水下應急維修相關設備和技術研究

葉永彪， 黃佳瀚， 齊兵兵， 尚憲朝， 李麗娜

（1.深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518067；2海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

0 引言

隨著我國海洋石油事業的不斷發展，海上生產設施逐步由淺水走向深水。海上生產設施主要包括海底管線、海底柔性管線、水下基盤、單點系泊系統等多種設施。海上油氣田在生產期間，可能出現的需要應急維修的情況主要有海管泄漏、海底電纜損壞和系泊錨腿等。當這些情況發生時，如果處置不當，將有可能造成人員傷亡、財產損失、環境污染等后果，這就需要油氣田管理方和工程公司快速做出反應，首先實現停產，控制現場情況，搶救受傷人員，降低財產損失、環境污染以及其他負面影響，接下來應立即展開受損設施的維修工作，以實現油氣田恢復生產。在應急維修過程中就需要相關設備和技術支持，通過對海管、海纜和系泊錨腿主要應急維修過程分析，以便給應急反應維修工作及準備工作提供參考依據。

1 作業形式

海上油氣田在生產期間，生產設施分布在不同水深，0～1500 m。水下作業主要使用潛水和水下機器人（ROV）兩種形式，其中ROV可以實現0～1500 m水深范圍全覆蓋，而潛水資源根據水深不同主要分為三種潛水方式，如表1所示。

表1 三種潛水資源

ROV和潛水兩種作業方式各有其特點。ROV的優點為不受水深限制，動員時間快，目前市場上的ROV一般均能覆蓋0～1500 m范圍，甚至能夠達到3000 m；ROV的缺點是不能進行非常靈活的操作，對水下能見度要求高。潛水資源的優點是可以進行非常靈活的操作，缺點是受水深限制、動員時間長，空潛相對來說0～50 m水深調整水深耗時較少，而飽和潛水的特點為加壓快、減壓慢，作業范圍為50～300 m，ADS潛水不用加減壓，潛水員水下作業效率低，作業范圍為50～500 m。

2 作業設備

2.1 施工支持船舶

進行深水應急維修最主要的設備是施工支持船舶，沒有施工支持船舶，所有維修工作無從展開。現以三條典型施工船舶為例進行比較，三條船舶為：拋錨作業船-A船；DP 2動力定位船-B船；DP 2動力定位船-C船。如表2所示。

表2 三條典型施工船舶

綜上可以看出，進行應急搶修作業時，可以選擇不同類型和能力的船舶，需要根據應急搶修的嚴重性、緊急性進行綜合考慮決定，能力越強的支持船舶將會有更高的施工效率，費用也將更加昂貴。

2.2 ROV設備

ROV可應用于0～1500 m水深。ROV，即水下機器人（Remote Operated Vehicle）。ROV功能多種多樣，不同類型的ROV用于執行不同的任務，被廣泛應用于軍隊、海岸警衛、海事、海關、核電、水電、海洋石油、漁業、海上救助、管線探測和海洋科學研究等各個領域。

2.3 空氣潛水設備

空氣潛水設備主要用于0～50 m水深。空氣潛水系統主要由甲板控制房、減壓艙、機械集裝箱、收放系統、臍帶纜等組成。潛水員下水時，進入潛水吊籠里，由收放系統下放至水面以下指定深度，潛水員從吊籠里游出來進行相關作業。

2.4 飽和潛水設備

飽和潛水設備主要應用于50～300 m水深。一般常見的飽和潛水水深等級為250～300 m，300 m飽和潛水設備，該設備主要由甲板減壓艙、潛水鐘、逃生艙、控制集裝箱、環境控制系統等組成。相對于ROV，飽和潛水員對作業地點的安全性及海況要求更高，所以在進行潛水員作業時一般首先由ROV完成初步的調查，確認現場情況后，再由飽和潛水員前往作業。

2.5 ADS潛水設備

ADS潛水設備主要應用與50～500 m作業水深。ADS潛水由潛水員穿戴機械潛水服入水進行作業，其達到的作業水深與潛水服密切相關。潛水服一般由鋁合金材料制成，堅硬金屬潛水服被設計成具有柔韌性，使潛水員保持“特殊的敏捷性”完成復雜的水下任務。它具有常壓潛水系統（ADS），可維持水面座艙壓力，相當于人形結構機械潛水艇。潛水員在水下作業風險極高，機械潛水服一般不具有外接接口。

3 應急維修

需要應急搶修生產設施主要包括海管、海纜和系泊錨腿，由于生產設施的損傷情況不同，維修時所需設備和施工步驟也不同。

3.1 海管臨時維修

對于海管臨時維修，主要應用合適卡具對漏點進行密封即可。在施工時主要用到的設備包括：施工支持船舶、ROV設備、飽和潛水設備、海管漏點封堵卡具、液壓扭矩扳手。

海管臨時維修，應急反應（0～1500 m水深）的步驟大概為：1）停止生產，通過注水等形式將海管內部已有原油推至海管另外一端生產設施，使海管內注滿無污染的含染色劑海水；2）最快的速度動員施工設備，對整條管線進行調查，同時使海管保持在一定的壓力，使染色劑不斷從漏點漏出，以便ROV觀察，確認漏點的情況，并進行標記；3）根據調查結果，確認可以使用安裝密封卡具的形式完成維修；4）在無永久密封卡具的情況下，可選擇制作臨時卡具，進行快速復產；5）動員施工設備資源，前往現場，完成卡具密封，進行海管清管試壓，恢復生產。

3.2 海管永久維修

由于海管已發生了大的裂縫，無法使用卡具的形式完成維修，必然要將受損段切割，之后使用替換段重新完成聯接。在施工時主要用到的設備包括：施工支持船舶、ROV設備、飽和潛水設備、為法蘭聯接創造干式環境所需設備、機械聯接器、吹泥設備、混凝土涂層清理設備、海管切割設備、螺栓拉伸器、水下清理設備。

海管裂縫大漏應急反應（0～1500 m水深）的步驟大概為：1）停止生產，通過注水等形式將海管內部已有原油推至海管另外一端生產設施，使海管內注滿無污染的含染色劑海水。2）最快的速度安排帶有ROV的施工船舶，對整條管線進行調查，ROV調查整條管線，確認漏點的情況，并進行標記；3）調集維修資源，準備施工設備資源，完成海管裂縫段切除，清理切割端，安裝機械聯接器法蘭；4）下放裂縫海管替換段，使用液壓拉伸器完成法蘭組對，進行海管清管試壓，恢復生產。

3.3 海纜維修

海纜主要包括以下幾種，電力海纜、通訊海纜、光電復合海纜等，海上油氣田海纜以光電復合纜為最多。根據統計，絕大部分海纜的故障是由捕魚作業和錨造成的，其他造成海纜故障的原因還有海纜鋪設過程中的故障、海纜接頭故障、地震或泥沙運動、海纜懸跨、魚類咬傷、疏浚和鉆井、電纜老化等。在施工時主要用到的設備包括：施工支持船舶、ROV設備、飽和潛水設備、TSS440及TSS350、張緊器、海纜切割工具、入水橋、海纜艙、備用海纜、接頭盒。

海纜維修施工過程：1）施工支持船攜帶施工設備資源到達作業現場；2）ROV攜帶TSS440或TSS350，調查海纜路由及埋深（如果有），并確定故障點；3）通過吹泥暴露電纜，確定電纜斷電后，海底在海纜故障點完成切割，兩端分別為A端和B端；4）打撈A端至甲板，安裝密封套后下放至海底，防止海水進一步侵入海纜內部；5）打撈B端至甲板，持續回收切割海纜，直到海纜內部干燥且進行測試，海纜末端安裝密封套，下放至海底；6）打撈A端至甲板，持續回收并切割海纜，直到海纜內部干燥且進行測試；7）使用接頭盒連接備用海纜和海纜A端，進行測試，鋪設接頭盒和備用海纜至B端；8）打撈B端至甲板，切割備用海纜，完成備用海纜與B段連接，將接頭盒下放至海纜，進行完工測試，恢復供電和通訊。

3.4 海上浮式生產設施系泊錨腿應急搶修

在施工時主要用到的設備包括：施工支持船舶、ROV設備、飽和潛水設備、吹泥設備、切割設備、大絞車、鯊魚鉗、鋼纜索接頭適配器、錨鏈防松卡子、錨纜角度測量、銷桿專用拆卸工具等工機具。

系泊錨腿應急搶修作業通用步驟為：1）主作業船定位于錨系預先裝好的回收索具上方；2）主作業船通過主拖纜下放ROV打撈鉤；3）在ROV的配合下，主作業船主拖纜連接至錨系的回收索具上；4）主作業船回收主拖纜，并將待維修錨纜/錨鏈回收至甲板，拆除破損錨纜并回收，或通過計算確認切割錨鏈的長度；5）主作業船甲板工作人員進行新錨纜更換或切割錨鏈作業；6）主作業船通過主拖纜輔助下放已維修更換的錨纜及錨鏈，沿錨系路由重新布設維修、更換完成的新錨系，直至錨系沿著設計的路徑全部放置到海底，ROV解開錨系與主拖纜連接的索具，回收主拖纜至甲板，等待進一步的浮筒回接作業。

4 結語

通過對海管、海纜和系泊錨腿三種主要應急維修過程的梳理，臨時維修和永久維修兩種主要損傷情況下的維修過程和維修設備進行了介紹，對海纜和系泊錨腿應急維修施工過程和所需維修設備進行了介紹。

可以發現水深是影響維修過程的制定和維修設備的選擇的關鍵因素。0～300 m水深情況下，應急搶修工作可同時使用飽和潛水和ROV進行；在300～500 m水深的情況下，可使用ROV或ADS潛水進行作業；在500～1500 m水深的情況下，只能使用ROV設備進行作業，所以在準備設備時要確定是潛水員操作還是ROV操作。在應急搶修工作中，建立有效、快速的應急反應機制，對水下設施進行風險評估，系統化、規范化、流程化應急搶修過程，及時發現問題，用簡單有效的手段解決問題，才能更好地保障人員財產安全。目前我國在淺水應急搶修方面積累了很多經驗，但是在深水應急搶修方面還有很多欠缺的地方，經驗少、設備開發和研究不足。未來應該加強深水方面應急搶修設備的開發和研究，為我國海洋石油事業走向深水保駕護航。

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