復(fù)雜海域海底管道混凝土配重及防腐層高壓水射流水下切割清除施工技術(shù)

王立領(lǐng)，吳 軍，張 濤

中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，山東青島 266555

在海洋石油海底管道維修中，高壓水射流水下在位切割清除混凝土配重及防腐層的施工受海洋環(huán)境影響，實施作業(yè)難度較大。水下的特殊環(huán)境決定了水下工程的困難性和復(fù)雜性，水下切割有其獨特的理論基礎(chǔ)和使用方法。這種技術(shù)在一般海域已有實踐應(yīng)用，但在低能見度、海流速度大等復(fù)雜海域，到目前為止國內(nèi)鮮有成功案例。高壓水射流技術(shù)近些年才逐步應(yīng)用于海底管道混凝土配重層破拆清除，其切割機(jī)理主要是利用高壓水對混凝土的水楔作用和水錘效應(yīng)[2]，混凝土和鋼材的強(qiáng)度差別以及抵御高壓水能力的不同，可以安全應(yīng)用于鋼質(zhì)管道上切割混凝土[3]。在冊子島至鎮(zhèn)海原油海底管道變形缺陷隱患修復(fù)工程中，高壓水射流切割清除混凝土及防腐層施工技術(shù)的成功實施，為以后類似復(fù)雜海域施工提供了寶貴經(jīng)驗。

冊子島至鎮(zhèn)海原油海底管道于2005年投產(chǎn)，起于舟山冊子島西側(cè)的大沙岱，終于寧波北侖電廠二期工程灰壩（海塘），全線長度超過30 km，直徑762 mm，單層鋼管結(jié)構(gòu)，混凝土配重層厚度為80 mm。管道所在的杭州灣舟山海域，潮汐屬于不規(guī)則半日潮型，每日兩漲兩落，潮差變化較大，最大潮差4 m左右，潮流速度快，項目施工區(qū)最大漲、落潮流速達(dá)2.76 m/s左右，水流擾動大。加之杭州灣是錢塘江出?？?，海水中攜帶著大量的泥沙，致使海域水中能見度極低，幾乎為零，嚴(yán)重影響水下切割清除作業(yè)及布錨穩(wěn)船操作。潛水員水下作業(yè)只能在“盲摸操作”下進(jìn)行，給施工作業(yè)帶來極高難度和風(fēng)險。

1 海底管道變形缺陷隱患修復(fù)工程概況

該海底管道于2017年12月例行全線通球檢測時，發(fā)現(xiàn)變形點1（位于西堠門航道中間） 及變形點2（緊鄰金塘水道）兩處出現(xiàn)較為嚴(yán)重的變形缺陷，變形量分別達(dá)到22%及12%，圖1為缺陷檢測渲染圖。為確保管道運行安全，運營方通過方案研究分析，計劃采用管卡方案對管道兩處變形點的隱患進(jìn)行治理修復(fù)，因此，必須安全破拆清除混凝土配重層，為管卡安裝提供條件。

圖1 缺陷檢測渲染圖

根據(jù)管卡技術(shù)規(guī)格和安裝要求，配重及防腐層清除長度至少需要6 m。綜合考慮混凝土清除方案及環(huán)境條件定制了一套高效專用高壓水射流裝置，用于水下在位清除作業(yè)。

該裝置包括三個獨立模塊[4]，即高壓泵機(jī)組、液壓控制站和水下設(shè)備，以及它們之間的液壓控制管道、射流管道、信號電纜。水下設(shè)備在抱管裝置固定下成半包圍狀，切割清理海底管道配重層時由水上液壓控制站控制，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[5]。

2 高壓水射流裝置環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計考慮

杭州灣海域含沙量大、水下能見度低、流速大，常規(guī)潛水水下作業(yè)時間非常有限（平潮期），這種環(huán)境特點要求破拆設(shè)備具有較高的穩(wěn)定性和自動作業(yè)能力。液壓動力驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)作業(yè)不但要實現(xiàn)自動化，而且要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)盡可能的簡化以降低設(shè)備操作故障率。綜合這些因素，對高壓水射流破拆設(shè)備進(jìn)行了環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，以提升設(shè)備穩(wěn)定性、切割效率及施工安全性。

（1）設(shè)計制作了適用于本項目水下設(shè)備的專用工裝框架，最大限度減少了通用規(guī)格尺寸的工裝冗余機(jī)構(gòu)，使得工裝大為簡化，降低了故障率，提高了工裝運行穩(wěn)定性。

（2）工裝框架內(nèi)側(cè)采用圓角，并加橡膠墊圈防止碰傷管道。

（3）通過理論計算和陸地實驗池水下試驗，反復(fù)校調(diào)最佳切割參數(shù)，并研制出C40混凝土專用破拆槍頭，通過實踐驗證了該槍頭的高效性和穩(wěn)定性。

（4）加大槍頭與混凝土之間的作業(yè)間距以適應(yīng)管道變形，防止槍頭碰撞混凝土配重層及異物。

（5） 采用多泵并聯(lián)，提高流量，增大壓力，以補(bǔ)償由于槍頭作業(yè)間距增大帶來的能量損失，保證切割效果。

3 設(shè)備試驗及潛水員水下“盲摸無誤操作”訓(xùn)練

為確保水下高壓水射流清除作業(yè)時管道本身安全及操作可行性，做到萬無一失。施工前利用原海底管道剩余管段，對設(shè)備和管道進(jìn)行了陸地實驗池試驗和潛水員實操訓(xùn)練，內(nèi)容包括：空氣環(huán)境中切割性能試驗、水下切割試驗及潛水員戴眼罩條件下“盲摸無誤操作”訓(xùn)練。實驗池池水為透明清澈潔凈水，試驗人員可以觀察到水下潛水員的所有動作。經(jīng)過反復(fù)練習(xí)，充分熟悉水下破拆設(shè)備的定位、安裝、移位、檢查和解拆五個方面的操作流程，確保施工現(xiàn)場低能見度海水環(huán)境下也能做到水下盲摸操作正確無誤、安全高效。

測試調(diào)整控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)和高壓泵機(jī)組的運行參數(shù)。通過水下模擬試驗確認(rèn)設(shè)備最佳切割狀態(tài)，確定合理壓力值，以保證既能有效切割混凝土配重層（包括防腐層），又不影響鋼管道缺陷處狀態(tài)。

實驗池水下環(huán)向切割后配重層狀態(tài)見圖2。

圖2 實驗池環(huán)向切割混凝土層試驗效果

相比于空氣中的高壓水射流，水中淹沒環(huán)境對高壓水射流的效果消弱很大[6]。反復(fù)實踐發(fā)現(xiàn)，噴嘴與混凝土間距、海流速度等對切割效果均有較大影響。相比于空氣中試驗，水下切割需提高16%～35%的射流壓力才能做到有效清除，現(xiàn)場最大作業(yè)壓力達(dá)到170 MPa。

實驗池水下切割混凝土層后鋼管表面狀態(tài)見圖3。

圖3 實驗池水下切割混凝土層后鋼管表面狀態(tài)

4 布錨及穩(wěn)船

變形點分別位于杭州灣西堠門航道和臨近金塘水道，航道均為自然沖刷，特別是西堠門航道以水流急、泥質(zhì)硬著稱，大潮汛期間海流速度大，保障船舶穩(wěn)定對施工安全至關(guān)重要。

根據(jù)施工船舶作業(yè)工況與錨泊計算分析結(jié)果，對常規(guī)的8字布錨方式進(jìn)行了優(yōu)化，以提升船舶穩(wěn)性，采取以下4項措施。

（1）施工過程中單錨最大拉力嚴(yán)控在1000kN以內(nèi)（錨機(jī)額定拉力為1 800 kN），當(dāng)拉力接近1 000 kN時，禁止行船調(diào)整船位，避免移船時錨機(jī)拉力繼續(xù)增大，進(jìn)而增加溜錨風(fēng)險。

（2）優(yōu)化適用于本海域惡劣海況的布錨方案，縮短一個錨位的移船距離，確保錨的抓地力，切實防止溜錨。為此采取如下措施：增大錨的出纜角度，使出錨角度接近水流方向，以提供更大的橫向拉力；嚴(yán)格控制出纜長度（不得小于300 m），保證纜繩具備足夠的承載力；拋纜長度要小于常規(guī)的出纜長度，避免錨纜彎曲托底；卸載背流方向的錨拉力。

（3）24 h實時監(jiān)控錨位、錨機(jī)、錨纜的工作狀態(tài)。

（4）大潮汛漲落潮期間，為了應(yīng)對單錨拉力過大及船位偏移現(xiàn)象，拋錨艇至下游船側(cè)根據(jù)實時情況進(jìn)行頂推作業(yè)，保障船舶安全。

通過上述優(yōu)化布錨措施，施工船舶順利渡過了杭州灣海域5個大潮汛。由此可見：針對施工海域流速較大工況，適時調(diào)整增大纜繩出纜角度，犧牲單個錨位行船的有效長度，可以提高船舶穩(wěn)性；通過調(diào)整出纜角度無法滿足穩(wěn)船效果時，在船位有發(fā)生偏移的征兆下需立即停船，通過拋錨艇到作業(yè)船的下游側(cè)進(jìn)行頂推，從而保證船舶及施工安全。

5 混凝土配重層切割清除關(guān)鍵工序

關(guān)于管道變形點定位、尋管及形成作業(yè)面施工技術(shù)非本文討論范圍，這里不作贅述。以下著重討論混凝土配重層切割清除關(guān)鍵工序。

5.1 設(shè)備水下定位安裝

本項目高壓水射流設(shè)備定位一次作業(yè)范圍為環(huán)管道360°圓周面、沿管道軸向長度2 m。設(shè)備兩端為倒U型智能抱管結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)較好固定效果，且能夠?qū)崿F(xiàn)支撐點自動調(diào)整以確保與海底管道的同軸度，此為保證射流均勻切割的關(guān)鍵。

水下設(shè)備工裝下水前，在工作船甲板面將液壓控制管道、高壓水管及高壓水噴嘴等其他附件與水下設(shè)備連接固定。根據(jù)作業(yè)水深配置足夠長且無中間接頭的高壓水管、液壓管、空氣管、信號電纜等，并將之集成線束，最大程度降低施工安全故障隱患及環(huán)境污染風(fēng)險。

粗定位和精定位：待施工區(qū)域具備潛水條件后（平潮期為最佳），潛水員持定位器下潛至管道預(yù)定位置，將定位器固定在待作業(yè)管段兩端。設(shè)備起吊下水，隨定位器的鋼絲引繩到達(dá)既定管段，半鎖定抱管裝置，完成粗定位。潛水員再根據(jù)切割范圍，軸向移動水下射流設(shè)備，微調(diào)后通知水上操作人員完全鎖定抱管裝置，完成精定位。解除吊裝纜繩及鋼絲引繩，保留定位器。水下射流設(shè)備及線纜束吊裝入水見圖4。

圖4 水下射流設(shè)備及線纜束吊裝入水

5.2 混凝土切割流程

創(chuàng)新切割工藝流程和施工方法。經(jīng)過反復(fù)計算、分析和試驗，確定了一套高效而安全的切割流程和工序，事實證明行之有效，極大地提高了清除效率，減少了水下作業(yè)時間。

（1）精定位完成后，啟動液壓控制系統(tǒng)，噴嘴不帶負(fù)荷試運轉(zhuǎn)，潛水員確認(rèn)高壓水噴嘴行程區(qū)間無障礙，可安全運行。潛水員出水，工作船甲板待命。

（2）開啟高壓泵機(jī)組，噴嘴自管頂開始沿軸向切割清除混凝土，軌跡寬度約為8 cm，每完成一條，自動步進(jìn)或人工控制沿環(huán)向向下移動一個步距。將混凝土配重層按照如圖5所示的形狀切割清除，管頂（即鋼管橫切面12點鐘位置）破拆寬度為0.4 m，兩側(cè)3點鐘與9點鐘位置破拆寬度為0.2m。再完成如圖5所示的兩側(cè)環(huán)狀切割。

圖5 切割清除形狀示意

（3）如上所述切割完畢后，潛水員入水將兩側(cè)環(huán)與12點鐘位置的配重層鋼筋逐根剪斷，然后采用液壓擴(kuò)張器在12點鐘位置將混凝土配重層鋼筋向兩側(cè)擴(kuò)張分離，邊緣翹起后利用吊機(jī)輔助向兩側(cè)剝離，借助吊機(jī)拉力和配重層本身重量，使配重層脫離管體。

（4）清理管體混凝土及防腐層殘留：噴嘴每沿管道軸向往返1次為計數(shù)單元，每個位置往復(fù)3次環(huán)向步進(jìn)1次。水上操作人員通過計數(shù)顯示、作業(yè)區(qū)域聲譜分析以及潛水員探摸檢查確認(rèn)清除情況，完成本段清除。

（5）設(shè)備就位范圍2 m工作段內(nèi)的混凝土清除完畢后移位至下一工作段，直至計劃內(nèi)的所有混凝土切割清除完畢。

5.3 設(shè)備移位

軸向每2 m為一個工作段，完成上一工作段的清除工作后，潛水員入水輔助精確定位到下一工作段，步驟如圖6所示。

圖6 設(shè)備移位流程

5.4 切割清除施工效果

吊裝出水脫離管體的混凝土配重層如圖7（a） 所示，塊體完整、切口整齊、無明顯變形，非常像一件“對襟混凝土馬甲”，好于預(yù)期設(shè)計效果，既降低了工作支持船吊裝和使用頻率，又大幅減少了清除工作量。配重層內(nèi)側(cè)面與防腐層的脫離也很徹底，無明顯粘連現(xiàn)象，如圖7（b）所示。為配重層及防腐層殘留清除提供了便利，如果有大塊殘留或局部凸起，將對噴嘴行走帶來不確定性。從未剪斷鋼筋網(wǎng)的管道橫截面3、9點鐘位置（見圖7（c））可以看到，原配重層鋼筋配置稠密，水下作業(yè)困難；更能夠直觀看出水射流切口整齊，切割清除效果良好。

圖7 混凝土層切割清除施工效果

通過對出水混凝土配重層的直觀狀態(tài)、潛水員鋼管表面探摸檢查和聲吶掃側(cè)結(jié)果等的綜合判斷，除受損點本身外，海底管道鋼管表面光滑、整潔，施工效果好于設(shè)計預(yù)期，為管卡安裝提供了基礎(chǔ)條件，滿足管卡安裝密封要求。

6 結(jié)束語

基于高壓水射流的在位切割海底管道混凝土配重及防腐層的施工技術(shù)在作業(yè)環(huán)境惡劣的杭州灣舟山復(fù)雜海域的首次成功實施，豐富了國內(nèi)海底管道混凝土配重水下在位破拆清除技術(shù)，積累了在海水能見度低且海流速度大的工況下高壓水射流技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗，形成了一系列布錨穩(wěn)船、水下切割清除施工方法、工序等施工技術(shù)，可為今后類似搶/維修工程提供有力借鑒。