坡口机在海底油气管道切割中的应用

符方超 高原 崔宁（深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518067）

坡口机在海底油气管道切割中的应用

符方超 高原 崔宁（深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518067）

介绍项目背景，选择合适的切割方法，详述坡口机在水下油气管道切割中的应用，以及实际切割过程中存在的问题，分析切割过程中产生问题的原因，结合理论分析采取有效的施工措施，促使安全高效的完成水下油气管道切割作业。

随着国内海上油气开发的发展，国内油气田的数量逐年增加，在服役的油气管道也逐年递增。随着海底管道使用年限的增加，海水的腐蚀，海底管道的老化，以及现代人类渔业活动的影响，海管失效的事件越来越多，为了保证油气田的正常开采作业，需要对海底油气管道进行修复作业，切割更换受损段的海管。水下切割有较高的风险性，潜水员进行热切割面临着触电、爆炸、灼伤、溺水等方面的伤害，尤其是在油气结构的切割作业中更危险，冷切割在海洋工程施工中得到了较好的应用。

1 海底油气管道的切割

1.1 %1项目背景

目标海管位于中国南海，距香港278km，水深83米。由于船锚及渔网的拖拽，在2013年目标海管已经发生了泄漏，经临时处理后恢复正常运营，目标海管的运输物为天然气。经专家评审决定2016年对目标海管进行更换维修，切割受损管段，安装预制好的新管段，海管直径为28寸。

1.2 %1切割方法的选择

海管热切割是集中热能使海管熔化分离，达到切割海管的目标。在进行海管切割作业前会先把海管内天然气排空，但是不排除海管内会有残留天然气，在接触明火作业的情况下，管内残留的天然气有可能会发生爆炸，造成人员伤亡等事故，故目标油气海管不能进行热切割，选择冷切割。

冷切割是采用切割过程不产生高温的技术手段或方法，使被切割物保持原有材料特性，切割过程温度没有剧烈的升温变化，通常温升不超过40摄氏度。摩擦切割法：通常采用砂轮锯片切割，切割过程使用冷却液进行降温达到冷切割的效果；切削法：采用切削的方式进行切割作业，切割过程采用冷却液进行降温达到冷切割的效果，如锯片切割；化学法：采用不同的腐蚀材料对被切割物体进行切割。

切割掉受损段的海管后，剩余的海管端部需要焊接法兰，这要求端面平整规则，带有坡口等，为了让切割作业一步到位，避免重复切割，提高施工作业的效率，选用坡口机切割机进行海管的切割作业。

1.3 %1坡口机水下施工常规步骤

潜水员水下检查确认海管清理完成，满足切割作业以及后期法兰焊接要求，工程船舶甲板人员用绞车、吊机或潜水引绳下放坡口机，在下放前将坡口机拆分成两半。下放到位后由潜水员完成坡口机的安装，连接液压管线。

坡口机监督和潜水控制室间保持良好的通讯沟通，坡口机监督和潜水监督进行通讯测试，确认通讯正常后开始切割作业。潜水员离开海管切割点处，在可视范围内观察坡口机的运行状态，潜水员就位后报告潜水监督，坡口机监督得到潜水监督的报告后开始试运行坡口机。坡口机试运行正常，潜水员在坡口机监督的指示下对坡口机进行进刀操作，完成进刀后开始运行坡口机进行海管的切割作业，在切割过程中潜水员用工具清除切割产生的铁屑，避免由于铁屑夹杂而产生卡刀的现象。完成该深度的切割后，停止坡口机，潜水员调整坡口机进刀，一次反复的进行上述操作，切削至海管分离，完成切割作业。

2 切割过程中出现的问题及优化方法

2.1 切割过程中出现的问题

在整个切割过程中各方人员严格遵循坡口机切割作业程序，但是依然发生卡刀的现象，甚至出现断刀的现象，潜水员需要拆除旧刀片并安装新刀片，卡刀后很难拆除刀片，拆除工作需要花费一个小时左右，严重影响项目的施工进度、作业效率。更换新的刀片后重新进行海管切割作业，到达一定切割深度后会反复出现卡刀现象。

2.2 卡刀的原因分析

对卡刀现象进行简单的原因分析，作业处的海管处于悬空状态，海管受到重力作用，在切割的过程中，海管会有弯折、切割点下坠的趋势，海管上端受挤压作用力，下端受拉伸扩张的作用力，如下图所示：

图2 海管变化趋势图

随着海管切割深度的加深，海管壁厚变薄，海管由于自身重力的作用产生轻微的变形、下坠趋势，上坡口出现挤压、角度变小的趋势，下破口出现扩张、角度变大的趋势，如下图所示：

图3 坡口变化趋势图

随着管壁的变薄，海管弯折的变形量会加大，上坡口受挤压力加大。随着切割深度的加深，金刚石切割刀片与坡口的的接触面加大，刀片受到的挤压力加大，f摩擦力=F挤压力μ摩擦系数，摩擦系数不变，随着挤压力变大，摩擦力变大。切割深度越大约会出现卡刀，并且卡刀出现在挤压力比较大的上坡口附近。

2.3 切割优化方法

为了更好更快更有效的完成海管的切割作业，对常规的切割作业步骤进行优化，采取了以下两种方法：一、扩宽切割坡口；二、增加浮袋抵消海管的自身重力。当坡口的扩宽量大于海管的变形量时，刀片的一侧面与海管不产生接触，刀片受到的挤压力可忽略不计，不会产生卡刀的现象，坡口扩宽方法如下所示：

图4 坡口扩宽

海管切割深度达到5cm，退出刀片，移动坡口机3cm重新就位，安装完成后启动液压设备进行坡口的扩宽，在切割达到一定深度后又需移动坡口机重新就位，反复多次的移位切割避免卡刀。这样的操作相当于一道切割口进行了多次的切割，并且需要反复的安装就位坡口机，需要花费较多的施工时间。为了提高施工效率，采取优化方法二：浮袋抵消海管自身重力。优化方法如下图所示：

图5 安装浮袋抵消海管重力

海管切割口两侧各安装一个浮袋，对浮袋进行一定量的充气后，开始海管的切割作业，当上坡口处出现卡刀或机器运行受阻时，往浮袋内冲入更多的气体直到卡刀现象消失、机器正常运行。该优化方法减少了坡口机重新安装就位的次数，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会出现海管下坠等明显的现象，海管切割坡口平整规则，没有撕裂、毛刺等现象，后续可直接进行海管法兰的焊接。

3 结语

坡口机应用于海底油气管道切割的实际施工，通过扩宽坡口和浮袋抵消海管重力等施工方案的优化，促使安全高效的完成海底油气管道的切割作业。坡口机海底管道切割方案的优化达到了降本增效的实效。

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符方超（1986-）男，工学学士，中级工程师，主要从事海洋石油水下工程技术研究，水下结构的安装、检测与抢修。