高壓水設(shè)備在海底管道涂層清理中的應(yīng)用

任躍龍，成二輝，李澤軍，劉國鋒

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

涂層清理是海底管道維、搶修項目中一種常見的工作。一般海底管道涂層包括混凝土配重層和防腐層，最初由潛水員手工進(jìn)行清理，利用高壓水設(shè)備清理涂層是近些年發(fā)展起來的一種新興方式，它利用高壓水射流泵產(chǎn)生高壓水，再通過噴嘴將高壓水轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨染奂乃淞魍瓿赏繉忧謇韀1]。

高壓水清理涂層具有以下幾點優(yōu)勢[2]：

（1）不會對海洋環(huán)境造成污染。

（2）不會對海底管道母材造成損傷。

（3）清理效率高。

（4）清理成本低。

1 高壓水涂層清理設(shè)備的組成

高壓水涂層清理設(shè)備一般由三部分組成：高壓水射流泵、噴頭、噴頭固定裝置[2]。

1.1 高壓水射流泵

高壓水射流泵[3]分為柴油機(jī)驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動兩種。因為電機(jī)所需功率比較大，船舶和平臺無法提供電源，需另外配備一臺大功率發(fā)電機(jī)，非常不經(jīng)濟(jì)，所以一般選用柴油機(jī)驅(qū)動高壓水射流泵。圖1為1臺JETECH 的600TJ5-G 型高壓水射流泵。

圖1 柴油機(jī)驅(qū)動型高壓水射流泵

1.2 噴頭

對于清理對象不同，噴頭生產(chǎn)廠家有多種類型噴頭可供選擇。目前，在涂層清理中應(yīng)用較多的是STONEAGE 的Barracuda（梭魚噴頭），如圖2 所示。

圖2 梭魚噴頭

圖2 左側(cè)為2 800 bar（1 bar=0.1 MPa）噴頭，右側(cè)為1 500 bar 噴頭。此類噴頭依靠水壓帶動旋轉(zhuǎn)，噴射水流呈環(huán)型[4]，在起始/終止點可見環(huán)狀溝槽；調(diào)整噴頭與涂層間距離并緩慢移動，便可實現(xiàn)涂層的連續(xù)清理，清理試驗效果如圖3 所示。

圖3 清理試驗效果

1.3 噴頭固定裝置

噴頭的固定裝置有很多種，應(yīng)用于海底管道涂層清理的多為高壓水槍和夾持工具。

高壓水槍是一種手持式工具，清理海底管道涂層時需由潛水員控制，而且必須要對潛水員提供相應(yīng)的安全保護(hù)措施。

夾持工具不同于高壓水槍，它是一種框架式噴頭夾持設(shè)備（見圖4），清理海底管道涂層時架在海底管道上，成半包圍狀，無需潛水員水下操作，由水上液壓控制單元控制，噴頭夾具可繞海底管道圓周旋轉(zhuǎn)，也可沿海底管道軸向移動。目前最先進(jìn)的夾持工具除能完成以上基礎(chǔ)功能外，還可實現(xiàn)在海底管道上連續(xù)爬行。

圖4 夾持工具

2 高壓水涂層清理設(shè)備的升級歷程及性能對比分析

高壓水射流泵自應(yīng)用于海底管道的涂層清理以來，從三柱塞泵發(fā)展到五柱塞泵，壓力不斷提高，目前最高可達(dá)2 800 bar。噴頭由單孔變?yōu)殡p孔甚至四孔，同時還提高了壓力等級。本文著重對噴頭固定裝置進(jìn)行分析。

2.1 高壓水槍

高壓水槍是用來清理海底管道涂層的第一代高壓水設(shè)備，作為一種噴頭固定裝置，需由潛水員手持操作控制，為潛水員安全考慮，壓力一般控制在400 ～600 bar 之間，清理涂層效果一般，效率相對較低。圖5 所示為高壓水槍清理效果。

圖5 高壓水槍清理效果

2.2 夾持工具

夾持工具的出現(xiàn)解決了高壓水槍輸出壓力低的問題，水下作業(yè)時無需潛水員控制，壓力可直接提高到1 000 ～1 200 bar。夾持工具有一整套水上液壓控制系統(tǒng)，具有抱緊海底管道，自動調(diào)整同心度等功能。夾持工具采用雙噴頭夾具，能全圓周360°清理海底管道涂層；噴頭夾具沿海底管道的軸向伸縮距離為1 200 mm，但長距離清理海底管道涂層時，需由潛水員多次引導(dǎo)夾持工具就位，分段完成清理工作。

2.3 連續(xù)爬行夾持工具

潛水員引導(dǎo)夾持工具就位大約需要2 h，多次引導(dǎo)就位費時費力，且受海上天氣與潮流的影響，很容易錯過最佳施工時段，延誤工期。連續(xù)爬行夾持工具[5]（見圖6）不僅擁有普通夾持工具的所有功能，而且還能實現(xiàn)在海底管道上連續(xù)爬行，長距離清理涂層時只需在第一次就位時由潛水員引導(dǎo)，之后便能根據(jù)需求邊清理邊爬行。

圖6 連續(xù)爬行夾持工具

3 工程應(yīng)用

南海某油田大尺寸海底管道由于地質(zhì)變化和投產(chǎn)年限等因素發(fā)生破損，維修管道時需對部分涂層進(jìn)行清理，清理長度共計12 m。管道參數(shù)如表1所示。

表1 管道參數(shù)

對本海底管道進(jìn)行涂層清理時面臨兩大難點：其一，清理區(qū)域內(nèi)混凝土配重層厚度約101.6 mm，超出常用海底管道混凝土涂層厚度（50 mm）的1倍，而常規(guī)使用的液壓鎬對母材損傷的風(fēng)險較大，液壓圓盤鋸的切割深度無法達(dá)到要求；其二，鋼管外徑約28 in（1 in=25.4 mm），加上混凝土涂層厚度達(dá)到36 in，當(dāng)時最大尺寸的夾持工具能夾持的最大外徑為24 in，無法滿足施工需求。

3.1 清理超厚混凝土涂層

為解決混凝土涂層較厚而影響清理效果的問題，在陸地開展了多次清理試驗。通過提高高壓水壓力和縮短噴頭與混凝土涂層間距的方法提高涂層清理效果，經(jīng)過陸地試驗的不斷嘗試與調(diào)整，最終高壓水壓力提高至1 200 bar，噴嘴與混凝土涂層間距調(diào)整至50 mm時，清理效果理想。陸地試驗如圖7 所示。

圖7 陸地試驗

3.2 制作大尺寸夾持工具

為了解決大管徑問題，參考現(xiàn)有夾持工具，設(shè)計制作了D 38 in 簡易夾持工具用于陸地試驗，簡易夾持工具如圖8 所示。簡易夾持工具可由潛水員手動操作，自動化程度不高，其操作精度及作業(yè)安全方面存在較大問題；且簡易夾持工具的同心度較難調(diào)整，噴頭與管道涂層發(fā)生摩擦，會造成噴頭磨損，且清理效果較差。

圖8 簡易夾持工具

針對簡易夾持工具出現(xiàn)的問題，優(yōu)化設(shè)計方案，設(shè)計制造了連續(xù)爬行夾持工具，提高了夾持工具的自動化程度，解決了夾持工具同心度的問題，提高了施工效率，降低了作業(yè)風(fēng)險。

因管徑較大，涂層較厚，全面清理費時費力，為進(jìn)一步加快清理速度，采用了一種新方式，即每相隔1m 清理一個環(huán)形，再在各個環(huán)形之間清理兩條線，裸露出鋼筋，剪斷鋼筋則涂層掉落。清理方式如圖9 所示。

圖9 清理方式

經(jīng)水下測量，采用如上清理方式，噴頭行走速度為20 mm/min。水下清理效果如圖10 所示，效果理想。

圖10 水下清理效果

3.3 新型噴頭應(yīng)用

以上所提到的噴頭均為梭魚噴頭，在本項目應(yīng)用中，此種噴頭單次清理管道涂層的寬度約為50 mm，清理厚度約為50 mm，完成環(huán)形清理需重復(fù)操作一遍。另外此種噴頭的實際使用壽命低于設(shè)計壽命，且易磨損，磨損情況如圖11 所示，更換噴頭不僅增加直接成本，而且會延誤工期進(jìn)度。

圖11 噴頭磨損情況

針對這一情況，使用旋轉(zhuǎn)噴頭代替梭魚噴頭。旋轉(zhuǎn)噴頭流量大，單次清理寬度能達(dá)到150 mm，厚度可達(dá)100 mm 以上。旋轉(zhuǎn)噴頭清理涂層效果如圖12 所示。旋轉(zhuǎn)噴頭有單獨的液壓或氣動旋轉(zhuǎn)裝置，不會損失水壓，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也相對簡單，不易損壞，對水質(zhì)要求比較低，海上施工使用方便。

圖12 旋轉(zhuǎn)噴頭清理效果

本項目實施中同樣發(fā)現(xiàn)一些其他問題，比如高壓水泵柱塞桿的非正常磨損，這可能是水中含有顆粒物造成的；對水質(zhì)要求較高也是高壓水設(shè)備一個不太完善的方面，如果能就地取材，直接使用海水，會更加方便。

4 結(jié)束語

經(jīng)過近年來的發(fā)展，利用高壓水設(shè)備清理海底管道涂層已經(jīng)成為一種常態(tài)化的方法，本文以實際工程應(yīng)用為出發(fā)點，對高壓水設(shè)備做了簡單的分析，但并沒有探討應(yīng)對不同涂層材料時的最佳壓力和噴頭與涂層之間最佳距離等問題，因而在一些理論層面上還有待進(jìn)一步研究。