深水海底管道受損修復(fù)關(guān)鍵設(shè)備的選擇與應(yīng)用

張曉健，陽連豐，甘惠良，劉玉強(qiáng)，白 冰

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

深水海底管道受損修復(fù)關(guān)鍵設(shè)備的選擇與應(yīng)用

張曉健，陽連豐，甘惠良，劉玉強(qiáng)，白 冰

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

以往在進(jìn)行深水海底管道修復(fù)時(shí)，先由潛水員使用電氧切割機(jī)對舊管道進(jìn)行切割，而后在舊管道端部開孔安裝銷軸，采用回收鋼纜進(jìn)行回收，其作業(yè)效率低下。選用鉆石線切割機(jī)、海底管道回收工具（PRT）進(jìn)行海底管道修復(fù)，可大大提高施工方案的可實(shí)施性。簡要介紹了傳統(tǒng)的受損海底管道切割回收方式，鉆石線切割機(jī)和PRT的結(jié)構(gòu)、工作原理和應(yīng)用情況；而后以南海某工程項(xiàng)目海底管道修復(fù)施工為例，重點(diǎn)論述了國內(nèi)首次使用鉆石線切割機(jī)和PRT修復(fù)受損深水海底管道的過程，并提出了一些注意事項(xiàng)及建議。

海底管道；修復(fù)；鉆石線切割機(jī)；PRT

近年來，隨著海洋油氣資源開發(fā)的不斷升溫，并逐步走向深水，海底管道施工面臨了諸多新的挑戰(zhàn)。目前，深水海底管道的鋪設(shè)技術(shù)及裝備已經(jīng)很成熟，國內(nèi)自主鋪設(shè)海底管道水深已經(jīng)超過1 500 m，但深水海底管道的受損修復(fù)技術(shù)及修復(fù)設(shè)備的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)尚有欠缺。隨著海底管道鋪設(shè)數(shù)量的日益增多，受損海底管道的數(shù)量也隨之升高[1]。海底管道在安裝階段發(fā)生濕式屈曲或在其他外力作用下發(fā)生損傷，其造成的損失是難以接受的。因此，必須采用高效、可靠的修復(fù)設(shè)備，快速地完成海底管道的修復(fù)。當(dāng)海底管道發(fā)生濕式屈曲或在外力作用下發(fā)生損傷時(shí)，首先要使用專用設(shè)備在水下切斷海底管道，并將切除的受損海底管道移至安全區(qū)域，再使用專用回收設(shè)備將海底管道回收至鋪管船作業(yè)線，而后重新鋪設(shè)海底管道。由此可見，深水海底管道受損修復(fù)施工的最關(guān)鍵步驟是海底管道的水下切割與重新回收，其中海底管道水下切割與回收設(shè)備的選擇應(yīng)用，在很大程度上決定了修復(fù)工程的成敗。本文以南海某油田開發(fā)項(xiàng)目海底管道修復(fù)為例，簡要介紹深水海底管道修復(fù)設(shè)備的選擇與應(yīng)用，以期對今后類似海底管道修復(fù)施工提供一定的經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 傳統(tǒng)海底受損管道切割回收方式

通常，海底管道水下切割是由潛水員使用電氧切割機(jī)進(jìn)行切割完成的，但此方法效率低下，尤其是對于雙層保溫海底管道，其切割耗時(shí)更長，并且受水深限制，無法在深水區(qū)域作業(yè)。此外，電氧切割后的斷口極不規(guī)則，且難以成型，見圖1，這種切口極不利于后續(xù)回收設(shè)備的應(yīng)用。在以往的工程實(shí)例中，海底管道回收是采用在管道端部開孔安裝銷軸后，連接回收鋼纜的方式進(jìn)行海底管道回收作業(yè)，但此種方法不僅作業(yè)效率低，而且還可能導(dǎo)致開孔后的海底管道端部在較大回收張力作用下發(fā)生撕裂，從而導(dǎo)致回收作業(yè)失敗。

鉆石線切割機(jī)和PRT（Pipeline Recovery Tool，管道回收工具）作為專門用于深水海底管道修復(fù)的“黃金搭檔”，因其安全、高效、使用便捷，越來越多地在世界范圍內(nèi)得到應(yīng)用，并且在國外已經(jīng)發(fā)展成熟。國內(nèi)則起步較晚，使用鉆石線切割機(jī)和PRT設(shè)備聯(lián)合作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)尚屬空白。

圖1 海底管道電氧切割后照片

2 海底管道修復(fù)設(shè)備的應(yīng)用情況

2.1 鉆石線切割機(jī)

海底管道水下切割行業(yè)內(nèi)常用的設(shè)備主要包括鉆石線切割機(jī)、閘刀式管鋸、爬管式坡口機(jī)、分瓣式切割機(jī)等幾種類型。其中閘刀式管鋸、爬管式坡口機(jī)和分瓣式切割機(jī)主要應(yīng)用于淺水區(qū)域，受作業(yè)水深限制而無法應(yīng)用到深水海底管道切割作業(yè)中。而鉆石線切割機(jī)是一套能夠切割多種管徑鋼管（可帶有鋼筋混凝土層等）的多功能切割作業(yè)系統(tǒng)。這種切割工具具有作業(yè)適應(yīng)范圍廣泛、安裝便捷、操作性好、作業(yè)時(shí)間短等特點(diǎn)，且可以使用ROV（水下機(jī)器人）進(jìn)行水下操作（作業(yè)水深可達(dá)3 000 m），因此被業(yè)內(nèi)認(rèn)可為深水海底管道修復(fù)的最關(guān)鍵設(shè)備?，F(xiàn)階段國內(nèi)外從事鉆石線切割機(jī)租賃和銷售的公司主要有英國的MIRAGE，美國的WACHS等。圖2為鉆石線切割機(jī)示意。

圖2 鉆石線切割機(jī)示意

本文主要以美國的WACHS鉆石線切割機(jī)為例，介紹其性能參數(shù)：

（1） 適用管徑：4～16 in（1 in=25.4 mm）、12～30 in。

（2）驅(qū)動方式：由ROV提供液壓動力源后，液壓自動夾持和液壓自動進(jìn)給。

（3）可切割的介質(zhì)：由碳鋼、合金鋼、不銹鋼等各種金屬材質(zhì)制成的單層海底管道和雙層海底管道，大尺寸導(dǎo)管架樁腿；更重要的是這種切割設(shè)備具備能夠同時(shí)整體切割鋼筋混凝土配重層、防腐層和海底管道的功能，基本不受被切割物材質(zhì)、形式、形狀的限制。

（4）操作控制方式：采用水下ROV安裝，水上遠(yuǎn)程控制，具有多個(gè)ROV控制接口。

（5）切割速度：0～1 500 r/min。

（6）最大作業(yè)水深：3 000 m。

最為關(guān)鍵的是，深水海底管道回收必須使用PRT，根據(jù)PRT使用要求，管道切割斷口處管口的垂直度偏差不能大于5°，如圖3所示。因此，傳統(tǒng)的電氧切割方式不滿足該技術(shù)要求，只能選用鉆石線切割機(jī)完成海底管道的水下切割。

圖3 PRT對管口尺寸的要求

2.2 海底管道回收工具PRT

現(xiàn)階段，國外從事PRT租賃和銷售的公司主要有英國的First Subsea、Balltec，荷蘭的RHC公司等，這些公司的PRT結(jié)構(gòu)形式基本類似，典型的PRT結(jié)構(gòu)如圖4所示。

PRT主要由主接入工具（軸套及承力鋼珠或楔塊）、可拆卸的機(jī)械吊臂、激發(fā)裝置等組成[2]。其工作原理是通過激發(fā)裝置（廠家提供）使PRT軸套收縮，鋼珠（或楔塊）脹起，實(shí)現(xiàn)與海底管道內(nèi)壁的充分接合，借助足夠大的摩擦力克服管道回收所產(chǎn)生的張力。鋼珠或楔塊能較為溫和地接觸管道內(nèi)壁，鋼珠或楔塊由于數(shù)量足夠多，克服了管道由于腐蝕或內(nèi)蠟沉積而引起的壁厚尺寸不均一的問題，達(dá)到了鋼珠既不會損壞管道內(nèi)壁，又解決了可能由于接觸不均勻而導(dǎo)致回收失敗問題的雙重目的。通常，不同廠家的PRT啟動方式有所不同，一般有液壓式和機(jī)械式兩種[2-3]。機(jī)械式通過掰動機(jī)械開關(guān)而使軸套收縮，從而達(dá)到分離狀態(tài)；液壓式需借助液壓動力站等設(shè)備對PRT軸套加壓，使其收縮，讓承力鋼珠自然處于分離狀態(tài)。當(dāng)PRT插入管道完成安裝就位后，ROV協(xié)助將PRT激發(fā)啟動，使軸套向外移動，承力鋼珠（或楔塊）脹起接觸海底管道內(nèi)壁完成結(jié)合，即工作狀態(tài)。然后，打開機(jī)械吊臂固定保險(xiǎn)銷拆除吊臂，即可進(jìn)行回收作業(yè)。需要說明的是機(jī)械吊臂上一般都有一組吊眼，主要用于吊裝PRT時(shí)的角度調(diào)整，以便順利地完成PRT安裝。

圖4 PRT結(jié)構(gòu)示意

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程項(xiàng)目概況

本工程項(xiàng)目所處位置平均工作水深約90～95 m，油田概況如圖5所示。

圖5 某油田布置示意（1 in=25.4 mm）

在導(dǎo)管架安裝預(yù)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，新鋪設(shè)兩條雙層混輸海底管道因受漁業(yè)捕撈影響而均發(fā)生較為嚴(yán)重的損壞，見圖6。其中一條海底管道在距離平臺側(cè)90 m處發(fā)生90°彎折，另一條10 in/14 in海底管道在距離平臺側(cè)142 m處發(fā)生彎折打結(jié)。經(jīng)建模計(jì)算分析，10 in/14 in海底管道修復(fù)長度為732 m，12 in/18 in海底管道修復(fù)長度為524 m。

圖6 受損海底管道照片

3.2 工程項(xiàng)目施工過程

本次海底管道修復(fù)工程涉及較多的施工資源鎖定、準(zhǔn)備及動員工作，在此不再進(jìn)行介紹。下面詳細(xì)介紹海底管道修復(fù)方案及鉆石線切割機(jī)和PRT在本次海底管道修復(fù)過程中的實(shí)際應(yīng)用。海底管道修復(fù)的主要施工方案如下：

（1）施工前對海底管道受損情況進(jìn)行ROV調(diào)查，確認(rèn)受損情況及切割位置。

（2）打開海底管道起始封頭和終止封頭上預(yù)裝的閥門，進(jìn)行自由注水，保證管道內(nèi)外壓力平衡。

（3）為便于鉆石線切割機(jī)安裝在確定的水下切割點(diǎn)位置，需進(jìn)行吸泥處理，鉆石線切割鋸安裝要求的吸泥范圍為800 mm×1 500 mm×600 mm，如圖7所示[4]。

（4）使用鉆石線切割機(jī)在確定的切割點(diǎn)位置對海底管道進(jìn)行水下切割，切割完成后將受損部分海底管道進(jìn)行拖拉移位，避免影響后續(xù)施工。圖8為鉆石線切割機(jī)水下切割照片，可以明顯看出管口切割后非常平整。

圖8 鉆石線切割機(jī)水下切割海底管道

（5）下放PRT至管端位置，通過移船和擺動吊機(jī)、潛水員水下拖拉牽引繩，使PRT端部進(jìn)入海底管道，隨后安裝吊帶和手拉葫蘆，通過收緊手拉葫蘆使PRT逐步完全進(jìn)入管道中。ROV打開啟動閥門將液壓油釋放，PRT軸套向外移動，承力鋼珠向外擴(kuò)張，鋼珠受力，此時(shí)PRT處于結(jié)合工作狀態(tài)，具備管道回收作業(yè)條件（另一種啟動方式為將快速接頭（hotstab）插入液壓容器接口處，通過液壓動力站給進(jìn)給管路加壓使PRT軸套伸張，鋼珠受力）。確認(rèn)PRT就位后拆除吊帶、手拉葫蘆及機(jī)械臂固定保險(xiǎn)銷等裝置。為便于PRT安裝，需要對海底管道端部進(jìn)行處理，可以采取吸泥處理或沙袋墊高的方法，可根據(jù)海底土壤情況靈活選用，如圖9～10所示。

圖9 管端區(qū)域預(yù)處理方法示意

圖10 PRT安裝示意

（6）鋪管船到達(dá)指定位置就位，下放A/R纜，ROV協(xié)助完成PRT尾端的浮球索具與A/R絞車掛鉤的連接，見圖11。之后按照施工程序和計(jì)算分析步驟進(jìn)行海底管道回收作業(yè)，回收過程中ROV需對PRT進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[4]。

圖11 A/R絞車鋼纜與PRT連接

（7）通過與PRT連接的A/R絞車鋼纜，將海底管道回收至鋪管船作業(yè)線，見圖12。而后完成張力轉(zhuǎn)換，依靠張緊器來提供海底管道回收張力。完成張力轉(zhuǎn)換后使用加壓設(shè)備對PRT進(jìn)行加壓，使PRT內(nèi)部承力鋼珠與海底管道內(nèi)壁分離，移除PRT。

（8）按照鋪管船工作站分工，開始清理海底管道外防腐涂層、陽極，進(jìn)行內(nèi)管、外管切割等工作。

圖12 PRT回收海底管道至作業(yè)線

（9）繼續(xù)按照施工程序進(jìn)行倒船、切割海底管道，回收至錨固件處，切除錨固件管后，使用新管材按照施工程序進(jìn)行海底管道正常鋪設(shè)。當(dāng)鋪設(shè)至設(shè)計(jì)的法蘭連接點(diǎn)（Tie-in點(diǎn)）時(shí)，按照程序終止鋪設(shè)作業(yè)。

在該項(xiàng)目海底管道修復(fù)作業(yè)中，同時(shí)用到了機(jī)械式（Balltec公司提供）和液壓式（First Subsea公司提供）兩種不同形式的PRT，并成功地將海底管道以濕式回收的方式回收至鋪管船作業(yè)線。該項(xiàng)目是國內(nèi)海洋石油工程界首次使用鉆石線切割機(jī)和PRT完成受損海底管道的修復(fù)，意義重大。在中國南海另一條海底管道修復(fù)施工過程中，使用First Subsea公司的PRT成功地將已服役20年的管徑28 in的混凝土配重海底管道回收至作業(yè)線。

4 幾點(diǎn)建議

深水海底管道的修復(fù)存在諸多風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，科學(xué)地選用深水海底管道修復(fù)設(shè)備，大大提高了施工方案的可實(shí)施性。該項(xiàng)目海底管道的成功修復(fù)，可作為一個(gè)典型案例，為今后進(jìn)行類似海底管道修復(fù)作業(yè)時(shí)關(guān)鍵設(shè)備的選取、應(yīng)用及施工方案的制訂提供一定的經(jīng)驗(yàn)借鑒。下面根據(jù)該項(xiàng)目海底管道修復(fù)設(shè)備的應(yīng)用及施工經(jīng)驗(yàn)提出一些建議。

（1）在選用鉆石線切割機(jī)時(shí)，要根據(jù)水深配備相應(yīng)的液壓管道，并核實(shí)鉆石線切割機(jī)管道接口與ROV接口形式是否匹配，如有必要，則提前制作匹配的轉(zhuǎn)換接頭以滿足連接要求。

（2）鉆石線的鋸條為易損、消耗件，要根據(jù)水下切割物的材質(zhì)、管徑、壁厚及海底管道管體結(jié)構(gòu)形式來核算切割工作量，以便考慮充足的鋸條數(shù)量，以免影響現(xiàn)場施工。

（3）海底管道水下切割位置要盡可能位于海底管道直線段部分，盡量遠(yuǎn)離打折、彎曲部分，以免因殘余應(yīng)力的存在，給切割及后續(xù)回收造成困難。

（4）PRT下水使用前要在甲板完成組裝、調(diào)試，如需水下進(jìn)行PRT激活，則應(yīng)提前確認(rèn)設(shè)備廠家是否提供液壓動力源，快速接頭軟管和ROV接口是否匹配。

（5）PRT安裝前必須采取對管端進(jìn)行墊高或?qū)芏酥車M(jìn)行吹坑等措施，使管頭與海床保持一定的高度，形成夾角，這樣不僅方便安裝，且可以避免泥沙進(jìn)入PRT，否則一旦泥沙進(jìn)入PRT，則須重新回收至甲板清洗、調(diào)試后方能再次使用。

（6）在使用鉆石線切割機(jī)、PRT進(jìn)行水下安裝、作業(yè)時(shí)，需要使用兩臺ROV，一臺進(jìn)行操作，另一臺作為觀察指導(dǎo)操作使用。

5 結(jié)束語

隨著海底管道受損事件的日益增多，安全高效地進(jìn)行海底管道修復(fù)是必須面對的問題，高效、可靠的修復(fù)設(shè)備關(guān)系到整個(gè)修復(fù)作業(yè)的成敗。但目前關(guān)鍵設(shè)備尚依賴進(jìn)口，國外公司出于技術(shù)保密的考慮，像PRT這樣的設(shè)備是只租不賣。而且，這種關(guān)鍵設(shè)備的進(jìn)口和租賃需要花較長的時(shí)間和高昂的費(fèi)用，在造成工程費(fèi)用增加的同時(shí)，在突發(fā)緊急情況下修復(fù)作業(yè)又會受到延誤。所以，為提高國內(nèi)在深水海底管道領(lǐng)域的施工能力，縮小同國外公司的差距，擺脫國外公司的壟斷和限制，關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化是大勢所趨，這需要業(yè)界同仁們共同的努力。

[1]魏中格，齊雅茹，劉鴻升，等.海底管道維修技術(shù)[J].石油工程建設(shè)，2002，28（4）：30-32.

[2]Balltec.Pipeline solutions for oil，gas&renewable projects worldwide[DB/OL].http://www.balltec.com/balltec-products/balltec-products-pipelok，2016-2-1/2017-5-19.

[3]First Subsea.Pipeline recovery toolgallery[DB/OL].http://www.firstsubsea.com/products/prt/image-gallery.html，2016-2-1/2017-5-19.

[4]陽連豐，張曉健.濕式回收技術(shù)在海底管道受損修復(fù)過程中的應(yīng)用[J].海洋工程裝備與技術(shù)，2016，3（4）：217-221.

Selection and application of key equipment in damaged subsea pipeline repairing

ZHANG Xiaojian，YANG Lianfeng，GAN Huiliang，LIU Yuqiang，BAIBing
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300461，China

In traditional deepwater subsea pipeline repairing，the diver uses an electric oxygen cutting machine to cut old pipeline，then drills holes in the cut pipeline end to install a pivot pin and a steel cable to retrieve the pipeline.This method has low working efficiency.The new method of selecting a diamond wire cutting machine and a pipeline recovery tool（PRT） to repair subsea pipeline can greatly improve the feasibility of pipeline repairing.This paper introduces the traditional damaged subsea pipeline repairing method briefly，as well as the structure，working principle and application of diamond wire cutting machine and PRT，discusses in detail the first application of the new repairing method in a pipeline repairing project in the South China Sea，then puts forward some relevant suggestions.

subsea pipeline；repair；diamond wire cutting machine；PRT

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.007

張曉?。?986-），男，河北唐山人，工程師，2009年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院金屬材料工程專業(yè)，主要從事海洋石油工程項(xiàng)目管理工作。Email：zhangxj1@mail.cooec.com.cn

2017-07-12