1500m内不同水深应急维修工机具简介

张人公， 王伟

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518067）

0 引 言

由于水下设施运行环境的复杂性，致使水下设施的损坏不可避免。水下设施应急维修系统作为水下生产系统安全生产的重要保障，是深水水下工程必不可少的系统。针对海上油气田水下设施应急维修作业需求，水下应急维修技术、作业装备和维修机具成为主要研究和发展对象。在水下设施应急维修中，水下基盘、管汇等组块化结构物维修主要是采取直接更换；水下维修绝大部分为海底管道的维修。作为水下应急维修系统重要组成的应急维修工具成为研究的重点。结合我国浅水及南海1500 m水深的荔湾3-1气田深水油气田开发的实际需求，很有必要对1500 m水深内适用于不同水深的海底管道应急维修工具进行介绍，促进水下设施应急维修系统的研究。

1 油气田水下生产设施损坏类型及维修方法简介

由于受到第三方、管道缺陷及自然环境等因素的影响，会对水下生产设施造成不同程度的损伤，如变形、凹陷、泄漏、破裂等。根据管道损坏的情况及施工装备等因素，管道维修分为水上维修和水下维修；水上维修方法只适用于状态较好的海底管道,需要专门的施工作业铺管船,维修只需

要较少的特种机械,维修速度快,维修质量较高。但这种维修方法对海域工况有较严格的限制,只适用于铺设、维修较浅海域的管道［1］。本文仅针对水下维修工机具进行介绍，水下维修可分为干式维修和湿式维修，干式维修主要针对范围较小的损伤，并且由潜水员直接参与，作业水深在300 m以内；而湿式维修应用于绝大部分的海底管道维修，维修方法和维修工具很丰富。从维修方法看根据损伤类型和范围可采取膨胀弯维修、夹具维修或重新铺管。对于弯曲变形和局部破损采用膨胀弯维修、大破损采用重新铺管，而小泄漏可用夹具维修，根据局部损伤范围的大小可采用膨胀弯维修和夹具维修。海底管线损坏类型及维修方式［2］如表 1。

表1 海底管线损坏类型及维修方式

海底管道夹具或者膨胀弯维修需要一系列的设备来完成维修作业。大部分维修步骤包括：1）测量管线损伤和维修位置；2）如果需要可通过封堵器隔离损伤管段；3）用清淤泥设备，使海管露出来，以安装维修设备；4）通过提管架提起需维修管段；5）通过管线涂层清除工具将管线涂层移除；6）管线切割；7）损伤管段移除；8）管线端面处理（坡口处理），以保证管线末端连接的密封性；9）测量管线并进行夹具和膨胀弯预制；10）夹具、膨胀弯及连接器的运输、就位；11）夹具及连接器安装密封；12）管线测试；13）移除并回收提管设备等维修工具。

2 1500 m内不同水深应急维修工机具简介

根据水下维修施工的经济性和安全性，在300 m以内适合空潜或饱和潜水等作业、300～500 m是铠装潜水（ADS）或ROV、500 m以深采用ROV作业。为了满足应急维修、维修作业装备等的要求，产生了不同功能、种类的水下应急维修工具。以下对1500 m以内不同水深的部分维修工机具进行介绍。

2.1 300 m以浅应急维修工机具简介

300 m以浅应急维修作业装备主要是空气潜水（50 m以浅）、饱和潜水（50～300 m）等。工机具主要是潜水员操作，除了干式舱系统仅适用于干式维修，清淤设备、切割设备、连接器等工具都能在干式和湿式环境下应用，ROV作为辅助进行调查或简单的作业。

水下干式维修［3-4］通过干式舱与海管间形成干式环境进行海管维修作业，适用于要求保证管道原有的整体性能不改变，特别是对焊缝质量要求很高等。干式维修主要工具是水下干式舱系统，分为有人进入式干式舱（图1、图2）和无人进入式局部干式舱（图3）。配套高压焊接技术与装备系统、水下管道密封封堵技术与装备系统、水下专用作业机具设备系统等。

清淤设备：为了使埋在海床下的海管露出来、满足海管距泥面高度的需要，需要清淤泥设备。主要有喷射流式如T8000（图4）适用于长距离的管线清淤，而吸泥泵式（图5、图6）适用于较短的管线清淤并要求一定的深度，而且还能进行海管的埋设。

潜水切割设备有浅水高压水研磨料切割工具分为内切割工具（图7）和简易外部切割工具(图8)，还有浅水钻石线切割锯（图9）。

切割坡口机：对损伤管道进行开坡口作业，以便进行焊接是管道换接修复过程中不可缺少的专业设备。主要有分瓣式坡口机图10、爬管式管道坡口机图11等。都需要潜水员进行安装和辅助作业。TLC爬管式坡口机是一种便携式铣削机，通过链条将机体固定在管道上，驱动链轮使机体带着旋转的坡口刀沿链条爬行一周，完成管道的开坡口。由液压驱动，可以在管道水平或垂直方向作业，也可以在壕沟和180 m深水下作业。

管道末端连接器，基于液压设置的机械连接器,其被用于水下点结构连接。当安装后，该连接器将作为结构连接和密封管线。该连接器能承受管线轴向的、弯曲的及扭转等载荷并保持管线压力的完整性。液压连接器如图12。

2.2 300～500 m较水深应急维修工机具简介

对于300～500 m较深水应急维修工具与500 m以深海底管道应急维修工具基本相同。区别在于潜水装备可以采用铠装潜水（ ADS）［5］或 ROV，而深水只能采用 ROV作业。

2.3 500～1500 m内应急维修工机具简介

500 m以深潜水作业采用的是ROV，海底管道应急维修所用到的主要工机具如下：

深水海底管道切割工具，对损伤管段进行切割移除，主要有闸刀锯图14和金刚石绳锯机图15。采用无潜或利用ROV操作来实现深水海管的水平或垂直切割。闸刀式切管机包括机械本体、液压系统及控制系统三大块。其中机械本体包括机架、切割刀架、主运动系统、进给运动系统、让刀装置等。利用液压动力站驱动该设备运行，通过随船工程技术人员远程控制，或者通过ROV操作密封传感器来完成控制。

图14 闸刀锯

图15 金刚石绳锯机

图16 管道夹具

管道夹具：海底管线只是局部的小区域损伤，没有发生管道断裂的话，可以采用安装ROV操作的液压管卡的方式进行永久维修，该方法相对简单和经济。管道夹具如图16。

提管架（PLF）提管时不太受海底地貌的约束，且在进行切管、管线终端修理和安装、连接器对准、安装夹具等时，可用于固定管线便于上述作业。提管架如图17。

管道磨削机具CFRT的主要功能是在切除损坏海底管道后，去除管道的FBE防腐层和焊缝，实现管道更换时的密封连接，最终完成对失效管道的修复。需使用外涂层和焊缝清除工具清除管线终端任何外涂层，如混凝土、硬绝缘层、热融结环氧FBE（Fusion Bonded Epoxy）等；如果管道结构是焊接缝合，还需将焊冠磨平，以便管线回收工具PRT、管线连接器GSHC对管线外表面进行密封。海底管道磨削机具如图18。

图17 提管架

图18 深水海底管道磨削机具

管线回收工具PRT，主要是在海管与回收缆之间提供一个连接，海管回收器塞入海管中，由回收缆将海管回收至海面。Ballgrap管线回收工具如图19。

图19 BallGrab管线回收工具

3 应急维修工机具发展规律

通过对 300 m 以内、300～500 m、500～1500 m 三个不同水深段工机具的介绍，可以看到：1）其发展也经历由浅水到深水，由空气潜水施工到饱和潜水施工，再到ROV施工这一过程。作业装备逐渐由ROV取代潜水员，500m以深基本由ROV进行作业，因此深水应急维修工机具都需要有ROV操作面板；2）由于水深、设备庞大等原因，维修工机具逐渐向液压远程控制发展、自动化程度高；3）海底管道应急维修工具也从单一的工具发展成为系统化的成套专业工具，如深水海底管道维修系统DPRS。其深水应急维修工具也相应地从单一的工具发展成为系统化的成套专业工具。

4 国内深水工机具的发展状况及趋势

我国300 m以深的海底管道应急维修鲜有涉足，但是在300 m以内有丰富的施工经验，并促进了应急维修工具的研究、制造和应用，并取得了一定的成就。“863”以来，我国已研制的水下干式舱系统及切割工具、焊接等配套设备已投入实践并形成了自主知识产权［6］。随着南海深水荔湾3-1油气田的开发，“十二五”加大了对1500 m深水应急维修设备的研究和开发，深水维修方法；深水维修作业装备包括HOV、ADS等；深水维修工具包括应用于涂层清理、自动切割、钻孔等的深水管道水下多功能维修作业机具、有管道封堵和转接功能的油气泄漏源隔离转接输送系统、胀紧式连接器、水下法兰连接机具等，并逐渐形成深水水下应急维修系统。因此我国也在逐步发展深水管道维修系统。

5 结语

随着海洋工程技术的发展和海上油田水深的增加，水下生产系统已经成为国际深水油气资源开发的重要趋势，荔湾3-1深水气田项目已采用水下生产系统的方案，未来中国南海的深水油气资源开发也必将大量使用水下生产系统。因此深水海底管道应急维修系统（DPRS）的研究和发展更加紧迫，虽然国内目前没有深水水下维修的施工作业，但是正在开发由HOV、ROV、ADS、饱和潜水等水下作业设备和水下作业工具系统组成的、最大工作水深1500 m的深水水下作业装备以及相关作业工艺与技术，这将形成强而有力的深水海底管道维修能力，为海上油气田安全生产提供保障。

［1］ 刘春厚，潘东民，吴谊山.海底管道维修方法综述［J］.中国海上油气，2004（1）：61-64.

［2］ 梁富浩，李爱华，张永祥，等.深水海底管线维修系统研究进展及有关问题探讨［J］.中国海上油气，2009（5）：352-357.

［3］ 房晓明.海底管线干式维修技术［J］.哈尔滨工程大学学报，2008（7）：651-567.

［4］ 梁晓锋，张裕芳，易宏，等.水下管道维修干式舱系统可靠性及安全性分析［J］.船舶工程.2008（2）：67-71.

［5］ 汤国伟，邱中梁，杨申申，等.常压潜水装具水下作业工具研究［J］.液压与气动，2009（6）：5-7.

［6］ 王常文.深水海底管道维修系统工程应用研究［D］.天津：天津大学，2010.