海底管道常用水下切割技術簡介與分析

黃 峰 李 沙 樊 華 李學楠 崔占明

（海洋石油工程股份有限公司 中海石油（中國）有限公司天津分公司）

0 引言

海底管道是海洋石油介質輸送的最重要渠道，在海洋石油行業中承擔著重要的使命，也是海洋石油開發進程中不可或缺的重要基礎設施。然而，隨著海底管道服役年限增加，由于受到海洋石油中介質的腐蝕、海底波流的沖刷、海床運動、臺風、材料焊接/結構缺陷、設計安裝不當、操作失誤、海上第三方破壞等因素的影響，海底管道經常會出現泄漏、變形、彎折、斷裂等故障，需要進行維修。且隨著海洋石油的開采工程推進，海底管道還面臨著開采結束后退役、回收或清洗后原地棄置等問題。海底管道的小范圍點蝕問題，可以采用海底管道補強材料或機械卡具來維修，其他的各項維修、回收或棄置活動，都不可避免會涉及海底管道水下切割作業。

1 海底管道常用水下切割技術簡介

1.1 金剛石繩鋸機水下切割技術

金剛石繩鋸機是一種能夠切割不同管徑的海底管道的設備，可以滿足單層海底管道、帶混凝土配重層的單層海底管道及雙層海底管道切割作業要求。該設備依靠液壓動力站提供的液壓動力來夾持固定海底管道，在金剛石繩鋸鏈條的旋轉進給摩擦作用下，完成海底管道的切割作業。金剛石繩鋸機需要潛水員在水下配合安裝，安裝完成后，可通過作業船舶甲板遠程控制。該設備具有安裝方便，可控性好，切割效率高，作業時沖擊低，對操作者和環境不產生有害影響等優點。

1.2 閘刀式管鋸水下切割技術

閘刀式管鋸多用于不帶配重層的單層海底管道水下切割作業。其依靠液壓動力站提供的液壓動力，完成閘刀式管鋸對海底管道的夾持固定操作，且在閘刀式管鋸鋸齒往復切割作業下完成對海底管道的切割工作，該切割過程與手鋸伐木過程類似。當潛水員水下配合完成閘刀式管鋸安裝后，需要潛水員留在水下現場控制鋸片的進給切割工作。閘刀式管鋸安裝簡便，但安裝前需要開挖面積較大的作業基坑，切割效率較低。

1.3 分瓣式切割機水下切割技術

分瓣式切割機多用于不帶配重層的單層海底管道水下切割作業。其采用兩個半環的設計形式，便于在封閉段管道上安裝，半環內部采用滾動軸承設計，可保證機器壽命長，維護費用低，工作穩定精確。使用時，由潛水員在水下通過螺栓緊固的方式完成兩個半環的連接及固定。運轉過程中，機器每旋轉一圈，刀具會自動進給到海底管道管體上，保證管體切割位置準確光滑，可實現在作業船舶甲板進行遠程控制。切割過程采用完全冷切削，不會產生熱影響區。分瓣式切割機采用模塊化設計，后期維護簡單且快速，最大限度地保證了配套工具選件的多樣性。

1.4 液壓剪水下切割技術

液壓剪可用于單層海底管道和帶混凝土配重層的單層海底管道的水下切割作業。液壓剪的形狀就如剪刀一般，由高等級的鋼材制造，通過液壓油缸驅動刀頭閉合完成海底管道切割動作。液壓剪施工前無需開挖作業坑，只要保證待切割海底管道大部分裸露于海床表面即可滿足施工要求。安裝時，由潛水員引導液壓剪在水下就位于海底管道待切割位置，確認液壓剪已夾持到待切割管體后，潛水員離開切割位置至安全區域。然后船舶甲板上的液壓剪操作員啟動液壓剪，使剪刀閉合，完成海底管道切割作業。液壓剪設備結構簡單，故障率較低，便于就位，切割效率高。

1.5 高壓水研磨料水下切割技術

高壓水研磨料切割設備多用于單層海底管道和帶混凝土配重層的單層海底管道的水下切割作業。高壓水研磨料水下切割設備采用引射式研磨料水射流工作原理。其設備主要分為兩個供給回路，一路提供高壓水，另一路提供研磨料。高壓水的水源可直接取用海水，抽吸上來的海水經高壓水泵加壓后形成高壓高流速的水流。當高壓高速水流通過混合腔時，混合腔體內部形成負壓，將研磨料吸入混合腔。混合后的研磨料在高壓水的動能與研磨料的切削摩擦共同作業下，完成海底管道切割工作。高壓水研磨料水下切割設備需要潛水員水下配合使切割小車安裝就位，安裝完成后可通過船舶甲板上的控制單元來控制高壓水與研磨料的供給與切削。高壓水研磨料設備相對復雜，有噴嘴堵塞的風險，但其便于就位，切割效率較高。

1.6 水下電-氧切割技術

水下電-氧切割技術是一種能夠滿足不同管徑不同壁厚的海底管道切割要求的技術，適用于單層海底管道、帶混凝土配重層的單層海底管道及雙層海底管道水下切割作業。進行雙層海底管道水下切割時，需先將外管切開剝離后，再進行內管切割。水下電-氧切割設備由兩個回路組成，一路為電源-焊機-割炬-割條回路，另一路為氧氣-割炬-割條回路。割炬使用的割條為圓管中空形式。切割時，割條管內通氧氣，利用水下電弧產生的高溫和氧氣與被切割金屬元素產生的化學反應熱加熱和熔化被切割金屬，并借助氧氣流的沖力將切割縫中的熔融金屬及氧化熔渣吹除, 從而形成割縫，隨著水下電弧不斷移動和氧氣不斷供給獲得所需要的切割長度, 最終達到海底管道水下切割目的。該切割過程屬熔化-氧化過程。切割全過程由潛水員在水下完成，并且需要通過潛水電話聯系甲板配合人員進行甲板電源開關操作。電-氧切割設備結構簡單，切割速度受潛水員操作熟練程度、氧氣純度、氧氣壓力、切割電流、切割角等多個參數影響，在水下施工過程中，潛水員有觸電的風險。管道的切口表面較粗糙，需要頻繁更換割條，成本較高。在海底管道水下切割施工中，水下電-氧切割技術多用于管體局部開孔切割，幾乎不用于整條海底管道的切割回收工作。

2 常用水下切割技術對比分析

前文對各種水下切割技術進行了簡要介紹，現將各水下切割技術的主要性能指標進行了對比，具體可見表1。

表1 常用水下切割技術對比分析表

3 結論

文中介紹的六種切割技術均可用于單層海底管道的回收和棄置工程涉及的切割作業；帶配重層的單層海底管道的回收和棄置工程中涉及的切割作業，除閘刀式管鋸和分瓣式切割機水下切割技術外，其余四種切割技術均可滿足使用要求；雙層海底管道回收和棄置工程中涉及的切割作業，則可使用鉆石線切割機和電-氧切割技術。

文中提到的六種切割技術既可以互為備用，也可以組合使用。例如，在海底管道回收工程中，綜合考慮回收效率及船舶成本等多種因素，通常采用鋪管船作業線回收方式。可以使用金剛石繩鋸機完成雙層海底管道的水下切斷工作，然后使用水下電-氧切割技術在雙層海底管道管端開貫穿同心孔，使用海管拖拉封頭穿銷軸的方式，利用船舶AR絞車將待回收管道回收至作業線。實際施工時，需要針對具體問題來進行具體分析，根據不同的情況采用不同的水下切割技術，方能安全、高效地完成海底管道切割作業。