深水管節(jié)沉放施工水下可更換穿艙密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

周相榮

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

海底隧道建設(shè)過程中，各段深水沉管必須實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)接[1-2]，因水下安裝全程無人控制，一體船控制中心和水下沉管間必須建立可靠有效的電力和通訊聯(lián)系[3]，通過電力纜和通訊纜將一體船控制裝置與沉管內(nèi)執(zhí)行設(shè)備，如壓載泵及各類傳感器搭接貫通，為其提供動(dòng)力和信號(hào)傳輸路由。深水沉管安裝過程中，為保證電力和通訊在沉管中的正常供應(yīng)，通常需要在沉管壁上安裝1 個(gè)水密的穿艙件，電纜和光纜可以從沉管外部一直穿入到沉管內(nèi)部。目前，國內(nèi)外對(duì)于穿艙密封系統(tǒng)及其性能研究較多，如張磊等[4]對(duì)灌封膠密封、玻璃焊料密封、金屬化焊接密封、O 形橡膠密封圈密封等不同密封技術(shù)的特點(diǎn)及適用性進(jìn)行了對(duì)比，找出了適合高壓力差場穿艙連接器密封技術(shù)；胡德芳等[5]提出了一種對(duì)稱的密封穿艙技術(shù)，并用ANSYS 軟件分析了其密封性能；呂巖松[6]提出了一種采用電纜杯形管節(jié)進(jìn)行穿艙密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；邱金水等[7]利用填料函進(jìn)行穿艙電纜的密封設(shè)計(jì)，并對(duì)填料進(jìn)行了有限元受力分析，選出了最優(yōu)的填料模式。但目前國內(nèi)外對(duì)于穿艙件受損后水下更換的技術(shù)研究較少。由于深水沉管安裝及后續(xù)運(yùn)營過程中受到海壓、海流、海風(fēng)等外部條件的影響，穿艙設(shè)備容易出現(xiàn)問題，此時(shí)，需要在水下對(duì)穿艙件進(jìn)行更換[8]。但由于沉管內(nèi)外壓力差較大，水下更換非常困難[9]。針對(duì)以上問題，本研究設(shè)計(jì)了一套深水管節(jié)沉放施工水下可更換穿艙密封系統(tǒng)，此系統(tǒng)使水下穿艙連接器更換更方便，并確保在復(fù)雜海況條件下水下沉管安裝時(shí)的電力供應(yīng)和通訊聯(lián)系。

1 深水沉管穿艙密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)原理

深水沉管穿艙系統(tǒng)通常安裝在沉管端封門上，施工時(shí)由于深海水壓的影響，端封門內(nèi)外一般存在較大的壓力差。傳統(tǒng)穿艙系統(tǒng)在水下更換時(shí)存在以下問題：1） 穿艙件內(nèi)外壓力差較大，潛水員很難拆下穿艙件；2） 穿艙系統(tǒng)水下拆除后，海水會(huì)涌入沉管。本系統(tǒng)解決方法：1） 在沉管內(nèi)設(shè)置密封腔，并在密封腔上加設(shè)泄壓閥和壓力泵接口。拆卸穿艙件時(shí)，由壓力泵對(duì)沉管內(nèi)密封腔加壓，使內(nèi)外壓力平衡，方便潛水員拆卸穿艙件。2） 在沉管內(nèi)部穿艙件一端設(shè)置密封堵頭，如穿艙件發(fā)生損壞，可先在沉管內(nèi)部利用密封堵頭封堵，然后進(jìn)行穿艙件拆卸更換，可防止海水進(jìn)入沉管。

1.2 系統(tǒng)組成

可更換水下穿艙密封系統(tǒng)是由焊接法蘭、穿艙組件、水密1 區(qū)、臍帶纜、水密2 區(qū)、干式連接器、密封圈、密封堵頭、連接器密封堵頭、壓力表、泄壓閥、球閥、壓力泵等組成，如圖1 所示。水下穿艙密封系統(tǒng)殼體由焊接法蘭固定在端封門上，焊接法蘭與穿艙組件通過連接螺栓固定，臍帶纜與干式連接器相連，并在干式連接器端與連接器密封堵頭固定在一起。水密1 區(qū)和水密2區(qū)套在臍帶纜外面。各連接處都采用O 形橡膠密封圈密封，臍帶纜、密封1 區(qū)、穿艙組件、連接器密封堵頭間采用專用密封膠密封，使其連接為一個(gè)固定的整體。在密封腔上安裝有泄壓閥。泄壓閥的主要作用是平衡連接器密封堵頭內(nèi)外的壓力，使?jié)撍畣T在深水壓力下能夠方便地拆下穿艙組件。

圖1 深水沉管穿艙密封系統(tǒng)圖Fig.1 Deepwaterimmersedtubepenetrationsealingsystem

1.3 系統(tǒng)優(yōu)勢

1） 密封可靠。系統(tǒng)通過專用密封膠、O 形橡膠密封圈等實(shí)現(xiàn)可靠的密封。水下穿艙件與電纜通過樹脂粘合劑、聚氨酯冷填充劑、夾緊塊等進(jìn)行水密和承重處理，以保證深水密封和承重要求。

2） 水下更換方便。設(shè)備損壞時(shí)可以很方便地進(jìn)行水下更換，更換時(shí)間可控制在20 min 以內(nèi)。

1.4 系統(tǒng)水下更換流程

如果水下沉管安裝過程中穿艙系統(tǒng)發(fā)生損毀，水下更換流程如下：

1） 端封門內(nèi)部先行安裝連接器密封堵頭，確保施工過程中水不會(huì)進(jìn)入沉管內(nèi)部。

2） 在沉管內(nèi)部安裝密封腔，該密封腔受力校核耐水壓等級(jí)為0.1 MPa。

3） 關(guān)閉密封腔泄壓閥，由壓力泵對(duì)沉管內(nèi)密封腔加壓，使內(nèi)外壓力平衡或壓力略高于同位置端封門外部水壓。

4） 潛水員在端封門外部通過起頂螺釘取下臍帶纜穿艙組件，穿艙電纜組件拆下后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 穿艙電纜組件拆下后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the system structure after removing the cable assembly

5） 潛水員水下安裝新電纜穿艙連接器。安裝時(shí)，通過泄壓閥將內(nèi)部壓力釋放，潛水員借助外部水壓將穿艙件推進(jìn)到位，并擰緊螺釘。

6） 新的穿艙組件安裝成功后，取下密封腔，連接沉管內(nèi)部線路，完成更換過程。

2 深中通道深水管節(jié)可更換穿艙密封系統(tǒng)

2.1 工程概況

深中通道是我國“十三五”期間確定的重大工程，是世界級(jí)的“橋、島、隧、地下互通”集群工程。其中，隧道部分由32 節(jié)深水沉管組成，全長5 035 m，是世界上最長的水下鋼殼混凝土隧道。

深中通道沉管安裝時(shí)，拖運(yùn)沉管的浮運(yùn)一體船與沉管之間通過水下臍帶纜穿艙組件建立電力供應(yīng)和通訊聯(lián)系。沉管安裝的關(guān)鍵一環(huán)是壓載水系統(tǒng)，由壓載水控制系統(tǒng)和管內(nèi)壓載水管系統(tǒng)組成[10]。其中，壓載水控制系統(tǒng)包括浮運(yùn)一體船控制中心和沉管內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)兩大部分，是保證壓載水系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵[11]。沉管內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)兩部分。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括視頻攝像機(jī)、照明設(shè)備等，用于觀測端封門、閥門驅(qū)動(dòng)頭指示器、壓載水箱的水尺等；傳感器系統(tǒng)主要包括水箱液位傳感器、漏水傳感器、進(jìn)出口和對(duì)接腔的壓力傳感器等，主要用于監(jiān)測沉管安裝時(shí)壓載水系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)深水管節(jié)沉放施工水下可更換穿艙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)深中通道深水管節(jié)沉放施工水下可更換穿艙密封系統(tǒng)如圖3 所示。深中通道深水管節(jié)水下可更換穿艙密封系統(tǒng)主要由焊接法蘭、穿艙組件、動(dòng)力連接器、臍帶纜、O 形橡膠密封圈、密封腔、連接器密封堵頭、壓力表、泄壓閥、球閥、壓力泵等組成，其中動(dòng)力連接器由3 組動(dòng)力線組成，將臍帶纜提供的電力傳輸?shù)? 個(gè)不同的動(dòng)力插座。整個(gè)穿艙密封裝置間采用專用密封膠密封，增加其水密性。

圖3 深中通道深水管節(jié)可更換穿艙密封系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of replaceable penetration sealing system for deep-water immersed tube in the Shenzhen-Zhongshan Link

2.3 系統(tǒng)指標(biāo)

深水管節(jié)沉放施工水下可更換穿艙密封系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 深中通道深水管節(jié)水下可更換穿艙密封系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical index of underwater replaceable penetration sealing system for deep-water immersed tube in the Shenzhen-Zhongshan Link

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

深水管節(jié)沉放施工水下可更換穿艙密封系統(tǒng)的密封試驗(yàn)，主要包括焊接法蘭和穿艙組件的水密性試驗(yàn)、成套電纜水密穿艙組件的水密性試驗(yàn)、端封門內(nèi)側(cè)密封腔的密封特性試驗(yàn)。本試驗(yàn)嚴(yán)格按照GB/T 4208—2017《外殼防護(hù)等級(jí)（IP 代碼）》相關(guān)要求進(jìn)行。

3.1 焊接法蘭與穿艙組件的水密性試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證焊接法蘭和穿艙組件滿足100 m 水深壓力水密要求。

制備外徑200 mm，高度500 mm 的壓力艙，壓力艙耐壓5 MPa。把密封法蘭和壓力艙裝配好，放入壓力釜，壓力艙內(nèi)壁上事先涂抹無水硫酸銅。壓力釜緩慢加壓至3 MPa，加壓時(shí)間控制在10 min 左右，保壓2 h 后，壓力釜緩慢釋放壓力，釋壓時(shí)間也控制在10 min 左右。常壓后打開密封法蘭，觀察壓力艙內(nèi)部。結(jié)果表明，壓力艙內(nèi)部無水存積、無水硫酸銅無變色現(xiàn)象，焊接法蘭和穿艙組件滿足100 m 水深壓力下的水密性要求。

3.2 成套電纜水密穿艙組件密封測試

試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證成套電纜水密穿艙組件滿足100 m 水深壓力水密要求。

事先在壓力艙內(nèi)部涂抹無水硫酸銅，將安裝好的成套電纜水密穿艙組件放入壓力釜內(nèi)，如圖4 所示。對(duì)壓力釜加壓，壓力緩慢升至試驗(yàn)壓力3 MPa 后，穩(wěn)壓6 h，試驗(yàn)結(jié)束后打開壓力艙端蓋進(jìn)行檢查。試驗(yàn)結(jié)果：壓力艙內(nèi)部無水存積、無水硫酸銅無變色現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)論：成套電纜水密穿艙組件滿足100 m 水深壓力下的水密要求。

圖4 成套電纜水密穿艙組件密封測試示意圖Fig.4 Seal test diagram of complete set of cable watertight penetration chamber assembly

3.3 端封門內(nèi)側(cè)密封腔的密封特性試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證端封門內(nèi)側(cè)密封腔滿足100 m 水深壓力水密要求。

試驗(yàn)原理見圖5，去掉縱向水密纜尾部的水密堵頭，采用對(duì)密封艙內(nèi)部加壓測漏方式，向耐壓艙內(nèi)部緩慢加壓至1 MPa，穩(wěn)壓2 h，試驗(yàn)結(jié)束后，打開耐壓艙蓋，觀察內(nèi)部情況。結(jié)果表明，端封門內(nèi)側(cè)密封腔滿足100 m 水深壓力水密要求。

圖5 密封腔水密性測試圖Fig.5 Water tightness test of sealing chamber

4 應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)

本系統(tǒng)應(yīng)用于深中通道沉管隧道E3 和E5 管節(jié)沉放施工過程中。由于海況條件和臍帶纜的晃動(dòng)，在E3 和E5 管節(jié)施工時(shí)穿艙件受損，導(dǎo)致沉管內(nèi)電力和通訊中斷，需要更換穿艙件。

施工人員進(jìn)入沉管，在端封門內(nèi)部安裝密封腔，確保更換過程中海水不會(huì)通過端封門穿艙孔進(jìn)入沉管內(nèi)部。首先關(guān)閉泄壓閥，然后利用壓力泵對(duì)密封腔進(jìn)行加壓，使連接器密封堵頭內(nèi)部壓力比端封門外部水壓略高，以方便潛水員水下更換。潛水員下潛更換時(shí)，首先在端封門外部通過起頂螺釘取下組合纜穿艙電纜組件，然后在水下調(diào)直穿艙件頭部對(duì)準(zhǔn)焊接法蘭孔，并清理O 形橡膠密封圈安裝孔，確保附近水質(zhì)干凈、無雜質(zhì)。安裝新的電纜穿艙件時(shí)，沉管內(nèi)部施工人員先利用泄壓閥將內(nèi)部水壓釋放，潛水員借助外部水壓將穿艙件推進(jìn)到位。新的穿艙組件安裝成功后，沉管內(nèi)部施工人員取下密封腔，連接沉管內(nèi)部線路，完成更換過程。

深中通道沉管隧道在E3 和E5 管節(jié)沉放施工過程中的水下穿艙件更換時(shí)，更換過程方便快捷、安全可靠，均在20 min 內(nèi)完成更換，且更換過程中沒有海水進(jìn)入沉管，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可靠性和便捷性，確保了深中通道管節(jié)沉放施工順利進(jìn)行。

5 結(jié)語

本文針對(duì)深水管節(jié)沉放施工過程中沉管穿艙件密封及更換的需要，設(shè)計(jì)了一種深水管節(jié)沉放施工水下可更換穿艙密封系統(tǒng)。本套穿艙密封系統(tǒng)采用了多種裝置滿足系統(tǒng)水密的要求，同時(shí)采用艙內(nèi)壓力控制裝置平衡沉管內(nèi)外的壓力，保證穿艙件在需要時(shí)可方便更換。本套系統(tǒng)設(shè)置端封門內(nèi)密封腔，可避免穿艙件更換時(shí)沉管進(jìn)水。本套系統(tǒng)在深中通道沉管安裝過程中進(jìn)行了應(yīng)用，不僅驗(yàn)證了其可靠性和便捷性，并且試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可滿足更大水深、更復(fù)雜海況的施工要求。