自浮式隔水艙的應用[6]

將水下自浮式隔水艙運輸至作業現場，在膠槽內安裝好橡膠。由潛水出入水系統絞車將水下自浮式隔水艙下放至水面，潛水員將其引導至安裝位置進行安裝作業（見圖8）。

圖8 水下自浮式隔水艙安裝示意

用4塊強力磁鐵臨時固定水下自浮式隔水艙，使其緊貼在船體外板上。連接好供氣管和抽水管，甲板人員用抽水泵將水下自浮式隔水艙內的海水抽干，達到海水與船體外板隔離的效果。船體內部可進行船體外板縱骨的更換和焊接，待施工完成且焊縫自然冷卻之后，回收水下自浮式隔水艙至甲板，以備下次使用。

4 結 語

水下自浮式隔水艙的設計、建造和安裝施工步驟簡單，建造成本低，方便潛水員進行水下安裝作業，能提高施工效率，很好地實現降本增效。水下自浮式隔水艙在實際應用中效果良好，比高壓干式艙和常壓干式艙等維修方案更經濟、安全。通過應用水下自浮式隔水艙技術，可避免背水焊接，避免 FPSO、FSO及其他船舶進塢維修，保證不間斷生產作業和節省塢修費用。隨著海上FPSO、FSO等浮式生產船舶數量的增加，以及浮式生產船舶使用年限變長，需在海上進行水下結構維修焊接作業的概率增大，水下自浮式隔水艙具有很好的應用前景。