水下大型结构物拆除回收技术简介及应用

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(深圳海油工程水下技术有限公司， 深圳 518067)

0 引 言

近年来，随着海洋石油工程技术的高速发展，水下服役的生产设施越来越多。在海洋工程行业中，水下油气生产设施的设计寿命一般在20年左右，按照相关的法律和法规，当海洋设施的作业寿命到期后，如果没有其他用途，必须进行废弃处理[1]。同时，由于设计、建造、海洋环境多变及外力破坏等原因造成的水下油气设施损坏也越来越多，这种突发情况为生产和海洋环境带来巨大威胁。因此，安全、高效地对已废弃或损坏的水下设施进行拆除回收是非常必要的。

2016年3月，崖城13-1气田在整条海管处于生产状态的情况下，完成了2个约85 m水下阀组撬块的拆除回收工作。本文以该项目水下结构物拆除作业为参考背景，对水下大型结构物拆除回收技术及其实际应用进行介绍。

1 水下大型结构物拆除回收技术简介

目前海洋工程行业进行较深水(50～250 m)施工时，一般由饱和潜水支持船作为主作业船，饱和潜水员进行主要水下作业。该水深水下阀组撬块拆除回收主要方法为：临时封堵海管、切断海管连接、吊耳清理检测、撬块周围清理、阀组撬块分部拆除回收、定位桩回收。

1.1 临时封堵海管

在海管处于生产状态下对水下阀组撬块进行拆除需要将海管临时封堵，与撬块隔离。首先在海管保持生产压力的情况下，通过将开孔机、隔离阀和机械三通组装在一起，就位安装于清理表面涂层后的海管指定位置，对海管实施开孔作业。再通过封堵机将封堵球由开孔位置旋转入海管内，最终完成临时封堵，整个过程均由液压脐带缆连接到水上操作系统进行控制，潜水员水下辅助操作和监视。封堵球如图1所示，海管封堵如图2所示。

图1 封堵球 图2 海管封堵

1.2 海管切割

图3 分瓣式切割坡口机

阀组撬块与海管连接，须将两侧海管的连接切割后方可回收。崖城海管为28英寸(1英寸≈0.025 4 m)天然气管线，采用热切割的方法可能会引起管道爆炸，所以选择分瓣式切割坡口机作为海管切割工具。分瓣式切割坡口机是外卡式安装的便携式管道切割坡口系统。它重量轻，采用精密的加工刀具及模组化零配件设计，使得它可在圆管上高效、精确地完成切割作业。该坡口机主要由机体、液压泵、脐带缆绞车组成，多个定位块用来调整机器使其与海管同心。液压驱动系统采用旋转刀架与进给销的配合推动刀头切入到工件中，完成对海管的切割。分瓣式切割坡口机如图3所示。

在原始铺设时，海管上有铺设张力残余，同时切割点位置悬空，海管存在着自身重力。为避免切割时海管错位造成卡刀，切割前在海管上加浮袋以抵消重力，并在海管两侧用倒链固定到配重块(Dead Man Anchor， DMA)上。切割时调整刀具，将头刀与后刀错开，将切割宽度由刀具厚度7 mm拓宽到11 mm，并在壁厚剩余4～5 mm时更换为5 mm厚刀具，减少进给量至0.1 mm/圈，有卡刀迹象拔出进给销，在无进给状态下切割。切口端面如图4所示。

1.3 吊耳清理、检测

阀组在水下服役多年，回收前须通过检测、计算，确保吊耳满足撬块回收的载荷要求。阀组撬块分为外部保护罩和撬块基座，需要分开单独拆除回收，因此上面的吊耳均须完成检测。本次吊耳处海水生物清理采用高压水冲洗技术，即将水通过增压器获得高压水，再经过特殊设计的喷嘴小孔后形成速度数倍于音速的高能量射流束。高压水作用于材料表面会产生很大的冲击力，从而达到清理的效果。高压水枪的枪身一般超过1.5 m，重量超过15 kg。影响高压水枪清理效率的工作参数有：水压、流量、喷嘴结构、靶距、冲击角度、横移速度等。高压水枪运行时的喷射压力通常在10 000～20 000 psi(约70～140 MPa)，一旦达到20 000 psi(140 MPa)以上的压力就可用于切割钢铁类材料；当用于海生物清理时，压力一般控制在7 000～11 000 psi(约49～77 MPa)[2]。高压水枪如图5所示。

图4 切口端面 图5 高压水枪

交流电磁场裂纹检测技术(Alternating Current Field Measurement， ACFM)以电磁感应原理为理论基础。利用导电材料中的缺陷改变电磁场的分布产生压电磁性效应，通过测量电磁场分布的变化，并与标准的理想缺陷所形成的电磁场进行比较，从而确定缺陷[3]，可以测量裂纹的长度和计算裂纹的深度(可达33 mm)。目前仅英国技术软件咨询公司(Technical Software Consultants， TSC) 公司提供ACFM检测设备，该设备硬件包括水上单元、水下单元和探头，ACFM检测设备如图6所示。水上检测工程师须具备焊接与检验从业人员资格证书(Certification Scheme for Welding & Inspection Personnel， CSWIP)认证机构认证的3.4U检测证书；水下潜水员须具备CSWIP 3.1U检测证书，携带ACFM探头，根据水上检测工程师指令操作即可。吊耳ACFM检测结果如图7所示。

图6 ACFM检测设备 图7 吊耳ACFM检测

1.4 阀组撬块周围清理

经过调查，阀组撬块通过倒链连接至3个配重块上，同时周围堆放着用于保护阀组的水泥压块，会对拆除、回收工作造成影响，须进行清理。部分压块尼龙绳已完全腐蚀，无法直接吊开，由吊机配合潜水员使用水下簸箕，将压块吊至一边无障碍位置。完成后，潜水员解除撬块与配重块之间的倒链连接，并由吊机移开配重块。对阀组撬块周围进行最终调查，确保不会再对拆除、回收造成影响。

1.5 阀组撬块分部拆除、回收

阀组撬块外部保护罩和撬块基座须分开回收，其中：外部保护罩长15.24 m，宽8.96 m，水中重量37 t；撬块基座长11.63 m，宽4.96 m，水中重46 t。外部保护罩与撬块基座通过桩腿与套筒形式连接，其中2对角线桩腿内部有2根定位桩并插入泥面以下。该定位桩只起到限位作用，桩腿、套筒与定位桩之间通过销轴固定。为避免有残余天然气，拆除时采用液压圆盘锯的冷切割方式。潜水员使用圆盘锯对桩腿与套筒连接位置进行切割，并拆除固定销轴。至此，外部保护罩、撬块基座分部回收拆除工作完成，定位桩对两者均无干涉。

吊机挂钩外部保护罩回收索具，下放至外部保护罩上方5 m位置，潜水员连接索具至外部保护罩吊耳上，并安装好尾绳。吊机调节吊点至中心位置后，缓缓受力直至保护罩完全提拉出来(每加10 t力暂停观察)，无人遥控潜水器(Remotely Operated Vehicle， ROV)监控整个提升过程。吊机受力稳定后，ROV继续监控将保护罩回收至甲板。外部保护罩回收如图8所示。

撬块基座回收索具的选择须充分考虑到可能由海床泥面吸附力带来的极限载荷，须具备足够的提升载荷。与外部保护罩回收类似，吊机挂钩回收索具下放至撬块基座上方5 m位置，潜水员连接索具至撬块基座吊耳上，并安装好尾绳。调节吊点至中心位置，吊机缓缓受力直至撬块基座完全提拉出来(每加10 t力暂停观察)，ROV监控整个提升过程。吊机受力稳定后，ROV继续监控将阀组本体回收至甲板。撬块基座回收如图9所示。

图8 外部保护罩回收 图9 撬块基座回收

1.6 定位桩拆除、回收

12英寸定位桩对阀组起限位作用，插入海床泥面以下最深达10 m，根据有关部门现有的管理文件规定：报废的水下装置、套管、桩等海底遗留物都必须按规定清除至海底泥面以下4 m。需要保留的装置或其它孤立的水下遗留物均须按港务监督要求设置方位标或在其不超过50 m的范围内设置孤立危险物标[4]。若采用切割的方法，则需要先对定位桩泥面以下4 m范围内进行吸泥，然后进行切割，吸泥工作量较大。根据现场调查，鉴于该位置泥质较软，12英寸定位桩重量与吸附力都不是太大，经评估决定使用吊机将定位桩整根拔出。潜水员在12英寸定位桩上绑扎吊带作为提拉索具，吊机下放钩头入水，潜水员挂钩吊带，吊机缓缓加力提拉定位桩，ROV监控整个提升过程。吊机受力稳定后，ROV继续监控将定位桩回收至甲板。使用直接拔出定位桩代替吸泥后切割的方法，大大降低水下施工的难度，避免了吸泥、切割等作业所需的大量时间，提高海上的施工效率。

2 水下大型结构物拆除回收技术应用分析

当前，我国东海、南海海域有很多水下基盘、控制撬块及单点等水下大型结构物正在服役。水下大型结构物拆除回收技术很好地解决了这些较深水基盘或撬块到达服役年限的拆除回收问题，该技术的应用可保证拆除作业快速、可靠地完成。海管处于生产状态下，较深水水下大型结构物拆除回收工作的大体施工流程如图10所示。

图10 水下大型结构物拆除回收工作施工流程

崖城13-1气田项目先后完成了2个阀组保护罩、2个撬块基座的拆除回收工作。通过对项目中水下结构物拆除回收施工操作的分析，总结出以下需要注意的地方：

(1) 避免海水进入海管。切割前，由封堵球从开孔位置进入海管，对海管进行临时封堵。封堵球上集成有清扫装置，其结构为四氟乙烯刷子，通过螺钉固定于封堵球上。在设置封堵球由竖直位置旋转就位于水平位置的过程中，通过板刷的刷网将海管带压开孔时残留在海管内壁的铁屑或残留物清扫带走，为封堵球的密封层创造整洁的海管内表面，起到提升封堵球密封可靠性的作用。

(2) 切割设备。目前，适用于水下作业的切割设备有很多，包括分瓣式切割坡口机、爬管式坡口机、闸刀式切管机、钻石线切割机、电氧切割机、高压水研磨料切割机等。切割设备的选择直接影响海上施工效率，须根据项目实际情况，选择合适的切割设备。此次项目海管输送介质为高压天然气，为保证安全须采用水下冷切割，同时结合水下操作难度和经济性考虑，最终选择了分瓣式切割坡口机。

(3) 吊装准备。吊索：在项目准备过程中，工程师须根据水下结构物自身重量和尺寸特性、土壤吸附力及现场海况等因素，设计符合要求的吊装索具和撑杆，并提交吊装计算分析报告。吊点：由于结构物在海底服役多年，吊点不可避免地存在腐蚀。吊装前须进行清理，并进行ACFM检测，根据检测结果判断吊点是否满足结构物要求。若不满足，须采取现场进行结构加强等应对措施。

项目海上施工过程中，由于涉及生产状态下海管切割和大型结构物吊装等高风险作业，必须确保每个步骤完成后方可继续作业，以保证项目的高效、安全完成。

3 结 语

本文以崖城13-1气田项目的施工为基础，介绍了在海管生产状态下，水下大型结构物的拆除、回收技术应用。该技术在保证了水下大型结构物快速、可靠拆除回收的同时，通过临时封堵措施确保海管不会进水造成海管内腐蚀，确保了整条海管的完整性，可为日后较深水水下大型结构物的拆除回收作业提供参考。

[1] 王勇，戴兵，高军伟．废弃海洋石油平台的拆除[J].机械工程师，2010(01)：134-136．

[2] 刘庭成. 高压水射流技术及其在清洗中的应用[J].洗净技术，2003(01)：29-32.

[3] 张剑波.水下检测与维修技术的发展综述[J].中国海洋平台,2004,19(03):45-48.

[4] 惠胜利，王儒.水下生产系统及海底管线废弃技术研究[J].中国水运，2016,16(01)：326-328.