小型船舶與裝備在海管機(jī)械管卡修復(fù)技術(shù)中的應(yīng)用研究

周 波* 白 寧 楊 乾 陳立國(guó)

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

隨著在役海底管線日益增多，管線內(nèi)外腐蝕導(dǎo)致的管線泄漏情況不斷增加。例如，2012年渤海某管線完成了內(nèi)檢測(cè)評(píng)估后發(fā)現(xiàn)，6處缺陷腐蝕深度超過(guò)60%,發(fā)現(xiàn)腐蝕缺陷并提前進(jìn)行維修處理不僅能有效防止油氣泄漏導(dǎo)致的海洋環(huán)境污染，而且能大大降低油氣泄漏帶來(lái)的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于海管無(wú)明顯變形的情況，通常采用機(jī)械管卡修復(fù)方式來(lái)完成修復(fù)工作[1]，機(jī)械管卡修復(fù)方式程序簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，但這種修復(fù)方式通常需要使用大型船舶和裝備，不僅占用了大量資源，而且施工成本較高。

1 機(jī)械管卡修復(fù)技術(shù)

1.1 工作原理及結(jié)構(gòu)

海管機(jī)械管卡的密封原理是兩條環(huán)形膠條和兩條軸向橡膠條在兩瓣半圓形鋼制腔體的擠壓下形成環(huán)形密封腔，將海管泄漏點(diǎn)包裹在環(huán)形密封腔內(nèi)，如圖1所示[2]。根據(jù)閉合方式不同，機(jī)械管卡可分為液壓驅(qū)動(dòng)閉合和無(wú)液壓驅(qū)動(dòng)閉合兩種類型，國(guó)產(chǎn)卡具多采用無(wú)液壓驅(qū)動(dòng)閉合方式，國(guó)外進(jìn)口卡具多采用液壓驅(qū)動(dòng)閉合方式。由于進(jìn)口卡具供貨周期長(zhǎng)，且價(jià)格昂貴，并不適用于海管應(yīng)急搶修項(xiàng)目[3]，因此，在國(guó)內(nèi)的海管維搶修項(xiàng)目中，無(wú)液壓驅(qū)動(dòng)閉合方式的機(jī)械管卡較為常用。

圖1 海管機(jī)械管卡

1.2 機(jī)械管卡修復(fù)程序

機(jī)械管卡修復(fù)程序如下：（1）作業(yè)基坑開(kāi)挖，管線暴露；（2）管線水泥配重層、防腐層清理；（3）管線圓度測(cè)量；（4）機(jī)械管卡水下安裝；（5）氣密性試驗(yàn)；（6）裸露海管防腐處理；（7）砂袋回填[4]。

2 傳統(tǒng)施工方式

2.1 施工設(shè)備選擇

機(jī)械管卡修復(fù)需要的主要施工設(shè)備有挖溝機(jī)、高壓水涂層清理設(shè)備、潛水設(shè)備和試壓設(shè)備。傳統(tǒng)施工方法選用的挖溝機(jī)體積大，船舶甲板需求面積大，而且由于大型挖溝機(jī)質(zhì)量較大，對(duì)船舶吊裝能力也有較高要求，通常要求船舶吊裝能力不小于150 t。表1為各類設(shè)備甲板面積需求情況。

表1 設(shè)備甲板面積需求情況

2.2 機(jī)械管卡安裝方法

傳統(tǒng)機(jī)械管卡安裝方法是在完成作業(yè)基坑開(kāi)挖海管水泥配重層和防腐層清理工作后，選擇一個(gè)合適的天氣窗口，使用吊機(jī)和倒鏈相互配合吊裝機(jī)械管卡下水，在潛水員的引導(dǎo)下到達(dá)海管的安裝位置，潛水員使用倒鏈將機(jī)械管卡閉合，使用液壓拉伸器或者液壓扳手將機(jī)械管卡螺栓緊固，完成機(jī)械管卡的水下安裝工作，如圖2所示。

圖2 機(jī)械管卡傳統(tǒng)安裝

2.3 傳統(tǒng)安裝方式的難點(diǎn)

（1）大型船舶和挖溝機(jī)設(shè)備鎖定困難，前期準(zhǔn)備工作時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于海管應(yīng)急搶修類項(xiàng)目響應(yīng)速度慢、修復(fù)成本高。

（2）大型船舶無(wú)法在極淺水域施工。

（3）機(jī)械管卡對(duì)船舶穩(wěn)定性和潛水員操作熟練度要求高，若在一個(gè)天氣窗口或平潮時(shí)段內(nèi)完不成安裝工作，需將機(jī)械管卡回收，等待下一個(gè)天氣窗口或平潮時(shí)段再重新安裝。

（4）機(jī)械管卡在閉合過(guò)程中常因合攏角度逐漸縮小使得膠條擠壓受力不均勻而造成密封膠條被擠出，最終導(dǎo)致卡具密封失效，出現(xiàn)安裝失敗的情況。

3 新型施工工藝

根據(jù)海管應(yīng)急搶修的經(jīng)驗(yàn)，海管一旦泄漏或者施工區(qū)域?yàn)闃O淺水域時(shí)，大型船舶資源無(wú)法快速鎖定，并且也無(wú)法進(jìn)入極淺的水域內(nèi)施工，耽誤海管修復(fù)施工，造成更大損失。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，小型浮吊船舶（吊裝能力＜100 t）數(shù)量眾多，通過(guò)研究選用幾種小型設(shè)備資源來(lái)代替大型裝備，降低裝備對(duì)船舶甲板使用面積和吊機(jī)能力的需求，從而使小型浮吊船能夠滿足海管機(jī)械管卡修復(fù)作業(yè)的要求。

3.1 小型施工裝備選擇

（1）定點(diǎn)開(kāi)挖類設(shè)備

海管機(jī)械管卡修復(fù)方式對(duì)作業(yè)基坑的面積要求為5 m×3 m，深度為2～2.5 m，在管線位置已經(jīng)確定的情況下，吸泥管、吸泥泵等小型定點(diǎn)開(kāi)挖設(shè)備完全可以滿足開(kāi)挖要求，若管線位置不確定則可以使用T型排泥設(shè)備進(jìn)行大范圍管線尋找和基坑開(kāi)挖工作。T型排泥設(shè)備主要包括挖溝機(jī)本體、液壓動(dòng)力站、液壓絞車（如圖3所示），甲板需求面積約為20～40 m2，最大質(zhì)量為12 t。

圖3 T型排泥設(shè)備

（2）高壓水涂層清理設(shè)備

高壓水涂層清理設(shè)備主要用來(lái)清除海管水泥配重層和防腐層，主要包含高壓水泵和高壓水夾持設(shè)備，甲板的需求面積約為40～50 m2，最大設(shè)備質(zhì)量為9 t[5]，如圖4所示。

圖4 高壓水涂層清理設(shè)備

（3）機(jī)械管卡輔助安裝裝置

如圖5所示，機(jī)械管卡輔助安裝裝置主要用來(lái)輔助安裝機(jī)械管卡，其工作原理是通過(guò)兩側(cè)的平行位移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械管卡的兩瓣卡具平行式閉合，這種閉合方式能使密封膠條均勻擠壓變形，密封效果好[6]。該裝置在沿海管方向兩側(cè)具有兩個(gè)安裝支架，可通過(guò)齒鏈固定到海管上。使用時(shí)，先將機(jī)械管卡安裝在船舶甲板輔助安裝裝置的平行位移機(jī)構(gòu)上，潛水員將該裝置和機(jī)械管卡一同固定到海管上后解除吊機(jī)和裝置的連接部分，若潛水員無(wú)法在一個(gè)平潮時(shí)段內(nèi)完成機(jī)械管卡閉合工作，可在下一個(gè)平潮時(shí)段繼續(xù)安裝。這樣解決了一個(gè)平潮時(shí)段無(wú)法完成機(jī)械管卡安裝而需要回收管卡的尷尬情況。機(jī)械管卡輔助安裝裝置甲板需求面積約為10 m2，質(zhì)量為1 t。

圖5 機(jī)械管卡輔助安裝裝置

（4）其他設(shè)備

其他設(shè)備如橢圓度測(cè)量?jī)x、試壓設(shè)備等可以放入工具箱內(nèi)，不占用甲板面積。

3.2 施工船舶選擇

根據(jù)上節(jié)裝備的選擇，計(jì)算出設(shè)備所需船舶甲板面積約為180～230 m2，最大吊裝能力為12 t，從而提出了新型施工方式對(duì)船舶的要求。表2為新型施工工藝對(duì)小型船舶的主要參數(shù)要求。

表2 小型船舶主要參數(shù)要求

目前，國(guó)內(nèi)滿足上述要求的小型浮吊船舶數(shù)量較多，且其租賃成本較低，不僅很大程度上降低了尋找船舶資源的難度，而且小型船舶能夠在極淺水的環(huán)境中進(jìn)行施工作業(yè)。

4 結(jié)論

通過(guò)研究，小型船舶和裝備資源完全有能力完成海管機(jī)械管卡修復(fù)作業(yè)。由于小型船舶和設(shè)備資源較多，使得施工資源容易鎖定，且能快速到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)。在關(guān)鍵施工步驟中，輔助安裝裝置降低了對(duì)船舶穩(wěn)定性的要求，提高了安裝效率和一次成功率。在極淺海域或內(nèi)河中，該工藝具有大型船舶無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，大大降低了海管修復(fù)成本，在將來(lái)更多適用的小型裝備面市后，該施工工藝將更加成熟、可靠。