高压水清洗技术在海底管道维修中的应用

陈 勇，潘东民，邓 平，张大伟，栾 涛，韩长安

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

海底管道维修之前，需要清除其表面的混凝土防护层和防腐涂层。在以往施工作业中，一般采用液压镐、风镐、圆盘锯等设备来清除，但限于这些手动工具的功能，其操作力度、角度不易控制，尤其在能见度低或受涌浪影响的情况下，极易造成海底管道母材表面深浅不一的划伤，对后续管卡或机械连接器等水下连接件的安装和密封效果造成严重影响。近年来，逐渐引进了高压水清洗技术对海底管道涂层进行清理，克服了以上缺点，清理过程均匀、可控，不伤母材，清理效率显著提高，较好地满足了海底管道维修项目的施工要求。

1 高压水清洗系统介绍

高压水清洗技术，是一项将普通常压水通过高压柱塞泵加压到几十至数百兆帕，而后通过特殊设计的喷嘴 （喷孔直径一般只有0.4～2.5 mm），以极高的速度 （30～750 m/s）喷射出，借助这股高能量水流强大的冲击力和水楔作用，直接剥离、冲刷物体内壁或外表面，达到清洗、剥离防护和防腐层等目的的技术。高压水清洗技术具有清洗成本低、速度快、清洗效率高、不损坏被清洗物、应用范围广、不污染环境等特点[1]。高压水清洗系统包括动力端、高压水发生装置、高压软管、喷头喷嘴及系统控制部分，如图1所示。

图1 高压水清洗系统组成

目前，国外制造高压水清洗系统设备的厂家主要有NLB、Gardner Denver等。海洋石油工程股份有限公司于2010年购进了一台NLB公司型号为20305FDB的设备，其工作压力138 MPa，流量87 L/min，主要包括康明斯柴油机、NLB水泵、高压软管、水枪、旋转喷头、喷嘴等部件[2]，已多次应用于海底管道维修项目。

2 高压水清洗系统喷头种类及选型

（1）标准喷头 （见图2）。标准喷头用于常规清洗项目，喷头只有一个出水孔，0°喷嘴可产生高冲击力的直射水流，而15°喷嘴可提供15°的扇形喷射流，清洗的覆盖范围更大，可以清除覆盖层较薄、面积较大的疏松物质。

（2）旋转喷头 （见图3）。陆上工程常用气动旋转喷头，而水下工程常用自动旋转喷头。自动旋转喷头内置两个0°喷嘴，它利用高压水的能量实现自动旋转，从而将喷头的作业面从线拓展到面，而且在产生正向冲击力的同时产生切向剥层力，因而喷射覆盖面大，清洗效率成倍提高。NLB公司的SRH 24-77-Viper 24TM自动旋转喷头最大压力可以达到165.6 MPa，流量可以达到56 L/min。

图2 标准喷嘴

图3 自动旋转喷头和嵌入式喷嘴

（3）研磨喷头 （见图4）。研磨喷头用于湿喷砂系统，它结合了高压水射流和磨砂媒介清洗功能。相较于传统干喷砂除锈工艺，湿喷砂工艺避免了粉尘飞扬，对环境和健康不会造成危害，能够把钢材表面清洁成白色，也可以清除紧紧粘结在混凝土、钢材或砖石表面的涂料。磨砂切割系统由磨砂切割喷头、管道切割器或履带牵引装置以及带计量阀的料斗等组成，根据 “文丘里”理论可知，砂子被吸进高压水管，以很高的压力击打工件表面，从而实现对金属、石头、钢筋混凝土等坚硬的材料的切割。为了达到良好的清理效果和提高清理效率，应该根据喷嘴的形式、压力、流量，选择合适的喷嘴型号。

3 高压水清洗系统在海底管道维修中的应用

在海底管道维修中高压水清洗系统通常用于海底管道混凝土防护层和防腐绝缘层的清理。图5所示为典型的单层加配重层海底管道截面图，钢管外涂覆的防腐绝缘层为三层PE结构，底层为熔结环氧粉末，中间层为胶粘剂，面层为聚乙烯；在防腐绝缘层外面再包裹混凝土防护层，厚度50 mm左右，防护层内含铁丝网。图6为用手持高压水枪清理防腐绝缘层后的状况。表1给出海底管道典型防腐绝缘层的各层厚度。

图4 研磨喷头和湿喷砂系统

图5 典型单层加配重层海底管道截面

图6 海底管道防腐绝缘层清理后状况

表1 海底管道防腐绝缘层厚度示例

3.1 混凝土防护层的清理

根据多个项目的实践经验，虽然混凝土防护层的强度较大，但它与内部防腐绝缘层的结合力并不高，适于成片清理。首先由潜水员或者用辅助执行装置利用高压水喷头在计划剥离的混凝土防护层位置始末端清理出两条环向小缝，再在两条环缝之间清理出两条轴向小缝，然后再剪断裸露的铁丝，使用撬棍就能轻易地剥离混凝土防护层 （见图7）。

图7 清理混凝土防护层

清理海底管道外表面的混凝土防护层适宜采用0°喷嘴。20305FDB型高压水清洗系统的高压水枪为NCG24-286ZT水下平衡式，采用S-7M-0003型0°喷嘴，当作业压力达到100 MPa左右时，即能轻易清理混凝土防护层。冲出长约1 m的混凝土防护层缝隙，大约需要30 min（具体耗时受喷嘴稳定性、压力等因素的影响）。

3.2 防腐绝缘层的清理

常使用旋转喷头进行海底管道防腐绝缘层清理。图8所示为清理防腐绝缘层的情况，使用SRH 24-77-Viper 24TM旋转喷头，内置BN1123-4#喷嘴，操作压力达115 MPa以上。在实验中，旋转喷头夹持在液压驱动的行走小车上，10 min能清理掉大约30 cm×4 cm的区域，喷嘴距离管体约6～7 cm。

4 高压水清洗系统的自动进给支架

图8 使用旋转喷头清理海底管道防腐绝缘层

图8所示的液压驱动行走小车只能对海底管道实现环向清理，无法自动实现轴向清理。为了提高海底管道涂覆层的清理效率，研制了高压水清洗自动进给支架 （见图9）。该支架采用双喷头夹具对称清洗设计，能平衡反作用力，为液压驱动，夹持在海底管道上，液压马达通过齿轮啮合带动轴承上的喷头夹持架实现360°环向进给，通过轴向液压缸伸缩实现轴向进给。自动进给支架适用管径范围203～610mm，单次夹持最大轴向清理长度为1m。

图9 自动进给支架

值得注意的是，由于双喷头同时出水，出口流量增大，在高压水清洗系统功率不变的情况下，喷嘴出口压力必然降低。为了保证清洗效果，可以采用较小口径的喷嘴，而不可盲目通过提高高压水清洗系统发动机的转速来提高工作压力。

5 高压水清洗系统操作注意事项

（1）高压水清洗系统因其水射流速度快、压力大，对人身体具有潜在危险[3]。国内高压水射流安全管理标准主要包括JB 8526-1997《高压水射流清洗作业安全规范》和GB 20826-2007《潜水员高压水射流作业安全规程》，这些标准中提到：要按照厂家的要求使用喷枪，不得自行改造；作业时使用手持喷枪的人员其身体应该至少远离喷嘴1 200 mm。若用绳索、绑带或其他人工手段将扳机锁在 “开”的位置，一旦发生紧急情况时将不能立即释放，这属于极端危险的做法，在任何情况下都不允许这样做。

（2）关于喷嘴与物体表面的最佳距离。在中国职业安全健康协会水射流技术专业委员会的《执业资格培训教材》中给出了经验曲线 （见图10），其为水射流冲击物体的作用力与喷嘴至物体表面的距离 （靶距）的相对关系，显示当靶距约为100倍喷嘴直径时，可达到最大打击力。

图10 高压水射流打击力—靶距曲线

（3）关于高压水清洗系统的介质能否使用海水。海水对高压水泵活塞缸体、密封件等有较强的腐蚀作用，会显著降低设备使用寿命；海水中大量的浮游生物特别容易堵塞滤器，引起水泵低水位报警停机，影响正常清洗作业。另一方面，由于高压水清洗系统的额定流量并不高，以20305FDB型高压清洗机为例，流量为87 L/min，每小时仅耗水5.22 t，如果不得已使用海水作为介质，必须在每天作业完成后使用淡水冲洗水泵内部，以确保无海水残留在水泵内。

（4）在安装喷嘴之前先低速运行使系统内部的残渣等排出，然后安装喷嘴，从低压 （3.45 MPa以下）开始操作，并且要缓慢地增加压力直到所需压力，停机时要先卸掉压力。

[1]薛胜雄,黄汪平,陈正文,等.高压水射流技术与应用[M].北京：机械工业出版社,1998.

[2]孟春晖,张博蓉,孙世德,等.高压水射流清洗油管技术[J].石油工程建设,2001,27（4）:50-51.

[3]张国光.高压水射流与潜水员水下作业安全研究[J].海洋工程,2006,24（3）:113-118.