1500m內不同水深應急維修工機具簡介

張人公， 王偉

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引 言

由于水下設施運行環境的復雜性，致使水下設施的損壞不可避免。水下設施應急維修系統作為水下生產系統安全生產的重要保障，是深水水下工程必不可少的系統。針對海上油氣田水下設施應急維修作業需求，水下應急維修技術、作業裝備和維修機具成為主要研究和發展對象。在水下設施應急維修中，水下基盤、管匯等組塊化結構物維修主要是采取直接更換；水下維修絕大部分為海底管道的維修。作為水下應急維修系統重要組成的應急維修工具成為研究的重點。結合我國淺水及南海1500 m水深的荔灣3-1氣田深水油氣田開發的實際需求，很有必要對1500 m水深內適用于不同水深的海底管道應急維修工具進行介紹，促進水下設施應急維修系統的研究。

1 油氣田水下生產設施損壞類型及維修方法簡介

由于受到第三方、管道缺陷及自然環境等因素的影響，會對水下生產設施造成不同程度的損傷，如變形、凹陷、泄漏、破裂等。根據管道損壞的情況及施工裝備等因素，管道維修分為水上維修和水下維修；水上維修方法只適用于狀態較好的海底管道,需要專門的施工作業鋪管船,維修只需

要較少的特種機械,維修速度快,維修質量較高。但這種維修方法對海域工況有較嚴格的限制,只適用于鋪設、維修較淺海域的管道［1］。本文僅針對水下維修工機具進行介紹，水下維修可分為干式維修和濕式維修，干式維修主要針對范圍較小的損傷，并且由潛水員直接參與，作業水深在300 m以內；而濕式維修應用于絕大部分的海底管道維修，維修方法和維修工具很豐富。從維修方法看根據損傷類型和范圍可采取膨脹彎維修、夾具維修或重新鋪管。對于彎曲變形和局部破損采用膨脹彎維修、大破損采用重新鋪管，而小泄漏可用夾具維修，根據局部損傷范圍的大小可采用膨脹彎維修和夾具維修。海底管線損壞類型及維修方式［2］如表 1。

表1 海底管線損壞類型及維修方式

海底管道夾具或者膨脹彎維修需要一系列的設備來完成維修作業。大部分維修步驟包括：1）測量管線損傷和維修位置；2）如果需要可通過封堵器隔離損傷管段；3）用清淤泥設備，使海管露出來，以安裝維修設備；4）通過提管架提起需維修管段；5）通過管線涂層清除工具將管線涂層移除；6）管線切割；7）損傷管段移除；8）管線端面處理（坡口處理），以保證管線末端連接的密封性；9）測量管線并進行夾具和膨脹彎預制；10）夾具、膨脹彎及連接器的運輸、就位；11）夾具及連接器安裝密封；12）管線測試；13）移除并回收提管設備等維修工具。

2 1500 m內不同水深應急維修工機具簡介

根據水下維修施工的經濟性和安全性，在300 m以內適合空潛或飽和潛水等作業、300～500 m是鎧裝潛水（ADS）或ROV、500 m以深采用ROV作業。為了滿足應急維修、維修作業裝備等的要求，產生了不同功能、種類的水下應急維修工具。以下對1500 m以內不同水深的部分維修工機具進行介紹。

2.1 300 m以淺應急維修工機具簡介

300 m以淺應急維修作業裝備主要是空氣潛水（50 m以淺）、飽和潛水（50～300 m）等。工機具主要是潛水員操作，除了干式艙系統僅適用于干式維修，清淤設備、切割設備、連接器等工具都能在干式和濕式環境下應用，ROV作為輔助進行調查或簡單的作業。

水下干式維修［3-4］通過干式艙與海管間形成干式環境進行海管維修作業，適用于要求保證管道原有的整體性能不改變，特別是對焊縫質量要求很高等。干式維修主要工具是水下干式艙系統，分為有人進入式干式艙（圖1、圖2）和無人進入式局部干式艙（圖3）。配套高壓焊接技術與裝備系統、水下管道密封封堵技術與裝備系統、水下專用作業機具設備系統等。

清淤設備：為了使埋在海床下的海管露出來、滿足海管距泥面高度的需要，需要清淤泥設備。主要有噴射流式如T8000（圖4）適用于長距離的管線清淤，而吸泥泵式（圖5、圖6）適用于較短的管線清淤并要求一定的深度，而且還能進行海管的埋設。

潛水切割設備有淺水高壓水研磨料切割工具分為內切割工具（圖7）和簡易外部切割工具(圖8)，還有淺水鉆石線切割鋸（圖9）。

切割坡口機：對損傷管道進行開坡口作業，以便進行焊接是管道換接修復過程中不可缺少的專業設備。主要有分瓣式坡口機圖10、爬管式管道坡口機圖11等。都需要潛水員進行安裝和輔助作業。TLC爬管式坡口機是一種便攜式銑削機，通過鏈條將機體固定在管道上，驅動鏈輪使機體帶著旋轉的坡口刀沿鏈條爬行一周，完成管道的開坡口。由液壓驅動，可以在管道水平或垂直方向作業，也可以在壕溝和180 m深水下作業。

管道末端連接器，基于液壓設置的機械連接器,其被用于水下點結構連接。當安裝后，該連接器將作為結構連接和密封管線。該連接器能承受管線軸向的、彎曲的及扭轉等載荷并保持管線壓力的完整性。液壓連接器如圖12。

2.2 300～500 m較水深應急維修工機具簡介

對于300～500 m較深水應急維修工具與500 m以深海底管道應急維修工具基本相同。區別在于潛水裝備可以采用鎧裝潛水（ ADS）［5］或 ROV，而深水只能采用 ROV作業。

2.3 500～1500 m內應急維修工機具簡介

500 m以深潛水作業采用的是ROV，海底管道應急維修所用到的主要工機具如下：

深水海底管道切割工具，對損傷管段進行切割移除，主要有閘刀鋸圖14和金剛石繩鋸機圖15。采用無潛或利用ROV操作來實現深水海管的水平或垂直切割。閘刀式切管機包括機械本體、液壓系統及控制系統三大塊。其中機械本體包括機架、切割刀架、主運動系統、進給運動系統、讓刀裝置等。利用液壓動力站驅動該設備運行，通過隨船工程技術人員遠程控制，或者通過ROV操作密封傳感器來完成控制。

圖14 閘刀鋸

圖15 金剛石繩鋸機

圖16 管道夾具

管道夾具：海底管線只是局部的小區域損傷，沒有發生管道斷裂的話，可以采用安裝ROV操作的液壓管卡的方式進行永久維修，該方法相對簡單和經濟。管道夾具如圖16。

提管架（PLF）提管時不太受海底地貌的約束，且在進行切管、管線終端修理和安裝、連接器對準、安裝夾具等時，可用于固定管線便于上述作業。提管架如圖17。

管道磨削機具CFRT的主要功能是在切除損壞海底管道后，去除管道的FBE防腐層和焊縫，實現管道更換時的密封連接，最終完成對失效管道的修復。需使用外涂層和焊縫清除工具清除管線終端任何外涂層，如混凝土、硬絕緣層、熱融結環氧FBE（Fusion Bonded Epoxy）等；如果管道結構是焊接縫合，還需將焊冠磨平，以便管線回收工具PRT、管線連接器GSHC對管線外表面進行密封。海底管道磨削機具如圖18。

圖17 提管架

圖18 深水海底管道磨削機具

管線回收工具PRT，主要是在海管與回收纜之間提供一個連接，海管回收器塞入海管中，由回收纜將海管回收至海面。Ballgrap管線回收工具如圖19。

圖19 BallGrab管線回收工具

3 應急維修工機具發展規律

通過對 300 m 以內、300～500 m、500～1500 m 三個不同水深段工機具的介紹，可以看到：1）其發展也經歷由淺水到深水，由空氣潛水施工到飽和潛水施工，再到ROV施工這一過程。作業裝備逐漸由ROV取代潛水員，500m以深基本由ROV進行作業，因此深水應急維修工機具都需要有ROV操作面板；2）由于水深、設備龐大等原因，維修工機具逐漸向液壓遠程控制發展、自動化程度高；3）海底管道應急維修工具也從單一的工具發展成為系統化的成套專業工具，如深水海底管道維修系統DPRS。其深水應急維修工具也相應地從單一的工具發展成為系統化的成套專業工具。

4 國內深水工機具的發展狀況及趨勢

我國300 m以深的海底管道應急維修鮮有涉足，但是在300 m以內有豐富的施工經驗，并促進了應急維修工具的研究、制造和應用，并取得了一定的成就。“863”以來，我國已研制的水下干式艙系統及切割工具、焊接等配套設備已投入實踐并形成了自主知識產權［6］。隨著南海深水荔灣3-1油氣田的開發，“十二五”加大了對1500 m深水應急維修設備的研究和開發，深水維修方法；深水維修作業裝備包括HOV、ADS等；深水維修工具包括應用于涂層清理、自動切割、鉆孔等的深水管道水下多功能維修作業機具、有管道封堵和轉接功能的油氣泄漏源隔離轉接輸送系統、脹緊式連接器、水下法蘭連接機具等，并逐漸形成深水水下應急維修系統。因此我國也在逐步發展深水管道維修系統。

5 結語

隨著海洋工程技術的發展和海上油田水深的增加，水下生產系統已經成為國際深水油氣資源開發的重要趨勢，荔灣3-1深水氣田項目已采用水下生產系統的方案，未來中國南海的深水油氣資源開發也必將大量使用水下生產系統。因此深水海底管道應急維修系統（DPRS）的研究和發展更加緊迫，雖然國內目前沒有深水水下維修的施工作業，但是正在開發由HOV、ROV、ADS、飽和潛水等水下作業設備和水下作業工具系統組成的、最大工作水深1500 m的深水水下作業裝備以及相關作業工藝與技術，這將形成強而有力的深水海底管道維修能力，為海上油氣田安全生產提供保障。

［1］ 劉春厚，潘東民，吳誼山.海底管道維修方法綜述［J］.中國海上油氣，2004（1）：61-64.

［2］ 梁富浩，李愛華，張永祥，等.深水海底管線維修系統研究進展及有關問題探討［J］.中國海上油氣，2009（5）：352-357.

［3］ 房曉明.海底管線干式維修技術［J］.哈爾濱工程大學學報，2008（7）：651-567.

［4］ 梁曉鋒，張裕芳，易宏，等.水下管道維修干式艙系統可靠性及安全性分析［J］.船舶工程.2008（2）：67-71.

［5］ 湯國偉，邱中梁，楊申申，等.常壓潛水裝具水下作業工具研究［J］.液壓與氣動，2009（6）：5-7.

［6］ 王常文.深水海底管道維修系統工程應用研究［D］.天津：天津大學，2010.