深水海底管道受损修复关键设备的选择与应用

张晓健，阳连丰，甘惠良，刘玉强，白 冰

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

深水海底管道受损修复关键设备的选择与应用

张晓健，阳连丰，甘惠良，刘玉强，白 冰

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

以往在进行深水海底管道修复时，先由潜水员使用电氧切割机对旧管道进行切割，而后在旧管道端部开孔安装销轴，采用回收钢缆进行回收，其作业效率低下。选用钻石线切割机、海底管道回收工具（PRT）进行海底管道修复，可大大提高施工方案的可实施性。简要介绍了传统的受损海底管道切割回收方式，钻石线切割机和PRT的结构、工作原理和应用情况；而后以南海某工程项目海底管道修复施工为例，重点论述了国内首次使用钻石线切割机和PRT修复受损深水海底管道的过程，并提出了一些注意事项及建议。

海底管道；修复；钻石线切割机；PRT

近年来，随着海洋油气资源开发的不断升温，并逐步走向深水，海底管道施工面临了诸多新的挑战。目前，深水海底管道的铺设技术及装备已经很成熟，国内自主铺设海底管道水深已经超过1 500 m，但深水海底管道的受损修复技术及修复设备的应用经验尚有欠缺。随着海底管道铺设数量的日益增多，受损海底管道的数量也随之升高[1]。海底管道在安装阶段发生湿式屈曲或在其他外力作用下发生损伤，其造成的损失是难以接受的。因此，必须采用高效、可靠的修复设备，快速地完成海底管道的修复。当海底管道发生湿式屈曲或在外力作用下发生损伤时，首先要使用专用设备在水下切断海底管道，并将切除的受损海底管道移至安全区域，再使用专用回收设备将海底管道回收至铺管船作业线，而后重新铺设海底管道。由此可见，深水海底管道受损修复施工的最关键步骤是海底管道的水下切割与重新回收，其中海底管道水下切割与回收设备的选择应用，在很大程度上决定了修复工程的成败。本文以南海某油田开发项目海底管道修复为例，简要介绍深水海底管道修复设备的选择与应用，以期对今后类似海底管道修复施工提供一定的经验借鉴。

1 传统海底受损管道切割回收方式

通常，海底管道水下切割是由潜水员使用电氧切割机进行切割完成的，但此方法效率低下，尤其是对于双层保温海底管道，其切割耗时更长，并且受水深限制，无法在深水区域作业。此外，电氧切割后的断口极不规则，且难以成型，见图1，这种切口极不利于后续回收设备的应用。在以往的工程实例中，海底管道回收是采用在管道端部开孔安装销轴后，连接回收钢缆的方式进行海底管道回收作业，但此种方法不仅作业效率低，而且还可能导致开孔后的海底管道端部在较大回收张力作用下发生撕裂，从而导致回收作业失败。

钻石线切割机和PRT（Pipeline Recovery Tool，管道回收工具）作为专门用于深水海底管道修复的“黄金搭档”，因其安全、高效、使用便捷，越来越多地在世界范围内得到应用，并且在国外已经发展成熟。国内则起步较晚，使用钻石线切割机和PRT设备联合作业的经验尚属空白。

图1 海底管道电氧切割后照片

2 海底管道修复设备的应用情况

2.1 钻石线切割机

海底管道水下切割行业内常用的设备主要包括钻石线切割机、闸刀式管锯、爬管式坡口机、分瓣式切割机等几种类型。其中闸刀式管锯、爬管式坡口机和分瓣式切割机主要应用于浅水区域，受作业水深限制而无法应用到深水海底管道切割作业中。而钻石线切割机是一套能够切割多种管径钢管（可带有钢筋混凝土层等）的多功能切割作业系统。这种切割工具具有作业适应范围广泛、安装便捷、操作性好、作业时间短等特点，且可以使用ROV（水下机器人）进行水下操作（作业水深可达3 000 m），因此被业内认可为深水海底管道修复的最关键设备。现阶段国内外从事钻石线切割机租赁和销售的公司主要有英国的MIRAGE，美国的WACHS等。图2为钻石线切割机示意。

图2 钻石线切割机示意

本文主要以美国的WACHS钻石线切割机为例，介绍其性能参数：

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

（2）驱动方式：由ROV提供液压动力源后，液压自动夹持和液压自动进给。

（3）可切割的介质：由碳钢、合金钢、不锈钢等各种金属材质制成的单层海底管道和双层海底管道，大尺寸导管架桩腿；更重要的是这种切割设备具备能够同时整体切割钢筋混凝土配重层、防腐层和海底管道的功能，基本不受被切割物材质、形式、形状的限制。

（4）操作控制方式：采用水下ROV安装，水上远程控制，具有多个ROV控制接口。

（5）切割速度：0～1 500 r/min。

（6）最大作业水深：3 000 m。

最为关键的是，深水海底管道回收必须使用PRT，根据PRT使用要求，管道切割断口处管口的垂直度偏差不能大于5°，如图3所示。因此，传统的电氧切割方式不满足该技术要求，只能选用钻石线切割机完成海底管道的水下切割。

图3 PRT对管口尺寸的要求

2.2 海底管道回收工具PRT

现阶段，国外从事PRT租赁和销售的公司主要有英国的First Subsea、Balltec，荷兰的RHC公司等，这些公司的PRT结构形式基本类似，典型的PRT结构如图4所示。

PRT主要由主接入工具（轴套及承力钢珠或楔块）、可拆卸的机械吊臂、激发装置等组成[2]。其工作原理是通过激发装置（厂家提供）使PRT轴套收缩，钢珠（或楔块）胀起，实现与海底管道内壁的充分接合，借助足够大的摩擦力克服管道回收所产生的张力。钢珠或楔块能较为温和地接触管道内壁，钢珠或楔块由于数量足够多，克服了管道由于腐蚀或内蜡沉积而引起的壁厚尺寸不均一的问题，达到了钢珠既不会损坏管道内壁，又解决了可能由于接触不均匀而导致回收失败问题的双重目的。通常，不同厂家的PRT启动方式有所不同，一般有液压式和机械式两种[2-3]。机械式通过掰动机械开关而使轴套收缩，从而达到分离状态；液压式需借助液压动力站等设备对PRT轴套加压，使其收缩，让承力钢珠自然处于分离状态。当PRT插入管道完成安装就位后，ROV协助将PRT激发启动，使轴套向外移动，承力钢珠（或楔块）胀起接触海底管道内壁完成结合，即工作状态。然后，打开机械吊臂固定保险销拆除吊臂，即可进行回收作业。需要说明的是机械吊臂上一般都有一组吊眼，主要用于吊装PRT时的角度调整，以便顺利地完成PRT安装。

图4 PRT结构示意

3 工程应用实例

3.1 工程项目概况

本工程项目所处位置平均工作水深约90～95 m，油田概况如图5所示。

图5 某油田布置示意（1 in=25.4 mm）

在导管架安装预调查时发现，新铺设两条双层混输海底管道因受渔业捕捞影响而均发生较为严重的损坏，见图6。其中一条海底管道在距离平台侧90 m处发生90°弯折，另一条10 in/14 in海底管道在距离平台侧142 m处发生弯折打结。经建模计算分析，10 in/14 in海底管道修复长度为732 m，12 in/18 in海底管道修复长度为524 m。

图6 受损海底管道照片

3.2 工程项目施工过程

本次海底管道修复工程涉及较多的施工资源锁定、准备及动员工作，在此不再进行介绍。下面详细介绍海底管道修复方案及钻石线切割机和PRT在本次海底管道修复过程中的实际应用。海底管道修复的主要施工方案如下：

（1）施工前对海底管道受损情况进行ROV调查，确认受损情况及切割位置。

（2）打开海底管道起始封头和终止封头上预装的阀门，进行自由注水，保证管道内外压力平衡。

（3）为便于钻石线切割机安装在确定的水下切割点位置，需进行吸泥处理，钻石线切割锯安装要求的吸泥范围为800 mm×1 500 mm×600 mm，如图7所示[4]。

（4）使用钻石线切割机在确定的切割点位置对海底管道进行水下切割，切割完成后将受损部分海底管道进行拖拉移位，避免影响后续施工。图8为钻石线切割机水下切割照片，可以明显看出管口切割后非常平整。

图8 钻石线切割机水下切割海底管道

（5）下放PRT至管端位置，通过移船和摆动吊机、潜水员水下拖拉牵引绳，使PRT端部进入海底管道，随后安装吊带和手拉葫芦，通过收紧手拉葫芦使PRT逐步完全进入管道中。ROV打开启动阀门将液压油释放，PRT轴套向外移动，承力钢珠向外扩张，钢珠受力，此时PRT处于结合工作状态，具备管道回收作业条件（另一种启动方式为将快速接头（hotstab）插入液压容器接口处，通过液压动力站给进给管路加压使PRT轴套伸张，钢珠受力）。确认PRT就位后拆除吊带、手拉葫芦及机械臂固定保险销等装置。为便于PRT安装，需要对海底管道端部进行处理，可以采取吸泥处理或沙袋垫高的方法，可根据海底土壤情况灵活选用，如图9～10所示。

图9 管端区域预处理方法示意

图10 PRT安装示意

（6）铺管船到达指定位置就位，下放A/R缆，ROV协助完成PRT尾端的浮球索具与A/R绞车挂钩的连接，见图11。之后按照施工程序和计算分析步骤进行海底管道回收作业，回收过程中ROV需对PRT进行实时监控[4]。

图11 A/R绞车钢缆与PRT连接

（7）通过与PRT连接的A/R绞车钢缆，将海底管道回收至铺管船作业线，见图12。而后完成张力转换，依靠张紧器来提供海底管道回收张力。完成张力转换后使用加压设备对PRT进行加压，使PRT内部承力钢珠与海底管道内壁分离，移除PRT。

（8）按照铺管船工作站分工，开始清理海底管道外防腐涂层、阳极，进行内管、外管切割等工作。

图12 PRT回收海底管道至作业线

（9）继续按照施工程序进行倒船、切割海底管道，回收至锚固件处，切除锚固件管后，使用新管材按照施工程序进行海底管道正常铺设。当铺设至设计的法兰连接点（Tie-in点）时，按照程序终止铺设作业。

在该项目海底管道修复作业中，同时用到了机械式（Balltec公司提供）和液压式（First Subsea公司提供）两种不同形式的PRT，并成功地将海底管道以湿式回收的方式回收至铺管船作业线。该项目是国内海洋石油工程界首次使用钻石线切割机和PRT完成受损海底管道的修复，意义重大。在中国南海另一条海底管道修复施工过程中，使用First Subsea公司的PRT成功地将已服役20年的管径28 in的混凝土配重海底管道回收至作业线。

4 几点建议

深水海底管道的修复存在诸多风险与挑战，科学地选用深水海底管道修复设备，大大提高了施工方案的可实施性。该项目海底管道的成功修复，可作为一个典型案例，为今后进行类似海底管道修复作业时关键设备的选取、应用及施工方案的制订提供一定的经验借鉴。下面根据该项目海底管道修复设备的应用及施工经验提出一些建议。

（1）在选用钻石线切割机时，要根据水深配备相应的液压管道，并核实钻石线切割机管道接口与ROV接口形式是否匹配，如有必要，则提前制作匹配的转换接头以满足连接要求。

（2）钻石线的锯条为易损、消耗件，要根据水下切割物的材质、管径、壁厚及海底管道管体结构形式来核算切割工作量，以便考虑充足的锯条数量，以免影响现场施工。

（3）海底管道水下切割位置要尽可能位于海底管道直线段部分，尽量远离打折、弯曲部分，以免因残余应力的存在，给切割及后续回收造成困难。

（4）PRT下水使用前要在甲板完成组装、调试，如需水下进行PRT激活，则应提前确认设备厂家是否提供液压动力源，快速接头软管和ROV接口是否匹配。

（5）PRT安装前必须采取对管端进行垫高或对管端周围进行吹坑等措施，使管头与海床保持一定的高度，形成夹角，这样不仅方便安装，且可以避免泥沙进入PRT，否则一旦泥沙进入PRT，则须重新回收至甲板清洗、调试后方能再次使用。

（6）在使用钻石线切割机、PRT进行水下安装、作业时，需要使用两台ROV，一台进行操作，另一台作为观察指导操作使用。

5 结束语

随着海底管道受损事件的日益增多，安全高效地进行海底管道修复是必须面对的问题，高效、可靠的修复设备关系到整个修复作业的成败。但目前关键设备尚依赖进口，国外公司出于技术保密的考虑，像PRT这样的设备是只租不卖。而且，这种关键设备的进口和租赁需要花较长的时间和高昂的费用，在造成工程费用增加的同时，在突发紧急情况下修复作业又会受到延误。所以，为提高国内在深水海底管道领域的施工能力，缩小同国外公司的差距，摆脱国外公司的垄断和限制，关键设备的国产化是大势所趋，这需要业界同仁们共同的努力。

[1]魏中格，齐雅茹，刘鸿升，等.海底管道维修技术[J].石油工程建设，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]阳连丰，张晓健.湿式回收技术在海底管道受损修复过程中的应用[J].海洋工程装备与技术，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

张晓健（1986-），男，河北唐山人，工程师，2009年毕业于大庆石油学院金属材料工程专业，主要从事海洋石油工程项目管理工作。Email：zhangxj1@mail.cooec.com.cn

2017-07-12