陸豐7-2導管架水下常壓干式艙焊接維修技術

王火平 毛志豪 劉義勇 陳再勝 王 謙

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司 廣東深圳 518067)

陸豐7-2導管架水下常壓干式艙焊接維修技術

王火平 毛志豪 劉義勇 陳再勝 王 謙

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司 廣東深圳 518067)

陸豐7-2導管架因平臺組塊浮托安裝未成功導致在導管架主腿水下10m處產生了嚴重裂紋。為使導管架結構強度恢復至原有設計水平，通過對水下常壓干式艙結構、密封、安全設計及強度校核等關鍵技術的研究，設計了一種可提供干式施工環(huán)境的水下常壓干式艙，并進行了導管架在常壓干式艙中的裂紋焊接工藝設計與修復結構可靠性評估?，F(xiàn)場實施表明，對于導管架水深10 m以內的大裂紋維修，采用水下常壓干式艙進行焊接維修技術是可行的，而且相比于高壓干式艙技術具有易實施、無需飽和潛水資源、施工工期短等顯著特點，對今后類似工程具有一定的借鑒意義。

陸豐7-2導管架；主腿；水下裂紋；水下常壓干式艙；焊接維修

陸豐7-2導管架結構因平臺組塊浮托安裝未成功導致?lián)p傷，在導管架A1主腿和B4主腿水下10 m處分別產生了多處裂紋(圖1)。A1主腿有3條裂紋，其中1條為貫穿裂紋，從支管焊縫裂向主腿母材，穿透長度約1.55 m；B4主腿有6條裂紋，其中1條為貫穿裂紋，從支管焊縫裂向主腿母材，穿透長度約2.8 m；A1主腿和B4主腿的其他裂紋均為非貫穿裂紋，長度為200～640 mm，深度為4～25 mm。

圖1 陸豐7-2導管架水下10 m處裂紋示意圖

陸豐7-2平臺組塊能否再次進行浮托，取決于導管架能否維修以及能否恢復至原有設計強度，其關鍵是要研究出一種適宜可靠的修復方法。通過技術研究，設計了一種可提供干式施工環(huán)境的水下常壓干式艙，通過密封抽水形成施工干式環(huán)境后對裂紋進行可靠的焊接修復，為平臺組塊的再次浮托安裝創(chuàng)造了條件。該技術在陸豐7-2項目中得到了成功應用，同時填補了國內導管架水下干式艙維修領域的技術空白，對今后類似工程具有一定的借鑒意義。

1 干式艙維修方案設計

1.1 干式艙維修方案選擇

陸豐7-2導管架水下結構受損非常嚴重，研究認為國內已有應用經驗的灌漿卡子等結構加強手段無法滿足修復要求，須采用干式焊接維修手段才能使導管架恢復至原有設計強度水平。常見的干式焊接維修手段主要有引流式真空箱法、局部高壓干式艙法、高壓干式艙法、常壓干式艙法等，這些方法在國內海管維修中有部分應用[1]，但在導管架維修中尚無應用。干式焊接維修手段的主要特點是通過構造一種可將受損的局部區(qū)域或整個受損節(jié)點圍住的臨時性隔水裝置形成干式施工環(huán)境后對水下裂紋進行焊接維修。

陸豐7-2導管架受損結構節(jié)點處既有淺表裂紋又有貫穿裂紋，由于引流式真空箱法和局部高壓干式艙法不能同時維修既有穿透裂紋又有淺裂紋的受損節(jié)點，因此只能選擇高壓干式艙法或常壓干式艙法。高壓干式艙適用水深范圍較廣且在國外導管架維修中應用較多，水下常壓干式艙在平臺立管、海管近岸段和碼頭等維修作業(yè)較為常見，但這2種干式艙法的關鍵技術目前主要掌握在Technip、DCN等國外少數(shù)專業(yè)公司手中，國內有關機構已開展相關研究但尚無實際應用。

表1是常壓干式艙法與高壓干式艙法的主要技術特點比較。與高壓干式艙法相比，常壓干式艙法焊接作業(yè)可采用陸地常規(guī)焊接工藝，無需潛水員焊工及通過潛水員遞送物料，也不受苛刻的潛水作業(yè)條件影響，同時可從主腿內外進行焊接，可大大提高施工效率，但也存在一些技術難點，如對密封要求較高、須增設人員進出通道、密閉空間作業(yè)安全性等。綜合考慮焊接維修需要、施工難度、人員要求、施工周期、經濟合理性等，對于陸豐7-2導管架水下10 m處的裂紋維修，最終選用常壓干式艙法。

表1 常壓干式艙法與高壓干式艙法的主要特點比較

1.2 水下常壓干式艙設計

陸豐7-2導管架的A1主腿和B4主腿水下10 m處受損節(jié)點結構不同，需各設計一個常壓干式艙對水下裂紋進行焊接維修，確保干式艙結構安全可靠、密封效果以及密閉空間的作業(yè)安全。

1.2.1 結構設計

陸豐7-2導管架水下常壓干式艙主要由干式艙主體、通至水面的人員通道、錨固裝置等3個部分組成(圖2a)，其中干式艙主體為一個圓柱狀的筒體，可將水下10 m處的受損結構節(jié)點包裹?。诲^固裝置的錨固點位于導管架水下29 m結構節(jié)點處；考慮到施工方便，干式艙的人員通道頂部高度比導管架主腿頂部約低0.5 m。

圖2 陸豐7-2導管架水下常壓干式艙結構示意圖

陸豐7-2導管架受損節(jié)點處連桿件較多，包括1條直徑1 981 mm主腿，2條直徑1 372 mm水平拉筋，2條斜拉筋(直徑分別為1 067 mm和1 219 mm)。結合受損節(jié)點的結構形式及滿足2人在艙內同時進行作業(yè)的空間要求，將干式艙主體設計成圓柱狀的密閉空間(直徑4.50 m，高5.05 m)，分為上下兩部分，上半部分高為2.41 m，下半部分高為2.64 m，每部分均由大小不同的3片構成;各片之間采用法蘭連接，每片之間在節(jié)點撐桿連接處設有管嘴，各片裝配后可將整個受損節(jié)點包裹住。干式艙的周向板材及各片間的法蘭板厚度為15 mm，頂部及底部板材厚度為25 mm，管嘴處厚度為30 mm，全部采用船體結構用鋼D36。

為確保干式艙大量進水后人員撤離的安全，干式艙內設有安全港(圖2b)，配有應急氣源、全面罩呼吸面具等應急救生系統(tǒng)。當干式艙因意外大量進水導致作業(yè)人員來不及撤離時，安全港可作為施工人員的臨時安全區(qū)域，并通過持續(xù)注入空氣使人員頭部不被水淹沒，之后在潛水員協(xié)助下戴上應急面罩從人員通道安全逃離。

人員通道的主要作用是用于人員和貨物傳送，設計成通至海面的一條直管，直管外徑為1 016 mm，壁厚12.7 mm，長度為13 m(比導管架樁腿頂部約低0.5 m)。通道底部與干式艙頂部采用法蘭連接，采用2個機械管卡將其緊固于導管架主腿(標高分別為EL-3.70 m和EL3.42 m)，頂部設有臨時工作平臺。

干式艙抽水后會產生上舉力(浮力)，根據(jù)分析計算，最大上舉力約為540 kN。為保持施工期間干式艙的平衡，在干式艙底部設置了9條直徑100 mm的錨固鏈條(每條錨鏈安全負荷為60 kN)，錨固點位于導管架水下29 m的結構節(jié)點處。

1.2.2 密封設計

干式艙密封包括干式艙主體各片之間的法蘭面、人員通道與干式艙頂部法蘭面以及管嘴處與節(jié)點連接桿件的密封，其中干式艙主體的各分片法蘭面密封采用10 mm橡膠墊片和螺栓緊固，人員通道的底部與干式艙法蘭密封采用橡膠墊片和螺栓緊固。對于干式艙管嘴與節(jié)點拉筋處的密封，由于密封面較大，采用了氣脹式橡膠(圖3a)和楔形橡膠兩道密封(圖3b)。密封完成后通過抽水形成干式施工環(huán)境，對于發(fā)現(xiàn)的影響微小泄漏則采用水下密封膠進行輔助密封，對于其他不影響的泄漏則在維修期間通過定期抽水維持干式施工環(huán)境。

圖3 陸豐7-2導管架水下常壓干式艙管嘴與拉筋處的密封示意圖

陸豐7-2導管架B4主腿干式艙安裝期間發(fā)現(xiàn)管嘴處的氣脹密封易受損，密封效果不佳，為此對A1主腿干式艙管嘴處密封進行了改進，直接采用了楔形橡膠的單道密封(圖3c)。這種密封方式相對簡單，但是對橡膠材質要求較高，須具有一定彈性。實踐證明，改進后A1主腿干式艙密封效果良好，提高了作業(yè)效率，比B4腿干式艙安裝作業(yè)節(jié)省了約6 d。

1.2.3 安全設計

干式艙密封抽水形成半密閉的干式施工環(huán)境后，施工人員進入干式艙內部進行施工作業(yè)。為確保密閉空間的施工安全，干式艙內部設有排煙吸風等通風裝置、多個不同角度的監(jiān)控攝像頭、兩路獨立的通訊系統(tǒng)、氣體分析儀、溫度傳感器、足夠的照明設施等，同時在支持作業(yè)船上設有作業(yè)控制房作為干式艙內施工作業(yè)的監(jiān)控中心。由于密閉空間的作業(yè)風險較高，為此專門進行了安全風險分析(表2)，并在陸地期間進行了數(shù)次模擬試驗，使施工人員熟悉逃生程序等。

表2 陸豐7-2導管架水下常壓干式艙主要風險源及應對措施

1.2.4 強度校核

干式艙整體強度按照ASME PVHO(載人壓力容器安全標準)[2]和ASME VIII Div.1[3]進行校核，對整體結構采用Autodesk Simulation mechanical 2014進行有限元分析，網格劃分尺寸為100 mm(管嘴附近為25 mm)。有限元分析時考慮了海流載荷、風載荷、靜水壓力、波浪載荷及施工載荷，邊界條件考慮干式艙底部為固支連接，人員通道的機械管卡和管嘴處密封處為鉸接連接。

干式艙強度校核分別考慮了干式艙形成干式環(huán)境前和形成干式環(huán)境后的2種工況(控制工況為后者)，由于干式艙為臨時結構，強度校核按陸豐7-2油田區(qū)一年一遇臺風環(huán)境工況考慮。表3為形成干式環(huán)境后的水下常壓干式艙強度校核結果，可見所設計的干式艙強度滿足規(guī)范要求和使用要求。由于干式艙重量為170 kN,遠遠小于樁腿可承受27 000 kN載荷，對導管架結構影響較小。

表3 陸豐7-2導管架水下常壓干式艙強度校核結果

2 水下干式艙焊接工藝設計與修復結構可靠性評估

陸豐7-2導管架結構水下10 m節(jié)點受損嚴重，其中2條為貫穿性大尺度裂紋，裂紋從節(jié)點焊縫開始裂向主腿母材，走向極不規(guī)則，開槽難度大(B4主腿壁厚70 mm，A1主腿壁厚80 mm，母材為GB/T5313 D36-Z35 ,碳當量為0.42)。由于業(yè)內無現(xiàn)成經驗可借鑒，為確保焊接維修的可靠性，必須設計出合適的焊接工藝對裂紋進行修復，并按相關規(guī)范對修復結果進行可靠性評估。

2.1 焊接工藝設計

焊接工藝設計主要參考AWS D1.1[4]和DNV-OS-C401[5]。根據(jù)陸豐7-2導管架水下裂紋情況，共制定了6個焊接工藝預評定(pWPS)方案，見表4。

表4 陸豐7-2導管架水下裂紋維修焊接工藝預評定方案

為提高焊接修復后焊縫金屬韌性，焊材采用比原建造時焊材韌性性能更好的AWS A5.29 E81T1-NiM(原埋弧焊焊絲為AWS A5.23 F8A8-ENi1-Ni1，原CO2焊絲為AWS A5.20 E71T-1C-J)。按照AWS D1.1和DNV-OS-C401規(guī)范對以上6個焊接工藝預評定(pWPS)方案分別進行評定，評定結果滿足要求。為確定修復后的斷裂韌性，對pWPS方案2試件進行裂紋尖端擴展韌性實驗，實驗數(shù)據(jù)最小為1.843 mm，大于規(guī)范規(guī)定的0.15 mm，滿足規(guī)范要求。

2.2 修復結構評估

為確保焊接修復的可靠性，專門制作了陸豐7-2導管架B4主腿水下10 m處的貫穿裂紋全尺寸實體模型(圖4)，并進行了焊接維修模擬試驗，其目的一是模擬水下干式艙焊接空間以使焊工獲得操作經驗，二是通過試驗采集修復結構評估所需的殘余應力值和裂縫尖端開口位移值。為盡可能地控制焊接殘余應力集中和提高焊接韌性，在模擬焊接維修時采取了增加回火焊道、分段分層斷續(xù)焊接次序等技術措施。此外，由于海上濕度大，焊接時焊接金屬的溶解擴散容易導致氫致開裂，為了降低此類風險，在模擬焊接時采用了強制消氫措施使溶解在焊縫金屬的擴散氫盡快地釋放到可接受的范圍。對于焊縫檢驗，在分段分層焊接時采用了分層磁粉檢測，焊接完成待焊接溫度冷卻到室溫時做磁粉檢測和超聲波檢測。為確認無氫致裂紋發(fā)生，待消氫處理冷卻48 h后再做一遍磁粉檢測和超聲波檢測。

圖4 陸豐7-2導管架B4主腿水下10 m處節(jié)點全尺寸實體模型

焊接修復結構的可靠性評估是根據(jù)英國標準金屬結構缺陷驗收評定方法導則BS 7910[6]進行的，評估內容包括斷裂力學分析、裂紋疲勞擴展分析、缺陷容許度分析等。評估結果表明，裂紋按照制定的焊接工藝維修并經無損檢測檢測合格后，導管架受損節(jié)點強度和疲勞水平可恢復至原有設計水平，整個導管架可滿足設計使用的壽命要求。

3 實施效果

通過技術研究和優(yōu)化，水下常壓干式艙焊接維修技術成功應用于陸豐7-2導管架維修工程中，從修復方案選擇、詳細設計到海上施工，前后歷時約5個月。陸地準備時間約3個月，其中方案研究約1個月，干式艙陸地預制及焊接工藝準備約2個月。海上施工時選用了“藍鯨號”、“大力號”、“海洋石油708”等作業(yè)支持船舶資源，海上施工工期約70 d，其中B4主腿干式艙海上安裝約25 d，焊接維修約10 d；A1主腿干式艙安裝約16 d，焊接維修約8 d；施工期間因臺風影響約10 d。

陸豐7-2導管架的及時修復，不僅使導管架恢復了原有設計強度水平，更重要的是為陸豐7-2平臺組塊在2014年8月中旬浮托安裝創(chuàng)造了條件，避免了組塊推遲至2015年安裝、油田推遲投產的重大損失，取得了良好的應用效果和經濟效益。該項目的成功實踐表明，對于導管架水深10 m以內的大裂紋維修采用水下常壓干式艙進行焊接維修技術是可行的，相比于高壓干式艙技術具有易實施、無需飽和潛水資源、施工工期短等顯著特點。

4 結束語

通過技術攻關，研究了水下常壓干式艙焊接維修技術，并成功應用于陸豐7-2導管架水下裂紋維修，填補了國內在該領域的技術空白，有效提升了我國導管架平臺結構的維修水平，為國內導管架水下裂紋修復提供了一種新的思路和技術保障，對今后類似工程具有一定的借鑒意義。

[1] 王火平，陳再勝,劉義勇，等.番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產干式維修技術研究與應用[J].中國海上油氣，2014,26(3):107-110.Wang Huoping,Chen Zaisheng,Liu Yiyong,et al.Study and application of pipeline repair technology without shutdown in a dry environment for the very shallow water section of PY 30-1 subsea gas pipeline[J].China Offshore Oil and Gas,2014,26(3):107-110.

[2] ASME.ASME PVHO-1-2007 Safety standard for pressure vessel for human occupancy[S].USA:ASME,2007.

[3] ASME.ASME boiler & pressure vessel code-2013,section VIII division 1 rules for construction of pressure vessels[S].USA:ASME,2013.

[4] AWS.AWS-D1.1-2010 structural welding code-steel[S].USA:ASW,2010.

[5] DNV.DNV-OS-C401-2010 fabrication and testing of offshore structures[S].Norway:DNV,2010.

[6] BS.BS 7910-2005 guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures[S].British:BS,2005.

(編輯：葉秋敏)

Technology of using underwater atmospheric pressure dry cofferdam for LF 7-2 jacket welding repair

Wang Huoping Mao Zhihao Liu Yiyong Chen Zaisheng Wang Qian

(ShenzhenBranchofCNOOCLtd.,Shenzhen,Guangdong518067,China)

Large cracks on the main legs of LF 7-2 jacket occurred at -10 m level due to the accidental loading from the failure of the topside float-over installation. In order to restore the jacket strength to original design level, study on a series of critical techniques, including the underwater atmospheric pressure dry cofferdam configuration, sealing, safety design and structural strength check were undertaken. An underwater atmospheric pressure dry cofferdam has been designed to create dry-welding environment for underwater cracks repair. Meanwhile, the jacket crack welding process in underwater atmospheric pressure dry cofferdam and post-repair structural reliability assessment were conducted. The field application proves that it is feasible to employ the underwater atmospheric pressure dry cofferdam for the large-crack welding repair above -10 m level. Compared with the hyperbaric habitat, it has some significant features such as easy for execution, no need for saturation diving, and shorter repair duration etc. This study can be applied as reference for future similar projects.

LF 7-2 jacket; main leg; underwater crack; underwater atmospheric pressure dry cofferdam; welding repair

王火平，男,工程師，2004年畢業(yè)于廣東海洋大學，獲學士學位，現(xiàn)主要從事深水張力腿平臺工程建設管理工作。地址：廣東省深圳市南山區(qū)蛇口金融中心9樓(郵編：518067)。E-mail:wanghp5@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)02-0134-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.02.018

TE951

A

2015-01-08 改回日期：2015-07-25

王火平,毛志豪,劉義勇，等.陸豐7-2導管架水下常壓干式艙焊接維修技術[J].中國海上油氣，2016,28(2)：134-138.

Wang Huoping,Mao Zhihao,Liu Yiyong,et al.Technology of using underwater atmospheric pressure dry cofferdam for LF 7-2 jacket welding repair[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(2):134-138.