符方超，蔡長松，郝 靜

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引 言

與其他海洋浮式結(jié)構(gòu)物相比，浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（Floating Production Storage and Offloading,FPSO）具有抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、適應(yīng)水深范圍廣、儲/卸油能力大、可轉(zhuǎn)移和能重復(fù)使用等優(yōu)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(chǎn)品，是集人員居住和生產(chǎn)指揮等功能于一體的綜合大型海上石油生產(chǎn)平臺。FPSO已在海上油氣田生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，是海洋工程船舶中的高技術(shù)產(chǎn)品[1]。為保證油田不停產(chǎn)，F(xiàn)PSO一般不解脫、不間斷地作業(yè)，長時間浸泡在海水中，受到海浪的沖刷、海水的腐蝕和海風(fēng)的摧殘，船體結(jié)構(gòu)損壞等風(fēng)險會逐年增加。當(dāng)FPSO船體結(jié)構(gòu)水線以下部分出現(xiàn)損壞時，若進(jìn)塢維修，則意味著油田需停產(chǎn)，且進(jìn)塢維修的工期較長，會嚴(yán)重影響油田的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。為了使油田不停產(chǎn)，需使FPSO在位維修，因此FPSO水線下船體結(jié)構(gòu)修復(fù)技術(shù)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(jìn)行5年特檢，美國船級社（American Bureau of Shipping, ABS）驗船師在檢驗船體結(jié)構(gòu)的過程中發(fā)現(xiàn)位于FR103肋位與FR104肋位之間的L32縱骨出現(xiàn)變形、穿孔等損壞，要求對該受損縱骨進(jìn)行更換。L32縱骨位于水線以下約10m的位置，更換縱骨需進(jìn)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(zhì)量和船體外板的性能，因此要求在作業(yè)位置的船體外側(cè)安裝隔水艙，將作業(yè)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(zhì)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(shù)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(yōu)點和適應(yīng)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(yīng)的水下作業(yè)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(shù)特點見表1[4-5]。

表1 水下結(jié)構(gòu)干法水下焊接維修技術(shù)特點

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

1.3 隔水艙在實踐應(yīng)用中存在的難點

在應(yīng)用隔水艙進(jìn)行水線下結(jié)構(gòu)物修復(fù)時，水下環(huán)境的特性使得隔水艙的應(yīng)用存在以下難點：

1) 在應(yīng)用隔水艙修復(fù)船底板和船舭板時，潛水員在船底下方處于懸空狀態(tài)（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(nèi)海水被抽干后，艙內(nèi)的壓強(qiáng)等于大氣壓，隔水艙在海水外壓力的作用下有結(jié)構(gòu)變形的風(fēng)險；

3) 在作業(yè)過程中，需抽干艙內(nèi)的海水及確認(rèn)艙內(nèi)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(shè)計建造

2.1 水下自浮式隔水艙的浮力艙設(shè)計

需修復(fù)的L32縱骨接近船底位置，靠近艏部，船體外板有明顯的向內(nèi)收縮的趨勢，潛水員在安裝隔水艙時會出現(xiàn)身體后仰安裝的情況，并承擔(dān)隔水艙的重力，使得安裝難度增加，嚴(yán)重影響著安裝施工效率。因此，對隔水艙增加浮力艙，將其設(shè)計為水下自浮式隔水艙，方便潛水員安裝。圖3為浮力艙設(shè)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(shè)計圖

浮力艙設(shè)計原理：假定水下自浮式隔水艙在水下完全失重，總質(zhì)量為M艙，排水量為M排；浮力艙排水量為M水；剩余結(jié)構(gòu)排水量為M余（浮力艙以外的其他結(jié)構(gòu)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(shè)計水下自浮式隔水艙時，浮力艙的體積應(yīng)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(yè)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(qiáng)度校核

在該項目中，水下自浮式隔水艙的作業(yè)水深為10m，而FPSO的工作吃水深度達(dá)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計其結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jù)所更換縱骨的長度，水下自浮式隔水艙的尺寸設(shè)計為1000mm×500mm×620mm，鋼板厚度為8mm，材質(zhì)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(shù)見表2。

表2 模型參數(shù)

采用ANSYS軟件進(jìn)行仿真計算分析，結(jié)果見表3。

表3 計算分析結(jié)果

Von Mises應(yīng)力（210.64MPa）小于屈服應(yīng)力（235.00MPa），聯(lián)合校核UC小于1，可得出隔水艙體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，輸出圖形見圖4和圖5。

圖4 艙體所受Von-Mises應(yīng)力圖

圖5 艙體變形量圖

2.3 水下自浮式隔水艙結(jié)構(gòu)設(shè)計

水下自浮式隔水艙結(jié)構(gòu)示意見圖6，其中：浮力艙設(shè)有注水孔和排氣孔，用于調(diào)節(jié)浮力；隔離艙設(shè)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(nèi)的海水抽干；隔離艙設(shè)有觀察孔，用于觀察、確認(rèn)隔離艙內(nèi)海水的情況；隔水艙四周設(shè)有加強(qiáng)版，提高隔水艙開口處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證隔水艙開口面形狀的穩(wěn)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(shè)有密封膠槽，使用前在膠槽內(nèi)安裝完好的橡膠，實現(xiàn)隔水艙與船體外板接觸面的密封；浮力艙底部設(shè)有潛水員把手，側(cè)面設(shè)有多個吊耳，方便潛水員進(jìn)行安裝操作[6-7]。

2.4 水下自浮式隔水艙建造及測試

根據(jù)設(shè)計要求購置鋼板，校核鋼板的平整度，在達(dá)到設(shè)計要求的前提下完成鋼板的組對焊接。對基本的外觀進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的要求，開口面的弧度與設(shè)計弧度一致（修復(fù)部位的船板弧度）。在外觀檢測符合要求之后進(jìn)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(shè)計的一個關(guān)鍵難點是保證密封性，在通過水密性試驗之后才可應(yīng)用于實際項目的施工中。該項目需修復(fù)的船板接近于平面，故該水下自浮式隔水艙的開口面設(shè)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(nèi)注滿水，在膠槽中安裝橡膠墊，將膠槽設(shè)置為雙層膠槽實現(xiàn)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(qiáng)為1kg/cm2，故擠壓力應(yīng)為2kg/cm2。通過隔離艙上的開孔向隔離艙內(nèi)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(xiàn)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(nèi)有1個水壓力F內(nèi)，即實際作用在橡膠上的擠壓力F=F外-F內(nèi)，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(yīng)用[6]

將水下自浮式隔水艙運輸至作業(yè)現(xiàn)場，在膠槽內(nèi)安裝好橡膠。由潛水出入水系統(tǒng)絞車將水下自浮式隔水艙下放至水面，潛水員將其引導(dǎo)至安裝位置進(jìn)行安裝作業(yè)（見圖8）。

圖8 水下自浮式隔水艙安裝示意

用4塊強(qiáng)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(nèi)的海水抽干，達(dá)到海水與船體外板隔離的效果。船體內(nèi)部可進(jìn)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(jié) 語

水下自浮式隔水艙的設(shè)計、建造和安裝施工步驟簡單，建造成本低，方便潛水員進(jìn)行水下安裝作業(yè)，能提高施工效率，很好地實現(xiàn)降本增效。水下自浮式隔水艙在實際應(yīng)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(jīng)濟(jì)、安全。通過應(yīng)用水下自浮式隔水艙技術(shù)，可避免背水焊接，避免 FPSO、FSO及其他船舶進(jìn)塢維修，保證不間斷生產(chǎn)作業(yè)和節(jié)省塢修費用。隨著海上FPSO、FSO等浮式生產(chǎn)船舶數(shù)量的增加，以及浮式生產(chǎn)船舶使用年限變長，需在海上進(jìn)行水下結(jié)構(gòu)維修焊接作業(yè)的概率增大，水下自浮式隔水艙具有很好的應(yīng)用前景。