深水消油劑水下噴灑系統(tǒng)及作業(yè)技術(shù)

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(1.中國(guó)海洋石油總公司，北京 100010；2.中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司，天津 300457)

中國(guó)海洋石油深水油氣資源勘探與開發(fā)正在有序推進(jìn)，海底管線鋪設(shè)也在不斷延伸，深水油氣田開發(fā)面臨的深水溢油風(fēng)險(xiǎn)日趨增加，深水作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性對(duì)深水溢油防范和應(yīng)急處置能力提出了更高要求[1]。溢油在從深水運(yùn)動(dòng)至水面過程中，將對(duì)水體和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染和危害。而由于受到水深、溫度、壓力等深水環(huán)境條件的影響，常規(guī)溢油應(yīng)急處置手段難以在深水溢油事故中有效發(fā)揮作用。目前我國(guó)國(guó)內(nèi)嚴(yán)重缺乏用于深水溢油事故應(yīng)急處置的相關(guān)裝備與技術(shù)。噴灑消油劑是海上溢油處置的一種重要手段，通過消油劑將溢油分散，進(jìn)而通過生物降解過程將溢油徹底從水體中去除[2-4]。消油劑的作用原理表明其適用于海底溢油的水下現(xiàn)場(chǎng)處置[5-7],但目前缺乏相關(guān)深水消油劑噴灑裝備及技術(shù)支持，因此，研發(fā)國(guó)產(chǎn)化深水消油劑噴灑裝備，建立中國(guó)海油深水消油劑噴灑作業(yè)施工能力，對(duì)于保障我國(guó)深水油氣開發(fā)的順利進(jìn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 深水消油劑噴灑系統(tǒng)裝置原理

深水水下消油劑噴灑裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為加載在深水作業(yè)環(huán)保船上的獨(dú)立工作撬裝裝置，整套裝置為船載電力驅(qū)動(dòng)，包含有儲(chǔ)存系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、布放及提升系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、注劑頭等基本組件。

消油劑噴灑系統(tǒng)組成見圖1。

為便于運(yùn)輸、作業(yè)及操作，采用集成化理念，將整個(gè)系統(tǒng)拆分成2個(gè)橇塊，便于存放和緊急情況下的吊裝、運(yùn)輸。此方案將所有設(shè)備設(shè)計(jì)在2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)40HQ的集裝箱尺寸撬塊內(nèi)(外部尺寸：長(zhǎng)12.192 m、寬2.438 m、高2.896 m)。

X-1001為消油劑儲(chǔ)罐和消油劑泵撬，集裝箱型式，X-1002 為滾筒和鵝頸撬，橇塊型式，見圖2和圖3。

圖2 消油劑儲(chǔ)罐和消油劑泵撬(集裝箱型式)

圖3 滾筒和鵝頸撬(橇塊型式)

2 主要功能模塊介紹

2.1 X-1001和X-1002橇塊功能介紹

2.1.1 消油劑儲(chǔ)罐和消油劑泵撬

消油劑儲(chǔ)罐和消油劑泵撬主要包括消油劑儲(chǔ)罐、消油劑注入泵，安裝在標(biāo)準(zhǔn)40HQ的集裝箱內(nèi)。

消油劑儲(chǔ)罐的有效容積為12 m3；儲(chǔ)罐設(shè)有溢流管和排放管，使用快速接頭連接，用軟管排放至安全位置。溢流管在安裝時(shí)需要設(shè)置一個(gè)U型彎作為液封，配磁翻板液位計(jì)1個(gè)，即時(shí)顯示。

消油劑液位消油劑注入泵流量4.3 m3/h，出口壓力為15 000 kPa，考慮泵的流量小揚(yáng)程大，采用往復(fù)泵。出口管線安裝波登管壓力表1塊,雙金屬溫度計(jì)1塊以及普通型彈簧式安全閥1個(gè)，就地顯示泵出口壓力及溫度，并實(shí)現(xiàn)對(duì)泵出口超壓保護(hù)。泵本身的狀態(tài)顯示及起/停控制功能通過現(xiàn)場(chǎng)電氣就地盤來實(shí)現(xiàn)。

消油劑儲(chǔ)罐和消油劑泵撬的工作流程見圖4。

圖4 消油劑儲(chǔ)罐和消油劑泵撬流程

2.1.2 滾筒和鵝頸撬

滾筒和鵝頸撬是消油劑管入水和回收的重要設(shè)備，承擔(dān)消油劑管的提升和存儲(chǔ)工作。安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)40HQ的集裝箱尺寸相同的鋼結(jié)構(gòu)橇中。

油管滾筒的設(shè)計(jì)需要充分考慮消油劑管張力、重量、入水深度、總管長(zhǎng)度以及下放速度。油管滾筒主要包括滾筒、軸承、軸承座等，油管滾筒用于儲(chǔ)存和運(yùn)輸連續(xù)油管，通過軸承和軸承座安裝至撬塊，并制成整個(gè)油管滾筒，使油管滾筒繞滾筒軸旋轉(zhuǎn)。

鵝頸安裝在滑動(dòng)裝置上，作業(yè)時(shí)最大能夠伸出橇外2 m。

動(dòng)力控制系統(tǒng)和滾筒集成在一個(gè)撬上，用于進(jìn)行動(dòng)力裝置的控制操作和裝載連續(xù)油管，有效地控制收放速度、消油劑軟管的受力狀態(tài)，保證連續(xù)油管的安裝下放和提升。

滾筒和鵝頸撬工作流程見圖5。

圖5 滾筒和鵝頸撬流程

2.2 電氣方案介紹

主要是為用電設(shè)備供電和1個(gè)集裝箱的照明設(shè)計(jì)，主要用電設(shè)備為1臺(tái)30 kW的消油劑注入泵、1臺(tái)1.5 kW的電動(dòng)隔膜泵、1個(gè)15 kW的油管滾筒、1臺(tái)15 kW的鵝頸滑軌，其中消油劑注入泵和電動(dòng)隔膜泵分別設(shè)置本地操作柱(防爆)，油管滾筒和鵝頸滑軌分別設(shè)置本地盤(防爆) 。

上述4個(gè)用電設(shè)備電源直接從船上的低壓盤引出，共計(jì)需要船上提供4路電源，其中2個(gè)電機(jī)回路(100 A開關(guān))，2個(gè)饋線回路(100 A開關(guān))。

考慮到集裝箱內(nèi)需要有足夠的照明，故集裝箱布置1盞防爆墻裝熒光燈，并設(shè)置1個(gè)防爆照明開關(guān)控制這些燈具，電源來自船上的照明配電盤。

2.3 通信方案介紹

攝像機(jī)分辨率：620 TVL；深度：>1 500 m;外殼：鈦合金；成像傳感器：1/3 in CCD II；靈敏度：0.04 Lx，電壓：7～32 VDC。

攝像機(jī)與防水箱一同下放，用防水電纜連接內(nèi)部電池以及信號(hào)線至水下攝像機(jī)及攝像照明燈，以實(shí)現(xiàn)水下攝像及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

在藥劑噴灑過程中，可能會(huì)對(duì)注劑頭產(chǎn)生沖擊反作用力，從而影響注劑頭在水下的穩(wěn)定性，故需要考慮為注劑頭增加配重以穩(wěn)定注劑頭在藥劑噴灑過程中的水下位置，將藥劑注劑頭固定于攝像機(jī)定制防水箱外，以最大程度實(shí)現(xiàn)設(shè)備利用率。

同時(shí)，為了保證攝像機(jī)的成像效果，考慮為水下攝像機(jī)定制安裝支架和底座，將攝像機(jī)及攝像照明燈固定安裝在定制防水接線箱外采集注劑頭后端位置，以保證攝像過程中攝像機(jī)與注劑頭保持同步運(yùn)動(dòng)，從而取得最佳攝像效果。

3 深水消油劑噴灑流程

1)準(zhǔn)備階段。

①將兩橇塊固定在船上，要求鵝頸端朝船尾(或?qū)硇枰鳂I(yè)的方向)，同時(shí)離舷邊不超過2 000 mm。

②將攝相機(jī)、電池、存儲(chǔ)器聯(lián)系、密封后，與噴頭固定在一起。

③取出水下高壓軟管與連續(xù)油管相連，并連接好帶攝相機(jī)的噴頭(工程階段建議使用ROV)，將管線通過鵝頸進(jìn)行導(dǎo)向。

④用高壓軟管將消油劑注入泵出口與滾筒連續(xù)油管聯(lián)接；用低壓軟管聯(lián)系藥劑儲(chǔ)罐的溢流與排放口到安全區(qū)域。

⑤用預(yù)制好的管線連接儲(chǔ)罐的排氣口到集裝箱外的安全區(qū)域。

⑥用船用電纜連接好各用電設(shè)備，并檢查各設(shè)備處在正常可用狀態(tài)。

2)工作階段。

①用隔膜泵打入消油劑將連續(xù)油管充滿；關(guān)閉閥門。

②用隔膜泵將桶裝消油劑打入儲(chǔ)罐。

③啟動(dòng)鵝頸滑軌裝置向前運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鵝頸，直到指定位置。

④啟動(dòng)滾筒，開始緩慢下放連續(xù)軟管，并在下放過程中安裝配重袋。

⑤下放到指定位置后，停止?jié)L筒裝置，打開泵前后閥門，啟動(dòng)高壓注入泵(注意觀察泵出口壓力變化及藥劑液位變化)。

⑥啟動(dòng)隔膜泵，繼續(xù)將桶裝消油劑泵入儲(chǔ)罐，保證整個(gè)注入過程中藥劑的量及實(shí)驗(yàn)要求的6 h時(shí)間。

3)停車回收階段。

①關(guān)閉消油劑注入泵，等待泵后壓力下降。

②啟動(dòng)滾筒裝置，反向轉(zhuǎn)動(dòng)，開始回收連續(xù)油管；注意觀察泵出口壓力表，以保證連續(xù)油管內(nèi)的流體排凈。

③回收配重袋。

④取下攝相機(jī)，觀看噴出狀態(tài)。

⑤將管線及設(shè)備吹掃干凈，充氮?dú)狻?/p>

⑥拆除各用電設(shè)備與船的電纜，并保存。

⑦設(shè)備運(yùn)回陸地入庫。

⑧分析比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并完善研究報(bào)告。

緊急工況棄管方案：實(shí)際作業(yè)時(shí)，有可能遇到臺(tái)風(fēng)或者突發(fā)事件，需要緊急棄管，采用Grifco連續(xù)油管滾壓工具進(jìn)行油管切割，見圖6。

圖6 連續(xù)油管滾壓工具

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