深水海底管道受損修復關鍵設備的選擇與應用

張曉健，陽連豐，甘惠良，劉玉強，白 冰

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

深水海底管道受損修復關鍵設備的選擇與應用

張曉健，陽連豐，甘惠良，劉玉強，白 冰

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

以往在進行深水海底管道修復時，先由潛水員使用電氧切割機對舊管道進行切割，而后在舊管道端部開孔安裝銷軸，采用回收鋼纜進行回收，其作業效率低下。選用鉆石線切割機、海底管道回收工具（PRT）進行海底管道修復，可大大提高施工方案的可實施性。簡要介紹了傳統的受損海底管道切割回收方式，鉆石線切割機和PRT的結構、工作原理和應用情況；而后以南海某工程項目海底管道修復施工為例，重點論述了國內首次使用鉆石線切割機和PRT修復受損深水海底管道的過程，并提出了一些注意事項及建議。

海底管道；修復；鉆石線切割機；PRT

近年來，隨著海洋油氣資源開發的不斷升溫，并逐步走向深水，海底管道施工面臨了諸多新的挑戰。目前，深水海底管道的鋪設技術及裝備已經很成熟，國內自主鋪設海底管道水深已經超過1 500 m，但深水海底管道的受損修復技術及修復設備的應用經驗尚有欠缺。隨著海底管道鋪設數量的日益增多，受損海底管道的數量也隨之升高[1]。海底管道在安裝階段發生濕式屈曲或在其他外力作用下發生損傷，其造成的損失是難以接受的。因此，必須采用高效、可靠的修復設備，快速地完成海底管道的修復。當海底管道發生濕式屈曲或在外力作用下發生損傷時，首先要使用專用設備在水下切斷海底管道，并將切除的受損海底管道移至安全區域，再使用專用回收設備將海底管道回收至鋪管船作業線，而后重新鋪設海底管道。由此可見，深水海底管道受損修復施工的最關鍵步驟是海底管道的水下切割與重新回收，其中海底管道水下切割與回收設備的選擇應用，在很大程度上決定了修復工程的成敗。本文以南海某油田開發項目海底管道修復為例，簡要介紹深水海底管道修復設備的選擇與應用，以期對今后類似海底管道修復施工提供一定的經驗借鑒。

1 傳統海底受損管道切割回收方式

通常，海底管道水下切割是由潛水員使用電氧切割機進行切割完成的，但此方法效率低下，尤其是對于雙層保溫海底管道，其切割耗時更長，并且受水深限制，無法在深水區域作業。此外，電氧切割后的斷口極不規則，且難以成型，見圖1，這種切口極不利于后續回收設備的應用。在以往的工程實例中，海底管道回收是采用在管道端部開孔安裝銷軸后，連接回收鋼纜的方式進行海底管道回收作業，但此種方法不僅作業效率低，而且還可能導致開孔后的海底管道端部在較大回收張力作用下發生撕裂，從而導致回收作業失敗。

鉆石線切割機和PRT（Pipeline Recovery Tool，管道回收工具）作為專門用于深水海底管道修復的“黃金搭檔”，因其安全、高效、使用便捷，越來越多地在世界范圍內得到應用，并且在國外已經發展成熟。國內則起步較晚，使用鉆石線切割機和PRT設備聯合作業的經驗尚屬空白。

圖1 海底管道電氧切割后照片

2 海底管道修復設備的應用情況

2.1 鉆石線切割機

海底管道水下切割行業內常用的設備主要包括鉆石線切割機、閘刀式管鋸、爬管式坡口機、分瓣式切割機等幾種類型。其中閘刀式管鋸、爬管式坡口機和分瓣式切割機主要應用于淺水區域，受作業水深限制而無法應用到深水海底管道切割作業中。而鉆石線切割機是一套能夠切割多種管徑鋼管（可帶有鋼筋混凝土層等）的多功能切割作業系統。這種切割工具具有作業適應范圍廣泛、安裝便捷、操作性好、作業時間短等特點，且可以使用ROV（水下機器人）進行水下操作（作業水深可達3 000 m），因此被業內認可為深水海底管道修復的最關鍵設備。現階段國內外從事鉆石線切割機租賃和銷售的公司主要有英國的MIRAGE，美國的WACHS等。圖2為鉆石線切割機示意。

圖2 鉆石線切割機示意

本文主要以美國的WACHS鉆石線切割機為例，介紹其性能參數：

（1） 適用管徑：4～16 in（1 in=25.4 mm）、12～30 in。

（2）驅動方式：由ROV提供液壓動力源后，液壓自動夾持和液壓自動進給。

（3）可切割的介質：由碳鋼、合金鋼、不銹鋼等各種金屬材質制成的單層海底管道和雙層海底管道，大尺寸導管架樁腿；更重要的是這種切割設備具備能夠同時整體切割鋼筋混凝土配重層、防腐層和海底管道的功能，基本不受被切割物材質、形式、形狀的限制。

（4）操作控制方式：采用水下ROV安裝，水上遠程控制，具有多個ROV控制接口。

（5）切割速度：0～1 500 r/min。

（6）最大作業水深：3 000 m。

最為關鍵的是，深水海底管道回收必須使用PRT，根據PRT使用要求，管道切割斷口處管口的垂直度偏差不能大于5°，如圖3所示。因此，傳統的電氧切割方式不滿足該技術要求，只能選用鉆石線切割機完成海底管道的水下切割。

圖3 PRT對管口尺寸的要求

2.2 海底管道回收工具PRT

現階段，國外從事PRT租賃和銷售的公司主要有英國的First Subsea、Balltec，荷蘭的RHC公司等，這些公司的PRT結構形式基本類似，典型的PRT結構如圖4所示。

PRT主要由主接入工具（軸套及承力鋼珠或楔塊）、可拆卸的機械吊臂、激發裝置等組成[2]。其工作原理是通過激發裝置（廠家提供）使PRT軸套收縮，鋼珠（或楔塊）脹起，實現與海底管道內壁的充分接合，借助足夠大的摩擦力克服管道回收所產生的張力。鋼珠或楔塊能較為溫和地接觸管道內壁，鋼珠或楔塊由于數量足夠多，克服了管道由于腐蝕或內蠟沉積而引起的壁厚尺寸不均一的問題，達到了鋼珠既不會損壞管道內壁，又解決了可能由于接觸不均勻而導致回收失敗問題的雙重目的。通常，不同廠家的PRT啟動方式有所不同，一般有液壓式和機械式兩種[2-3]。機械式通過掰動機械開關而使軸套收縮，從而達到分離狀態；液壓式需借助液壓動力站等設備對PRT軸套加壓，使其收縮，讓承力鋼珠自然處于分離狀態。當PRT插入管道完成安裝就位后，ROV協助將PRT激發啟動，使軸套向外移動，承力鋼珠（或楔塊）脹起接觸海底管道內壁完成結合，即工作狀態。然后，打開機械吊臂固定保險銷拆除吊臂，即可進行回收作業。需要說明的是機械吊臂上一般都有一組吊眼，主要用于吊裝PRT時的角度調整，以便順利地完成PRT安裝。

圖4 PRT結構示意

3 工程應用實例

3.1 工程項目概況

本工程項目所處位置平均工作水深約90～95 m，油田概況如圖5所示。

圖5 某油田布置示意（1 in=25.4 mm）

在導管架安裝預調查時發現，新鋪設兩條雙層混輸海底管道因受漁業捕撈影響而均發生較為嚴重的損壞，見圖6。其中一條海底管道在距離平臺側90 m處發生90°彎折，另一條10 in/14 in海底管道在距離平臺側142 m處發生彎折打結。經建模計算分析，10 in/14 in海底管道修復長度為732 m，12 in/18 in海底管道修復長度為524 m。

圖6 受損海底管道照片

3.2 工程項目施工過程

本次海底管道修復工程涉及較多的施工資源鎖定、準備及動員工作，在此不再進行介紹。下面詳細介紹海底管道修復方案及鉆石線切割機和PRT在本次海底管道修復過程中的實際應用。海底管道修復的主要施工方案如下：

（1）施工前對海底管道受損情況進行ROV調查，確認受損情況及切割位置。

（2）打開海底管道起始封頭和終止封頭上預裝的閥門，進行自由注水，保證管道內外壓力平衡。

（3）為便于鉆石線切割機安裝在確定的水下切割點位置，需進行吸泥處理，鉆石線切割鋸安裝要求的吸泥范圍為800 mm×1 500 mm×600 mm，如圖7所示[4]。

（4）使用鉆石線切割機在確定的切割點位置對海底管道進行水下切割，切割完成后將受損部分海底管道進行拖拉移位，避免影響后續施工。圖8為鉆石線切割機水下切割照片，可以明顯看出管口切割后非常平整。

圖8 鉆石線切割機水下切割海底管道

（5）下放PRT至管端位置，通過移船和擺動吊機、潛水員水下拖拉牽引繩，使PRT端部進入海底管道，隨后安裝吊帶和手拉葫蘆，通過收緊手拉葫蘆使PRT逐步完全進入管道中。ROV打開啟動閥門將液壓油釋放，PRT軸套向外移動，承力鋼珠向外擴張，鋼珠受力，此時PRT處于結合工作狀態，具備管道回收作業條件（另一種啟動方式為將快速接頭（hotstab）插入液壓容器接口處，通過液壓動力站給進給管路加壓使PRT軸套伸張，鋼珠受力）。確認PRT就位后拆除吊帶、手拉葫蘆及機械臂固定保險銷等裝置。為便于PRT安裝，需要對海底管道端部進行處理，可以采取吸泥處理或沙袋墊高的方法，可根據海底土壤情況靈活選用，如圖9～10所示。

圖9 管端區域預處理方法示意

圖10 PRT安裝示意

（6）鋪管船到達指定位置就位，下放A/R纜，ROV協助完成PRT尾端的浮球索具與A/R絞車掛鉤的連接，見圖11。之后按照施工程序和計算分析步驟進行海底管道回收作業，回收過程中ROV需對PRT進行實時監控[4]。

圖11 A/R絞車鋼纜與PRT連接

（7）通過與PRT連接的A/R絞車鋼纜，將海底管道回收至鋪管船作業線，見圖12。而后完成張力轉換，依靠張緊器來提供海底管道回收張力。完成張力轉換后使用加壓設備對PRT進行加壓，使PRT內部承力鋼珠與海底管道內壁分離，移除PRT。

（8）按照鋪管船工作站分工，開始清理海底管道外防腐涂層、陽極，進行內管、外管切割等工作。

圖12 PRT回收海底管道至作業線

（9）繼續按照施工程序進行倒船、切割海底管道，回收至錨固件處，切除錨固件管后，使用新管材按照施工程序進行海底管道正常鋪設。當鋪設至設計的法蘭連接點（Tie-in點）時，按照程序終止鋪設作業。

在該項目海底管道修復作業中，同時用到了機械式（Balltec公司提供）和液壓式（First Subsea公司提供）兩種不同形式的PRT，并成功地將海底管道以濕式回收的方式回收至鋪管船作業線。該項目是國內海洋石油工程界首次使用鉆石線切割機和PRT完成受損海底管道的修復，意義重大。在中國南海另一條海底管道修復施工過程中，使用First Subsea公司的PRT成功地將已服役20年的管徑28 in的混凝土配重海底管道回收至作業線。

4 幾點建議

深水海底管道的修復存在諸多風險與挑戰，科學地選用深水海底管道修復設備，大大提高了施工方案的可實施性。該項目海底管道的成功修復，可作為一個典型案例，為今后進行類似海底管道修復作業時關鍵設備的選取、應用及施工方案的制訂提供一定的經驗借鑒。下面根據該項目海底管道修復設備的應用及施工經驗提出一些建議。

（1）在選用鉆石線切割機時，要根據水深配備相應的液壓管道，并核實鉆石線切割機管道接口與ROV接口形式是否匹配，如有必要，則提前制作匹配的轉換接頭以滿足連接要求。

（2）鉆石線的鋸條為易損、消耗件，要根據水下切割物的材質、管徑、壁厚及海底管道管體結構形式來核算切割工作量，以便考慮充足的鋸條數量，以免影響現場施工。

（3）海底管道水下切割位置要盡可能位于海底管道直線段部分，盡量遠離打折、彎曲部分，以免因殘余應力的存在，給切割及后續回收造成困難。

（4）PRT下水使用前要在甲板完成組裝、調試，如需水下進行PRT激活，則應提前確認設備廠家是否提供液壓動力源，快速接頭軟管和ROV接口是否匹配。

（5）PRT安裝前必須采取對管端進行墊高或對管端周圍進行吹坑等措施，使管頭與海床保持一定的高度，形成夾角，這樣不僅方便安裝，且可以避免泥沙進入PRT，否則一旦泥沙進入PRT，則須重新回收至甲板清洗、調試后方能再次使用。

（6）在使用鉆石線切割機、PRT進行水下安裝、作業時，需要使用兩臺ROV，一臺進行操作，另一臺作為觀察指導操作使用。

5 結束語

隨著海底管道受損事件的日益增多，安全高效地進行海底管道修復是必須面對的問題，高效、可靠的修復設備關系到整個修復作業的成敗。但目前關鍵設備尚依賴進口，國外公司出于技術保密的考慮，像PRT這樣的設備是只租不賣。而且，這種關鍵設備的進口和租賃需要花較長的時間和高昂的費用，在造成工程費用增加的同時，在突發緊急情況下修復作業又會受到延誤。所以，為提高國內在深水海底管道領域的施工能力，縮小同國外公司的差距，擺脫國外公司的壟斷和限制，關鍵設備的國產化是大勢所趨，這需要業界同仁們共同的努力。

[1]魏中格，齊雅茹，劉鴻升，等.海底管道維修技術[J].石油工程建設，2002，28（4）：30-32.

[2]Balltec.Pipeline solutions for oil，gas&renewable projects worldwide[DB/OL].http://www.balltec.com/balltec-products/balltec-products-pipelok，2016-2-1/2017-5-19.

[3]First Subsea.Pipeline recovery toolgallery[DB/OL].http://www.firstsubsea.com/products/prt/image-gallery.html，2016-2-1/2017-5-19.

[4]陽連豐，張曉健.濕式回收技術在海底管道受損修復過程中的應用[J].海洋工程裝備與技術，2016，3（4）：217-221.

Selection and application of key equipment in damaged subsea pipeline repairing

ZHANG Xiaojian，YANG Lianfeng，GAN Huiliang，LIU Yuqiang，BAIBing
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300461，China

In traditional deepwater subsea pipeline repairing，the diver uses an electric oxygen cutting machine to cut old pipeline，then drills holes in the cut pipeline end to install a pivot pin and a steel cable to retrieve the pipeline.This method has low working efficiency.The new method of selecting a diamond wire cutting machine and a pipeline recovery tool（PRT） to repair subsea pipeline can greatly improve the feasibility of pipeline repairing.This paper introduces the traditional damaged subsea pipeline repairing method briefly，as well as the structure，working principle and application of diamond wire cutting machine and PRT，discusses in detail the first application of the new repairing method in a pipeline repairing project in the South China Sea，then puts forward some relevant suggestions.

subsea pipeline；repair；diamond wire cutting machine；PRT

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.007

張曉健（1986-），男，河北唐山人，工程師，2009年畢業于大慶石油學院金屬材料工程專業，主要從事海洋石油工程項目管理工作。Email：zhangxj1@mail.cooec.com.cn

2017-07-12