小型船舶与装备在海管机械管卡修复技术中的应用研究

周 波* 白 宁 杨 乾 陈立国

（海洋石油工程股份有限公司）

0 引言

随着在役海底管线日益增多，管线内外腐蚀导致的管线泄漏情况不断增加。例如，2012年渤海某管线完成了内检测评估后发现，6处缺陷腐蚀深度超过60%,发现腐蚀缺陷并提前进行维修处理不仅能有效防止油气泄漏导致的海洋环境污染，而且能大大降低油气泄漏带来的直接和间接经济损失。对于海管无明显变形的情况，通常采用机械管卡修复方式来完成修复工作[1]，机械管卡修复方式程序简单，技术成熟，但这种修复方式通常需要使用大型船舶和装备，不仅占用了大量资源，而且施工成本较高。

1 机械管卡修复技术

1.1 工作原理及结构

海管机械管卡的密封原理是两条环形胶条和两条轴向橡胶条在两瓣半圆形钢制腔体的挤压下形成环形密封腔，将海管泄漏点包裹在环形密封腔内，如图1所示[2]。根据闭合方式不同，机械管卡可分为液压驱动闭合和无液压驱动闭合两种类型，国产卡具多采用无液压驱动闭合方式，国外进口卡具多采用液压驱动闭合方式。由于进口卡具供货周期长，且价格昂贵，并不适用于海管应急抢修项目[3]，因此，在国内的海管维抢修项目中，无液压驱动闭合方式的机械管卡较为常用。

图1 海管机械管卡

1.2 机械管卡修复程序

机械管卡修复程序如下：（1）作业基坑开挖，管线暴露；（2）管线水泥配重层、防腐层清理；（3）管线圆度测量；（4）机械管卡水下安装；（5）气密性试验；（6）裸露海管防腐处理；（7）砂袋回填[4]。

2 传统施工方式

2.1 施工设备选择

机械管卡修复需要的主要施工设备有挖沟机、高压水涂层清理设备、潜水设备和试压设备。传统施工方法选用的挖沟机体积大，船舶甲板需求面积大，而且由于大型挖沟机质量较大，对船舶吊装能力也有较高要求，通常要求船舶吊装能力不小于150 t。表1为各类设备甲板面积需求情况。

表1 设备甲板面积需求情况

2.2 机械管卡安装方法

传统机械管卡安装方法是在完成作业基坑开挖海管水泥配重层和防腐层清理工作后，选择一个合适的天气窗口，使用吊机和倒链相互配合吊装机械管卡下水，在潜水员的引导下到达海管的安装位置，潜水员使用倒链将机械管卡闭合，使用液压拉伸器或者液压扳手将机械管卡螺栓紧固，完成机械管卡的水下安装工作，如图2所示。

图2 机械管卡传统安装

2.3 传统安装方式的难点

（1）大型船舶和挖沟机设备锁定困难，前期准备工作时间长，对于海管应急抢修类项目响应速度慢、修复成本高。

（2）大型船舶无法在极浅水域施工。

（3）机械管卡对船舶稳定性和潜水员操作熟练度要求高，若在一个天气窗口或平潮时段内完不成安装工作，需将机械管卡回收，等待下一个天气窗口或平潮时段再重新安装。

（4）机械管卡在闭合过程中常因合拢角度逐渐缩小使得胶条挤压受力不均匀而造成密封胶条被挤出，最终导致卡具密封失效，出现安装失败的情况。

3 新型施工工艺

根据海管应急抢修的经验，海管一旦泄漏或者施工区域为极浅水域时，大型船舶资源无法快速锁定，并且也无法进入极浅的水域内施工，耽误海管修复施工，造成更大损失。经过市场调研，小型浮吊船舶（吊装能力＜100 t）数量众多，通过研究选用几种小型设备资源来代替大型装备，降低装备对船舶甲板使用面积和吊机能力的需求，从而使小型浮吊船能够满足海管机械管卡修复作业的要求。

3.1 小型施工装备选择

（1）定点开挖类设备

海管机械管卡修复方式对作业基坑的面积要求为5 m×3 m，深度为2～2.5 m，在管线位置已经确定的情况下，吸泥管、吸泥泵等小型定点开挖设备完全可以满足开挖要求，若管线位置不确定则可以使用T型排泥设备进行大范围管线寻找和基坑开挖工作。T型排泥设备主要包括挖沟机本体、液压动力站、液压绞车（如图3所示），甲板需求面积约为20～40 m2，最大质量为12 t。

图3 T型排泥设备

（2）高压水涂层清理设备

高压水涂层清理设备主要用来清除海管水泥配重层和防腐层，主要包含高压水泵和高压水夹持设备，甲板的需求面积约为40～50 m2，最大设备质量为9 t[5]，如图4所示。

图4 高压水涂层清理设备

（3）机械管卡辅助安装装置

如图5所示，机械管卡辅助安装装置主要用来辅助安装机械管卡，其工作原理是通过两侧的平行位移机构带动机械管卡的两瓣卡具平行式闭合，这种闭合方式能使密封胶条均匀挤压变形，密封效果好[6]。该装置在沿海管方向两侧具有两个安装支架，可通过齿链固定到海管上。使用时，先将机械管卡安装在船舶甲板辅助安装装置的平行位移机构上，潜水员将该装置和机械管卡一同固定到海管上后解除吊机和装置的连接部分，若潜水员无法在一个平潮时段内完成机械管卡闭合工作，可在下一个平潮时段继续安装。这样解决了一个平潮时段无法完成机械管卡安装而需要回收管卡的尴尬情况。机械管卡辅助安装装置甲板需求面积约为10 m2，质量为1 t。

图5 机械管卡辅助安装装置

（4）其他设备

其他设备如椭圆度测量仪、试压设备等可以放入工具箱内，不占用甲板面积。

3.2 施工船舶选择

根据上节装备的选择，计算出设备所需船舶甲板面积约为180～230 m2，最大吊装能力为12 t，从而提出了新型施工方式对船舶的要求。表2为新型施工工艺对小型船舶的主要参数要求。

表2 小型船舶主要参数要求

目前，国内满足上述要求的小型浮吊船舶数量较多，且其租赁成本较低，不仅很大程度上降低了寻找船舶资源的难度，而且小型船舶能够在极浅水的环境中进行施工作业。

4 结论

通过研究，小型船舶和装备资源完全有能力完成海管机械管卡修复作业。由于小型船舶和设备资源较多，使得施工资源容易锁定，且能快速到达施工现场。在关键施工步骤中，辅助安装装置降低了对船舶稳定性的要求，提高了安装效率和一次成功率。在极浅海域或内河中，该工艺具有大型船舶无法比拟的优势，大大降低了海管修复成本，在将来更多适用的小型装备面市后，该施工工艺将更加成熟、可靠。