坡口機在海底油氣管道切割中的應用

符方超 高原 崔寧（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518067）

坡口機在海底油氣管道切割中的應用

符方超 高原 崔寧（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518067）

介紹項目背景，選擇合適的切割方法，詳述坡口機在水下油氣管道切割中的應用，以及實際切割過程中存在的問題，分析切割過程中產(chǎn)生問題的原因，結(jié)合理論分析采取有效的施工措施，促使安全高效的完成水下油氣管道切割作業(yè)。

隨著國內(nèi)海上油氣開發(fā)的發(fā)展，國內(nèi)油氣田的數(shù)量逐年增加，在服役的油氣管道也逐年遞增。隨著海底管道使用年限的增加，海水的腐蝕，海底管道的老化，以及現(xiàn)代人類漁業(yè)活動的影響，海管失效的事件越來越多，為了保證油氣田的正常開采作業(yè)，需要對海底油氣管道進行修復作業(yè)，切割更換受損段的海管。水下切割有較高的風險性，潛水員進行熱切割面臨著觸電、爆炸、灼傷、溺水等方面的傷害，尤其是在油氣結(jié)構(gòu)的切割作業(yè)中更危險，冷切割在海洋工程施工中得到了較好的應用。

1 海底油氣管道的切割

1.1 %1項目背景

目標海管位于中國南海，距香港278km，水深83米。由于船錨及漁網(wǎng)的拖拽，在2013年目標海管已經(jīng)發(fā)生了泄漏，經(jīng)臨時處理后恢復正常運營，目標海管的運輸物為天然氣。經(jīng)專家評審決定2016年對目標海管進行更換維修，切割受損管段，安裝預制好的新管段，海管直徑為28寸。

1.2 %1切割方法的選擇

海管熱切割是集中熱能使海管熔化分離，達到切割海管的目標。在進行海管切割作業(yè)前會先把海管內(nèi)天然氣排空，但是不排除海管內(nèi)會有殘留天然氣，在接觸明火作業(yè)的情況下，管內(nèi)殘留的天然氣有可能會發(fā)生爆炸，造成人員傷亡等事故，故目標油氣海管不能進行熱切割，選擇冷切割。

冷切割是采用切割過程不產(chǎn)生高溫的技術手段或方法，使被切割物保持原有材料特性，切割過程溫度沒有劇烈的升溫變化，通常溫升不超過40攝氏度。摩擦切割法：通常采用砂輪鋸片切割，切割過程使用冷卻液進行降溫達到冷切割的效果；切削法：采用切削的方式進行切割作業(yè)，切割過程采用冷卻液進行降溫達到冷切割的效果，如鋸片切割；化學法：采用不同的腐蝕材料對被切割物體進行切割。

切割掉受損段的海管后，剩余的海管端部需要焊接法蘭，這要求端面平整規(guī)則，帶有坡口等，為了讓切割作業(yè)一步到位，避免重復切割，提高施工作業(yè)的效率，選用坡口機切割機進行海管的切割作業(yè)。

1.3 %1坡口機水下施工常規(guī)步驟

潛水員水下檢查確認海管清理完成，滿足切割作業(yè)以及后期法蘭焊接要求，工程船舶甲板人員用絞車、吊機或潛水引繩下放坡口機，在下放前將坡口機拆分成兩半。下放到位后由潛水員完成坡口機的安裝，連接液壓管線。

坡口機監(jiān)督和潛水控制室間保持良好的通訊溝通，坡口機監(jiān)督和潛水監(jiān)督進行通訊測試，確認通訊正常后開始切割作業(yè)。潛水員離開海管切割點處，在可視范圍內(nèi)觀察坡口機的運行狀態(tài)，潛水員就位后報告潛水監(jiān)督，坡口機監(jiān)督得到潛水監(jiān)督的報告后開始試運行坡口機。坡口機試運行正常，潛水員在坡口機監(jiān)督的指示下對坡口機進行進刀操作，完成進刀后開始運行坡口機進行海管的切割作業(yè)，在切割過程中潛水員用工具清除切割產(chǎn)生的鐵屑，避免由于鐵屑夾雜而產(chǎn)生卡刀的現(xiàn)象。完成該深度的切割后，停止坡口機，潛水員調(diào)整坡口機進刀，一次反復的進行上述操作，切削至海管分離，完成切割作業(yè)。

2 切割過程中出現(xiàn)的問題及優(yōu)化方法

2.1 切割過程中出現(xiàn)的問題

在整個切割過程中各方人員嚴格遵循坡口機切割作業(yè)程序，但是依然發(fā)生卡刀的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)斷刀的現(xiàn)象，潛水員需要拆除舊刀片并安裝新刀片，卡刀后很難拆除刀片，拆除工作需要花費一個小時左右，嚴重影響項目的施工進度、作業(yè)效率。更換新的刀片后重新進行海管切割作業(yè)，到達一定切割深度后會反復出現(xiàn)卡刀現(xiàn)象。

2.2 卡刀的原因分析

對卡刀現(xiàn)象進行簡單的原因分析，作業(yè)處的海管處于懸空狀態(tài)，海管受到重力作用，在切割的過程中，海管會有彎折、切割點下墜的趨勢，海管上端受擠壓作用力，下端受拉伸擴張的作用力，如下圖所示：

圖2 海管變化趨勢圖

隨著海管切割深度的加深，海管壁厚變薄，海管由于自身重力的作用產(chǎn)生輕微的變形、下墜趨勢，上坡口出現(xiàn)擠壓、角度變小的趨勢，下破口出現(xiàn)擴張、角度變大的趨勢，如下圖所示：

圖3 坡口變化趨勢圖

隨著管壁的變薄，海管彎折的變形量會加大，上坡口受擠壓力加大。隨著切割深度的加深，金剛石切割刀片與坡口的的接觸面加大，刀片受到的擠壓力加大，f摩擦力=F擠壓力μ摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)不變，隨著擠壓力變大，摩擦力變大。切割深度越大約會出現(xiàn)卡刀，并且卡刀出現(xiàn)在擠壓力比較大的上坡口附近。

2.3 切割優(yōu)化方法

為了更好更快更有效的完成海管的切割作業(yè)，對常規(guī)的切割作業(yè)步驟進行優(yōu)化，采取了以下兩種方法：一、擴寬切割坡口；二、增加浮袋抵消海管的自身重力。當坡口的擴寬量大于海管的變形量時，刀片的一側(cè)面與海管不產(chǎn)生接觸，刀片受到的擠壓力可忽略不計，不會產(chǎn)生卡刀的現(xiàn)象，坡口擴寬方法如下所示：

圖4 坡口擴寬

海管切割深度達到5cm，退出刀片，移動坡口機3cm重新就位，安裝完成后啟動液壓設備進行坡口的擴寬，在切割達到一定深度后又需移動坡口機重新就位，反復多次的移位切割避免卡刀。這樣的操作相當于一道切割口進行了多次的切割，并且需要反復的安裝就位坡口機，需要花費較多的施工時間。為了提高施工效率，采取優(yōu)化方法二：浮袋抵消海管自身重力。優(yōu)化方法如下圖所示：

圖5 安裝浮袋抵消海管重力

海管切割口兩側(cè)各安裝一個浮袋，對浮袋進行一定量的充氣后，開始海管的切割作業(yè)，當上坡口處出現(xiàn)卡刀或機器運行受阻時，往浮袋內(nèi)沖入更多的氣體直到卡刀現(xiàn)象消失、機器正常運行。該優(yōu)化方法減少了坡口機重新安裝就位的次數(shù)，提高了施工效率。浮袋抵消了海管的自身重力，在完成海管的切割后不會出現(xiàn)海管下墜等明顯的現(xiàn)象，海管切割坡口平整規(guī)則，沒有撕裂、毛刺等現(xiàn)象，后續(xù)可直接進行海管法蘭的焊接。

3 結(jié)語

坡口機應用于海底油氣管道切割的實際施工，通過擴寬坡口和浮袋抵消海管重力等施工方案的優(yōu)化，促使安全高效的完成海底油氣管道的切割作業(yè)。坡口機海底管道切割方案的優(yōu)化達到了降本增效的實效。

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符方超（1986-）男，工學學士，中級工程師，主要從事海洋石油水下工程技術研究，水下結(jié)構(gòu)的安裝、檢測與搶修。