大型較深水導(dǎo)管架封隔器結(jié)構(gòu)設(shè)計和制作工藝

李懷亮 李新超 孫建幫 馬美琴

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451； 2.衡橡科技股份有限公司，河北 衡水 053000)

樁基固定式導(dǎo)管架建造時，導(dǎo)管架與鋼樁間的連接多采用栓接、水泥漿段連接等多種形式。隨著導(dǎo)管架向著多元化、綜合化、深水化的發(fā)展，水泥漿段連接方式優(yōu)勢愈加明顯，封隔器的密封水泥漿的能力，已逐漸成為影響深水導(dǎo)管架安裝成敗的核心因素。目前，國內(nèi)導(dǎo)管架安裝采用的封隔器主要為被動式封隔器和主動式封隔器兩種，深水導(dǎo)管架均使用主動式封隔器。但國內(nèi)尚無廠家對主動式封隔器進行設(shè)計、制作，國內(nèi)使用的主動式封隔器全部依賴進口。本文針對主動式封隔器的外形結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、制作工藝等進行了研究和探討，希望能為國內(nèi)該種產(chǎn)品的獨立設(shè)計制作積累經(jīng)驗。

1 大型深水導(dǎo)管架封隔器

目前，國內(nèi)外大型深水導(dǎo)管所使用的封隔器均為主動式封隔器。主動式封隔器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為一個被安裝在裙樁套筒內(nèi)部底部的可膨脹的復(fù)合囊體，通過向其內(nèi)部充入氣體或液體使其膨脹，復(fù)合囊體將擠滿裙樁套筒和鋼樁間的間隙，從而使得其上部的水泥漿不會流入海底。

1.1 常用主動式封隔器的結(jié)構(gòu)

封隔器包括：復(fù)合囊體、氣嘴和閥塊、壓緊結(jié)構(gòu)、充壓管線、單向閥、ROV備用結(jié)構(gòu)、其他附屬結(jié)構(gòu)等。主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 封隔器的使用工況

在建造場地時，未鼓起的復(fù)合囊體被焊接在導(dǎo)管架裙樁套筒內(nèi)壁底部的壓緊結(jié)構(gòu)固定，復(fù)合囊體下部安裝有擋泥環(huán)。導(dǎo)管架安裝時，封隔器處于海底，鋼樁穿過其內(nèi)部被打入海底；灌漿前，安裝在導(dǎo)管架頂部的充壓裝置，將海水、氮氣等通過管線沖入復(fù)合囊體內(nèi)部使其鼓起，復(fù)合囊體與鋼樁表面的摩擦力和壓板對復(fù)合囊體的拉力二者共同作用，使得封隔器可以支撐住其上部的水泥漿重量。

封隔器的設(shè)計充入壓力，根據(jù)封隔器所處的水深、上部水泥漿重量、復(fù)合囊體與鋼樁表面摩擦系數(shù)等眾多因素共同決定。一般的，封隔器的所處位置越深、上部水泥漿高度越大，復(fù)合囊體的設(shè)計充入壓力越大。

目前國內(nèi)設(shè)計施工的較深水導(dǎo)管架設(shè)計水深正逐漸趨近于300 m，灌注水泥漿的高度可達30 m。以海水密度1.05 g/cm3水、泥漿密度1.92 g/cm3對封隔器所受外部壓力進行初步估算，海水壓力和水泥漿重力對封隔器的壓力可高達6 MPa～7 MPa。

1.3 封隔器各部件功能

封隔器主體結(jié)構(gòu)和核心部件為復(fù)合囊體。氣嘴、管線、充壓裝置等為鼓起的復(fù)合囊體提供內(nèi)壓；爆破片、單向閥等防止復(fù)合囊體內(nèi)壓力的降低；ROV備用管線等為管線破損的意外工況提供便利。因此，復(fù)合囊體的密封性能、可靠程度是封隔器功能實現(xiàn)的最關(guān)鍵因素。

2 復(fù)合囊體設(shè)計

復(fù)合囊體的結(jié)構(gòu)本質(zhì)是一個可以通過充水、充氣而膨脹的囊。值得一提的是，車輛內(nèi)胎、橡膠氣囊、氣球等均是初級理論結(jié)構(gòu)參考模型。經(jīng)過強度計算和材料的優(yōu)選，我們將復(fù)合囊體優(yōu)化為如圖2所示的由高彈性密封內(nèi)膽、骨架支撐層、抗破損外層、固定端等四部分組成的高分子復(fù)合筒體。

2.1 高彈性密封內(nèi)膽

高彈性的密封內(nèi)膽是用于密封充入封隔器內(nèi)部的氣體、海水等介質(zhì)的彈性體層。該層具有良好的拉伸性能、密封性能，當(dāng)海水或氣體沖入該層內(nèi)部時，該層可以充壓脹大。

理論上，僅高彈性密封內(nèi)膽即可使封隔器實現(xiàn)功能，但海底工況復(fù)雜，內(nèi)膽的內(nèi)部壓力或高達6 MPa，我們常見的密封較好的橡膠材料在6 MPa拉伸應(yīng)力時，應(yīng)變或?qū)⑦_到150%，產(chǎn)品整體被拉伸膨脹，抗破損能力很差。

2.2 骨架支撐層

骨架支撐層設(shè)計要考慮到封隔器的使用實際工況。灌漿前，封隔器應(yīng)一直處于縮扁狀態(tài)，且封隔器厚度不得大于導(dǎo)向板厚度，以保證下落的鋼樁不會刺破“待命”狀態(tài)的封隔器。打樁完成灌漿前，密封內(nèi)膽充壓鼓起，將骨架支撐層由扁型撐起成橢圓形。

設(shè)置骨架支撐層的目的是限制高彈性密封內(nèi)膽充壓狀態(tài)下的擴張，提高復(fù)合囊體的剛度和挺性，是復(fù)合囊體充壓后的主要受力層。支撐層所用到的骨架材質(zhì)有很多，可以為金屬板材、簾子布、高分子板材或其他滿足強度要求的材料或結(jié)構(gòu)。但值得注明的是，封隔器需進行多次生產(chǎn)廠內(nèi)實驗、建造場地密封檢驗，這就要求骨架層具有易復(fù)原的特性。

2.3 抗破損外層

抗破損外層設(shè)置的目的是為復(fù)合囊體提供保護。保證在生產(chǎn)、存放、運輸、實驗、落樁、灌漿過程中，骨架支撐層不會被腐蝕、劃傷、刺破、燙傷、污染等。同時，抗破損外層是封隔器與鋼管樁的接觸面，它還承擔(dān)著密封該接觸面的作用，因此抗破損外層首選的是橡膠材質(zhì)。

2.4 固定端

壓緊裝置是將復(fù)合囊體上的滑移固定端壓緊、固定、限位在裙樁套筒內(nèi)壁的裝置。固定端是復(fù)合囊體與壓緊裝置間的傳力機構(gòu)，其自身的結(jié)構(gòu)強度及與復(fù)合囊體的連接強度是固定端設(shè)計關(guān)鍵。同樣的，固定端也應(yīng)具備柔性、易恢復(fù)的特性，以便于在陸地試驗后封隔器的復(fù)原。

3 復(fù)合囊體的制作工藝

組成復(fù)合囊體的高彈性密封內(nèi)膽、骨架支撐層、抗破損外層、固定端等四部分的功能各不相同，其材質(zhì)、尺寸、形狀、制作工藝也各有不同。材質(zhì)是影響復(fù)合囊體制作工藝的關(guān)鍵因素。

3.1 復(fù)合囊體的彈性體選材

天然橡膠具有優(yōu)良的綜合性能，在常溫狀態(tài)就有很好的彈性和抗撕裂性能，其恢復(fù)能力優(yōu)異。通過防老化體系的加入，天然橡膠的使用壽命可達數(shù)十年，耐海水腐蝕性能也能滿足封隔器在海水中短期浸泡的需求。我們將天然橡膠作為抗破損外層的首選材料。

值得一提的是，天然橡膠上的不飽和雙鍵使它能與鋼板、鋁板、人造絲、尼龍、鋼絲等都有良好粘結(jié)效果。若需要將骨架支撐層與抗破損外層連接固定在一起，天然橡膠是良好的“粘結(jié)劑”。

丁基橡膠氣密性好，常被用作內(nèi)胎、水胎、氣球、化工襯里等部件。但彈性較差，粘著性差，若用于制作高彈性密封內(nèi)膽，骨架支撐層對其的限位功能應(yīng)做重點考慮。

聚氨酯的拉伸強度高、伸長率大，氣密性優(yōu)異，并且有著優(yōu)異的可加工性能和粘結(jié)性能。聚氨酯的加入，人工涂刷、真空導(dǎo)入等工藝的使用，或可使復(fù)合囊體一次性成型變得相對簡易。

3.2 復(fù)合囊體的骨架選材

骨架的選擇是材料選型的重要部分，材料強度、可加工性、柔性、可恢復(fù)性等都將限制材料的選取。

首先是金屬板材，經(jīng)過計算和試制試驗，金屬的板材或是剛度太大無法加工、或強度太低。隨即我們考慮到金屬編織網(wǎng)類，將金屬絲進行編織，是可以滿足需求的。但對比進口同類產(chǎn)品，金屬網(wǎng)類挺性較大，重量較高，不易安裝和使用。高分子骨架，例如人造絲、尼龍、滌綸、芳綸、腈綸等可契合復(fù)合囊體的骨架。我們通過將尼龍等材質(zhì)制作成簾布、編織成網(wǎng)套及各種編織布，生產(chǎn)出了強度高且柔性好易加工的骨架支撐層。

碳纖維作為強度和模量最高的工程材料，是優(yōu)異的骨架制作材料。

3.3 一次成型工藝

一次成型即將復(fù)合囊體各層一次性制作完成，一次成型工藝的優(yōu)勢在于各層之間貼合緊密，產(chǎn)品尺寸控制精準，制作周期相對較短。一次成型過程中，若能將復(fù)合囊體各層全部良好的粘結(jié)為一個整體，實現(xiàn)在封隔器充壓脹大過程中，各層統(tǒng)一發(fā)生變形，封隔器承壓能力將達到最優(yōu)。因為此種工藝，制作過程中實現(xiàn)了內(nèi)膽和骨架的完美貼合，可以完全避免內(nèi)膽在脹大不均勻工況時，內(nèi)膽無法良好的撐起骨架的工況，又可保證各層間不會因尺寸偏差而形成不可接受的間隙。但是一次成型工藝在制作過程中對選材和工藝有極高的要求。內(nèi)膽與骨架、骨架與外層、外層與固定端間的粘結(jié)將是很大的挑戰(zhàn)，良好的基材、合適的粘合劑是必不可少的。而且因一次成型，內(nèi)膽成型時的狀態(tài)難以直觀的看到，厚度均勻、致密度高、硫化完全的內(nèi)膽是封隔器充壓鼓起的基礎(chǔ)條件。在一次成型的制作過程中，蒸汽硫化、模壓硫化均是可行的；手工鋪設(shè)、擠出成型、纏繞成型、真空導(dǎo)入成型等制作方案可根據(jù)骨架的形式進行合理的選取。

3.4 多次成型工藝

多次成型與一次成型是相對的，多次成型即是將各層進行分別的制作而后進行組裝。多次成型無需考慮各層成型時的工藝沖突，可針對性的進行各層制作工藝的設(shè)計，保證各層達到最優(yōu)的制作形態(tài)。

4 結(jié)語

封隔器作為導(dǎo)管架的關(guān)鍵部件之一，對海洋大型較深水導(dǎo)管架的安裝有很重要的意義。單純依賴進口產(chǎn)品，無法對封隔器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料選擇、生產(chǎn)工藝等進行系統(tǒng)化的設(shè)計和研究，勢必將會成為我國導(dǎo)管架向著深水化、大型化方向發(fā)展的阻礙因子。因此，本文首先對現(xiàn)有封隔器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了了解，在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝研究進行分析和探討，希望能夠為今后我國大型深海導(dǎo)管架用封隔器的設(shè)計和制作提供參考。