高壓水清洗技術(shù)在海底管道維修中的應(yīng)用

陳 勇，潘東民，鄧 平，張大偉，欒 濤，韓長安

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

海底管道維修之前，需要清除其表面的混凝土防護層和防腐涂層。在以往施工作業(yè)中，一般采用液壓鎬、風鎬、圓盤鋸等設(shè)備來清除，但限于這些手動工具的功能，其操作力度、角度不易控制，尤其在能見度低或受涌浪影響的情況下，極易造成海底管道母材表面深淺不一的劃傷，對后續(xù)管卡或機械連接器等水下連接件的安裝和密封效果造成嚴重影響。近年來，逐漸引進了高壓水清洗技術(shù)對海底管道涂層進行清理，克服了以上缺點，清理過程均勻、可控，不傷母材，清理效率顯著提高，較好地滿足了海底管道維修項目的施工要求。

1 高壓水清洗系統(tǒng)介紹

高壓水清洗技術(shù)，是一項將普通常壓水通過高壓柱塞泵加壓到幾十至數(shù)百兆帕，而后通過特殊設(shè)計的噴嘴 （噴孔直徑一般只有0.4～2.5 mm），以極高的速度 （30～750 m/s）噴射出，借助這股高能量水流強大的沖擊力和水楔作用，直接剝離、沖刷物體內(nèi)壁或外表面，達到清洗、剝離防護和防腐層等目的的技術(shù)。高壓水清洗技術(shù)具有清洗成本低、速度快、清洗效率高、不損壞被清洗物、應(yīng)用范圍廣、不污染環(huán)境等特點[1]。高壓水清洗系統(tǒng)包括動力端、高壓水發(fā)生裝置、高壓軟管、噴頭噴嘴及系統(tǒng)控制部分，如圖1所示。

圖1 高壓水清洗系統(tǒng)組成

目前，國外制造高壓水清洗系統(tǒng)設(shè)備的廠家主要有NLB、Gardner Denver等。海洋石油工程股份有限公司于2010年購進了一臺NLB公司型號為20305FDB的設(shè)備，其工作壓力138 MPa，流量87 L/min，主要包括康明斯柴油機、NLB水泵、高壓軟管、水槍、旋轉(zhuǎn)噴頭、噴嘴等部件[2]，已多次應(yīng)用于海底管道維修項目。

2 高壓水清洗系統(tǒng)噴頭種類及選型

（1）標準噴頭 （見圖2）。標準噴頭用于常規(guī)清洗項目，噴頭只有一個出水孔，0°噴嘴可產(chǎn)生高沖擊力的直射水流，而15°噴嘴可提供15°的扇形噴射流，清洗的覆蓋范圍更大，可以清除覆蓋層較薄、面積較大的疏松物質(zhì)。

（2）旋轉(zhuǎn)噴頭 （見圖3）。陸上工程常用氣動旋轉(zhuǎn)噴頭，而水下工程常用自動旋轉(zhuǎn)噴頭。自動旋轉(zhuǎn)噴頭內(nèi)置兩個0°噴嘴，它利用高壓水的能量實現(xiàn)自動旋轉(zhuǎn)，從而將噴頭的作業(yè)面從線拓展到面，而且在產(chǎn)生正向沖擊力的同時產(chǎn)生切向剝層力，因而噴射覆蓋面大，清洗效率成倍提高。NLB公司的SRH 24-77-Viper 24TM自動旋轉(zhuǎn)噴頭最大壓力可以達到165.6 MPa，流量可以達到56 L/min。

圖2 標準噴嘴

圖3 自動旋轉(zhuǎn)噴頭和嵌入式噴嘴

（3）研磨噴頭 （見圖4）。研磨噴頭用于濕噴砂系統(tǒng)，它結(jié)合了高壓水射流和磨砂媒介清洗功能。相較于傳統(tǒng)干噴砂除銹工藝，濕噴砂工藝避免了粉塵飛揚，對環(huán)境和健康不會造成危害，能夠把鋼材表面清潔成白色，也可以清除緊緊粘結(jié)在混凝土、鋼材或磚石表面的涂料。磨砂切割系統(tǒng)由磨砂切割噴頭、管道切割器或履帶牽引裝置以及帶計量閥的料斗等組成，根據(jù) “文丘里”理論可知，砂子被吸進高壓水管，以很高的壓力擊打工件表面，從而實現(xiàn)對金屬、石頭、鋼筋混凝土等堅硬的材料的切割。為了達到良好的清理效果和提高清理效率，應(yīng)該根據(jù)噴嘴的形式、壓力、流量，選擇合適的噴嘴型號。

3 高壓水清洗系統(tǒng)在海底管道維修中的應(yīng)用

在海底管道維修中高壓水清洗系統(tǒng)通常用于海底管道混凝土防護層和防腐絕緣層的清理。圖5所示為典型的單層加配重層海底管道截面圖，鋼管外涂覆的防腐絕緣層為三層PE結(jié)構(gòu)，底層為熔結(jié)環(huán)氧粉末，中間層為膠粘劑，面層為聚乙烯；在防腐絕緣層外面再包裹混凝土防護層，厚度50 mm左右，防護層內(nèi)含鐵絲網(wǎng)。圖6為用手持高壓水槍清理防腐絕緣層后的狀況。表1給出海底管道典型防腐絕緣層的各層厚度。

圖4 研磨噴頭和濕噴砂系統(tǒng)

圖5 典型單層加配重層海底管道截面

圖6 海底管道防腐絕緣層清理后狀況

表1 海底管道防腐絕緣層厚度示例

3.1 混凝土防護層的清理

根據(jù)多個項目的實踐經(jīng)驗，雖然混凝土防護層的強度較大，但它與內(nèi)部防腐絕緣層的結(jié)合力并不高，適于成片清理。首先由潛水員或者用輔助執(zhí)行裝置利用高壓水噴頭在計劃剝離的混凝土防護層位置始末端清理出兩條環(huán)向小縫，再在兩條環(huán)縫之間清理出兩條軸向小縫，然后再剪斷裸露的鐵絲，使用撬棍就能輕易地剝離混凝土防護層 （見圖7）。

圖7 清理混凝土防護層

清理海底管道外表面的混凝土防護層適宜采用0°噴嘴。20305FDB型高壓水清洗系統(tǒng)的高壓水槍為NCG24-286ZT水下平衡式，采用S-7M-0003型0°噴嘴，當作業(yè)壓力達到100 MPa左右時，即能輕易清理混凝土防護層。沖出長約1 m的混凝土防護層縫隙，大約需要30 min（具體耗時受噴嘴穩(wěn)定性、壓力等因素的影響）。

3.2 防腐絕緣層的清理

常使用旋轉(zhuǎn)噴頭進行海底管道防腐絕緣層清理。圖8所示為清理防腐絕緣層的情況，使用SRH 24-77-Viper 24TM旋轉(zhuǎn)噴頭，內(nèi)置BN1123-4#噴嘴，操作壓力達115 MPa以上。在實驗中，旋轉(zhuǎn)噴頭夾持在液壓驅(qū)動的行走小車上，10 min能清理掉大約30 cm×4 cm的區(qū)域，噴嘴距離管體約6～7 cm。

4 高壓水清洗系統(tǒng)的自動進給支架

圖8 使用旋轉(zhuǎn)噴頭清理海底管道防腐絕緣層

圖8所示的液壓驅(qū)動行走小車只能對海底管道實現(xiàn)環(huán)向清理，無法自動實現(xiàn)軸向清理。為了提高海底管道涂覆層的清理效率，研制了高壓水清洗自動進給支架 （見圖9）。該支架采用雙噴頭夾具對稱清洗設(shè)計，能平衡反作用力，為液壓驅(qū)動，夾持在海底管道上，液壓馬達通過齒輪嚙合帶動軸承上的噴頭夾持架實現(xiàn)360°環(huán)向進給，通過軸向液壓缸伸縮實現(xiàn)軸向進給。自動進給支架適用管徑范圍203～610mm，單次夾持最大軸向清理長度為1m。

圖9 自動進給支架

值得注意的是，由于雙噴頭同時出水，出口流量增大，在高壓水清洗系統(tǒng)功率不變的情況下，噴嘴出口壓力必然降低。為了保證清洗效果，可以采用較小口徑的噴嘴，而不可盲目通過提高高壓水清洗系統(tǒng)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速來提高工作壓力。

5 高壓水清洗系統(tǒng)操作注意事項

（1）高壓水清洗系統(tǒng)因其水射流速度快、壓力大，對人身體具有潛在危險[3]。國內(nèi)高壓水射流安全管理標準主要包括JB 8526-1997《高壓水射流清洗作業(yè)安全規(guī)范》和GB 20826-2007《潛水員高壓水射流作業(yè)安全規(guī)程》，這些標準中提到：要按照廠家的要求使用噴槍，不得自行改造；作業(yè)時使用手持噴槍的人員其身體應(yīng)該至少遠離噴嘴1 200 mm。若用繩索、綁帶或其他人工手段將扳機鎖在 “開”的位置，一旦發(fā)生緊急情況時將不能立即釋放，這屬于極端危險的做法，在任何情況下都不允許這樣做。

（2）關(guān)于噴嘴與物體表面的最佳距離。在中國職業(yè)安全健康協(xié)會水射流技術(shù)專業(yè)委員會的《執(zhí)業(yè)資格培訓教材》中給出了經(jīng)驗曲線 （見圖10），其為水射流沖擊物體的作用力與噴嘴至物體表面的距離 （靶距）的相對關(guān)系，顯示當靶距約為100倍噴嘴直徑時，可達到最大打擊力。

圖10 高壓水射流打擊力—靶距曲線

（3）關(guān)于高壓水清洗系統(tǒng)的介質(zhì)能否使用海水。海水對高壓水泵活塞缸體、密封件等有較強的腐蝕作用，會顯著降低設(shè)備使用壽命；海水中大量的浮游生物特別容易堵塞濾器，引起水泵低水位報警停機，影響正常清洗作業(yè)。另一方面，由于高壓水清洗系統(tǒng)的額定流量并不高，以20305FDB型高壓清洗機為例，流量為87 L/min，每小時僅耗水5.22 t，如果不得已使用海水作為介質(zhì)，必須在每天作業(yè)完成后使用淡水沖洗水泵內(nèi)部，以確保無海水殘留在水泵內(nèi)。

（4）在安裝噴嘴之前先低速運行使系統(tǒng)內(nèi)部的殘渣等排出，然后安裝噴嘴，從低壓 （3.45 MPa以下）開始操作，并且要緩慢地增加壓力直到所需壓力，停機時要先卸掉壓力。

[1]薛勝雄,黃汪平,陳正文,等.高壓水射流技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社,1998.

[2]孟春暉,張博蓉,孫世德,等.高壓水射流清洗油管技術(shù)[J].石油工程建設(shè),2001,27（4）:50-51.

[3]張國光.高壓水射流與潛水員水下作業(yè)安全研究[J].海洋工程,2006,24（3）:113-118.