水下自浮式隔水舱技术

符方超，蔡长松，郝 静

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518067）

0 引 言

与其他海洋浮式结构物相比，浮式生产储油卸油装置（Floating Production Storage and Offloading,FPSO）具有抗风浪能力强、适应水深范围广、储/卸油能力大、可转移和能重复使用等优点，可用来分离油气、处理含油污水、供电、供热和储存与运输原油产品，是集人员居住和生产指挥等功能于一体的综合大型海上石油生产平台。FPSO已在海上油气田生产中得到广泛应用，是海洋工程船舶中的高技术产品[1]。为保证油田不停产，FPSO一般不解脱、不间断地作业，长时间浸泡在海水中，受到海浪的冲刷、海水的腐蚀和海风的摧残，船体结构损坏等风险会逐年增加。当FPSO船体结构水线以下部分出现损坏时，若进坞维修，则意味着油田需停产，且进坞维修的工期较长，会严重影响油田的产量和经济效益。为了使油田不停产，需使FPSO在位维修，因此FPSO水线下船体结构修复技术一直是研究的热点。

1 项目概况

1.1 项目背景

本文研究的FPSO于1990年2月改造完成，2015年6月进行5年特检，美国船级社（American Bureau of Shipping, ABS）验船师在检验船体结构的过程中发现位于FR103肋位与FR104肋位之间的L32纵骨出现变形、穿孔等损坏，要求对该受损纵骨进行更换。L32纵骨位于水线以下约10m的位置，更换纵骨需进行纵骨与船体外板的角接焊接，在不采取任何措施的情况下直接焊接纵骨和船板，船体外板和焊缝会在海水的作用下快速冷却，这属于背水焊接，会直接影响焊接的质量和船体外板的性能，因此要求在作业位置的船体外侧安装隔水舱，将作业位置的船体外板与海水隔离开，避免背水焊接，保证焊接的质量，同时不影响船体外板的原有性能[2-3]。图1为FPSO外板布置图，图2为A-A剖面图。

图1 FPSO外板布置图

图2 A-A剖面图

1.2 技术背景

水下焊接常用的方法有湿法水下焊接、局部干法水下焊接和干法水下焊接等3种，每种焊接方法都有其优点和适应的场合，其中干法水下焊接是在干燥气相中焊接，安全性最高，但适应的水下作业水深较浅。目前干法水下焊接主要有隔水舱、高压干式舱和常压干式舱等3种方法，其维修技术特点见表1[4-5]。

表1 水下结构干法水下焊接维修技术特点

通过对3种水下舱体维修方法进行比较可知，隔水舱是最安全、最经济的修复方法，能很好地应用于船底板和船侧板的维修中，在该项目之前已成功应用于FPSO外板维修项目中，故该项目选择隔水舱修复方案。

1.3 隔水舱在实践应用中存在的难点

在应用隔水舱进行水线下结构物修复时，水下环境的特性使得隔水舱的应用存在以下难点：

1) 在应用隔水舱修复船底板和船舭板时，潜水员在船底下方处于悬空状态（无支撑点），需在后仰并克服隔水舱重力的情况下将隔水舱安装到船底板上，比较困难；

2) 舱内海水被抽干后，舱内的压强等于大气压，隔水舱在海水外压力的作用下有结构变形的风险；

3) 在作业过程中，需抽干舱内的海水及确认舱内的海水是否已被抽干；

4) 隔水舱的密封性。

2 水下自浮式隔水舱的设计建造

2.1 水下自浮式隔水舱的浮力舱设计

需修复的L32纵骨接近船底位置，靠近艏部，船体外板有明显的向内收缩的趋势，潜水员在安装隔水舱时会出现身体后仰安装的情况，并承担隔水舱的重力，使得安装难度增加，严重影响着安装施工效率。因此，对隔水舱增加浮力舱，将其设计为水下自浮式隔水舱，方便潜水员安装。图3为浮力舱设计图[6-7]，其中：图3a)中的阴影板材为隔板，隔板将水下自浮式隔水舱分割成2个腔室；图3b)中的阴影部分空间为浮力舱，另一个舱室为隔离舱。

图3 浮力舱设计图

浮力舱设计原理：假定水下自浮式隔水舱在水下完全失重，总质量为M舱，排水量为M排；浮力舱排水量为M水；剩余结构排水量为M余（浮力舱以外的其他结构的排水量）；海水的密度为ρ水；浮力舱的体积为V舱，排水体积为V水，且V舱=V水。由此可得

通过式(1)～式(3)计算出水下自浮式隔水舱在水下完全失重时浮力舱的体积V舱。在设计水下自浮式隔水舱时，浮力舱的体积应等于或略小于V舱。若浮力舱的体积大于V舱，则水下自浮式隔水舱会浮在水面上；若浮力舱的体积小于V舱过多，则潜水员作业时需承受较大的重力，起不到水下自浮式隔水舱的作用。

2.2 水下自浮式隔水舱的强度校核

在该项目中，水下自浮式隔水舱的作业水深为10m，而FPSO的工作吃水深度达15m。因此，为使该水下自浮式隔水舱适用于FPSO全船的维修，并具备较高的安全可靠性，以20m水压力为标准设计其结构强度。该水下自浮式隔水舱能承受20m水深处的外压力，即适用于船底板的维修。根据所更换纵骨的长度，水下自浮式隔水舱的尺寸设计为1000mm×500mm×620mm，钢板厚度为8mm，材质为Q235B。

水下自浮式隔水舱主要受到水压力的作用，取水深为20m。在ANSYS软件中建立模型，输入模型参数见表2。

表2 模型参数

采用ANSYS软件进行仿真计算分析，结果见表3。

表3 计算分析结果

Von Mises应力（210.64MPa）小于屈服应力（235.00MPa），联合校核UC小于1，可得出隔水舱体结构强度满足要求，输出图形见图4和图5。

图4 舱体所受Von-Mises应力图

图5 舱体变形量图

2.3 水下自浮式隔水舱结构设计

水下自浮式隔水舱结构示意见图6，其中：浮力舱设有注水孔和排气孔，用于调节浮力；隔离舱设有供气孔和抽水孔，在隔水舱安装到位之后，用抽水泵将隔离舱内的海水抽干；隔离舱设有观察孔，用于观察、确认隔离舱内海水的情况；隔水舱四周设有加强版，提高隔水舱开口处的结构强度，保证隔水舱开口面形状的稳定性，使隔水舱开口与船舶外板保持紧密接触；隔水舱开口面设有密封胶槽，使用前在胶槽内安装完好的橡胶，实现隔水舱与船体外板接触面的密封；浮力舱底部设有潜水员把手，侧面设有多个吊耳，方便潜水员进行安装操作[6-7]。

2.4 水下自浮式隔水舱建造及测试

根据设计要求购置钢板，校核钢板的平整度，在达到设计要求的前提下完成钢板的组对焊接。对基本的外观进行检测，水下自浮式隔水舱外板平整无变形，焊缝外观符合标准的要求，开口面的弧度与设计弧度一致（修复部位的船板弧度）。在外观检测符合要求之后进行磁粉检测，检测范围为水下自浮式隔水舱的所有焊缝，若检测合格，即完成建造[7]。

水下自浮式隔水舱设计的一个关键难点是保证密封性，在通过水密性试验之后才可应用于实际项目的施工中。该项目需修复的船板接近于平面，故该水下自浮式隔水舱的开口面设计为无弧度的平面。图7为水下自浮式隔水舱水密性试验，将水下自浮式隔水舱的开口面朝上放置在水泥地面上，向隔离舱内注满水，在胶槽中安装橡胶垫，将胶槽设置为双层胶槽实现双层密封。用平整的钢板盖住开口并使其与橡胶紧密接触，对钢板施加压力使其对橡胶有2个水压的挤压力，10m水深处的水压强为1kg/cm2，故挤压力应为2kg/cm2。通过隔离舱上的开孔向隔离舱内注水加压，使其压力保持1个水压力（1kg/cm2），密封橡胶变形会引起压力变化，只要不出现明显的渗漏就视为水密性良好。

在水下安装到位并抽空海水之后，水下自浮式隔水舱被一个水压力挤压在船板上。水密性试验中外界给予2个水压力F外，隔离舱内有1个水压力F内，即实际作用在橡胶上的挤压力F=F外-F内，等于1个水压力。水密性试验条件等同于项目实际条件，水下自浮式隔水舱橡胶在1个水压力的挤压作用下与钢板接触，密封性良好。

图6 水下自浮式隔水舱示意

图7 水下自浮式隔水舱水密性试验

3 水下自浮式隔水舱的应用[6]

将水下自浮式隔水舱运输至作业现场，在胶槽内安装好橡胶。由潜水出入水系统绞车将水下自浮式隔水舱下放至水面，潜水员将其引导至安装位置进行安装作业（见图8）。

图8 水下自浮式隔水舱安装示意

用4块强力磁铁临时固定水下自浮式隔水舱，使其紧贴在船体外板上。连接好供气管和抽水管，甲板人员用抽水泵将水下自浮式隔水舱内的海水抽干，达到海水与船体外板隔离的效果。船体内部可进行船体外板纵骨的更换和焊接，待施工完成且焊缝自然冷却之后，回收水下自浮式隔水舱至甲板，以备下次使用。

4 结 语

水下自浮式隔水舱的设计、建造和安装施工步骤简单，建造成本低，方便潜水员进行水下安装作业，能提高施工效率，很好地实现降本增效。水下自浮式隔水舱在实际应用中效果良好，比高压干式舱和常压干式舱等维修方案更经济、安全。通过应用水下自浮式隔水舱技术，可避免背水焊接，避免 FPSO、FSO及其他船舶进坞维修，保证不间断生产作业和节省坞修费用。随着海上FPSO、FSO等浮式生产船舶数量的增加，以及浮式生产船舶使用年限变长，需在海上进行水下结构维修焊接作业的概率增大，水下自浮式隔水舱具有很好的应用前景。