高压水设备在海底管道涂层清理中的应用

任跃龙，成二辉，李泽军，刘国锋

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

涂层清理是海底管道维、抢修项目中一种常见的工作。一般海底管道涂层包括混凝土配重层和防腐层，最初由潜水员手工进行清理，利用高压水设备清理涂层是近些年发展起来的一种新兴方式，它利用高压水射流泵产生高压水，再通过喷嘴将高压水转变为高度聚集的水射流完成涂层清理[1]。

高压水清理涂层具有以下几点优势[2]：

（1）不会对海洋环境造成污染。

（2）不会对海底管道母材造成损伤。

（3）清理效率高。

（4）清理成本低。

1 高压水涂层清理设备的组成

高压水涂层清理设备一般由三部分组成：高压水射流泵、喷头、喷头固定装置[2]。

1.1 高压水射流泵

高压水射流泵[3]分为柴油机驱动和电机驱动两种。因为电机所需功率比较大，船舶和平台无法提供电源，需另外配备一台大功率发电机，非常不经济，所以一般选用柴油机驱动高压水射流泵。图1为1台JETECH 的600TJ5-G 型高压水射流泵。

图1 柴油机驱动型高压水射流泵

1.2 喷头

对于清理对象不同，喷头生产厂家有多种类型喷头可供选择。目前，在涂层清理中应用较多的是STONEAGE 的Barracuda（梭鱼喷头），如图2 所示。

图2 梭鱼喷头

图2 左侧为2 800 bar（1 bar=0.1 MPa）喷头，右侧为1 500 bar 喷头。此类喷头依靠水压带动旋转，喷射水流呈环型[4]，在起始/终止点可见环状沟槽；调整喷头与涂层间距离并缓慢移动，便可实现涂层的连续清理，清理试验效果如图3 所示。

图3 清理试验效果

1.3 喷头固定装置

喷头的固定装置有很多种，应用于海底管道涂层清理的多为高压水枪和夹持工具。

高压水枪是一种手持式工具，清理海底管道涂层时需由潜水员控制，而且必须要对潜水员提供相应的安全保护措施。

夹持工具不同于高压水枪，它是一种框架式喷头夹持设备（见图4），清理海底管道涂层时架在海底管道上，成半包围状，无需潜水员水下操作，由水上液压控制单元控制，喷头夹具可绕海底管道圆周旋转，也可沿海底管道轴向移动。目前最先进的夹持工具除能完成以上基础功能外，还可实现在海底管道上连续爬行。

图4 夹持工具

2 高压水涂层清理设备的升级历程及性能对比分析

高压水射流泵自应用于海底管道的涂层清理以来，从三柱塞泵发展到五柱塞泵，压力不断提高，目前最高可达2 800 bar。喷头由单孔变为双孔甚至四孔，同时还提高了压力等级。本文着重对喷头固定装置进行分析。

2.1 高压水枪

高压水枪是用来清理海底管道涂层的第一代高压水设备，作为一种喷头固定装置，需由潜水员手持操作控制，为潜水员安全考虑，压力一般控制在400 ～600 bar 之间，清理涂层效果一般，效率相对较低。图5 所示为高压水枪清理效果。

图5 高压水枪清理效果

2.2 夹持工具

夹持工具的出现解决了高压水枪输出压力低的问题，水下作业时无需潜水员控制，压力可直接提高到1 000 ～1 200 bar。夹持工具有一整套水上液压控制系统，具有抱紧海底管道，自动调整同心度等功能。夹持工具采用双喷头夹具，能全圆周360°清理海底管道涂层；喷头夹具沿海底管道的轴向伸缩距离为1 200 mm，但长距离清理海底管道涂层时，需由潜水员多次引导夹持工具就位，分段完成清理工作。

2.3 连续爬行夹持工具

潜水员引导夹持工具就位大约需要2 h，多次引导就位费时费力，且受海上天气与潮流的影响，很容易错过最佳施工时段，延误工期。连续爬行夹持工具[5]（见图6）不仅拥有普通夹持工具的所有功能，而且还能实现在海底管道上连续爬行，长距离清理涂层时只需在第一次就位时由潜水员引导，之后便能根据需求边清理边爬行。

图6 连续爬行夹持工具

3 工程应用

南海某油田大尺寸海底管道由于地质变化和投产年限等因素发生破损，维修管道时需对部分涂层进行清理，清理长度共计12 m。管道参数如表1所示。

表1 管道参数

对本海底管道进行涂层清理时面临两大难点：其一，清理区域内混凝土配重层厚度约101.6 mm，超出常用海底管道混凝土涂层厚度（50 mm）的1倍，而常规使用的液压镐对母材损伤的风险较大，液压圆盘锯的切割深度无法达到要求；其二，钢管外径约28 in（1 in=25.4 mm），加上混凝土涂层厚度达到36 in，当时最大尺寸的夹持工具能夹持的最大外径为24 in，无法满足施工需求。

3.1 清理超厚混凝土涂层

为解决混凝土涂层较厚而影响清理效果的问题，在陆地开展了多次清理试验。通过提高高压水压力和缩短喷头与混凝土涂层间距的方法提高涂层清理效果，经过陆地试验的不断尝试与调整，最终高压水压力提高至1 200 bar，喷嘴与混凝土涂层间距调整至50 mm时，清理效果理想。陆地试验如图7 所示。

图7 陆地试验

3.2 制作大尺寸夹持工具

为了解决大管径问题，参考现有夹持工具，设计制作了D 38 in 简易夹持工具用于陆地试验，简易夹持工具如图8 所示。简易夹持工具可由潜水员手动操作，自动化程度不高，其操作精度及作业安全方面存在较大问题；且简易夹持工具的同心度较难调整，喷头与管道涂层发生摩擦，会造成喷头磨损，且清理效果较差。

图8 简易夹持工具

针对简易夹持工具出现的问题，优化设计方案，设计制造了连续爬行夹持工具，提高了夹持工具的自动化程度，解决了夹持工具同心度的问题，提高了施工效率，降低了作业风险。

因管径较大，涂层较厚，全面清理费时费力，为进一步加快清理速度，采用了一种新方式，即每相隔1m 清理一个环形，再在各个环形之间清理两条线，裸露出钢筋，剪断钢筋则涂层掉落。清理方式如图9 所示。

图9 清理方式

经水下测量，采用如上清理方式，喷头行走速度为20 mm/min。水下清理效果如图10 所示，效果理想。

图10 水下清理效果

3.3 新型喷头应用

以上所提到的喷头均为梭鱼喷头，在本项目应用中，此种喷头单次清理管道涂层的宽度约为50 mm，清理厚度约为50 mm，完成环形清理需重复操作一遍。另外此种喷头的实际使用寿命低于设计寿命，且易磨损，磨损情况如图11 所示，更换喷头不仅增加直接成本，而且会延误工期进度。

图11 喷头磨损情况

针对这一情况，使用旋转喷头代替梭鱼喷头。旋转喷头流量大，单次清理宽度能达到150 mm，厚度可达100 mm 以上。旋转喷头清理涂层效果如图12 所示。旋转喷头有单独的液压或气动旋转装置，不会损失水压，内部结构也相对简单，不易损坏，对水质要求比较低，海上施工使用方便。

图12 旋转喷头清理效果

本项目实施中同样发现一些其他问题，比如高压水泵柱塞杆的非正常磨损，这可能是水中含有颗粒物造成的；对水质要求较高也是高压水设备一个不太完善的方面，如果能就地取材，直接使用海水，会更加方便。

4 结束语

经过近年来的发展，利用高压水设备清理海底管道涂层已经成为一种常态化的方法，本文以实际工程应用为出发点，对高压水设备做了简单的分析，但并没有探讨应对不同涂层材料时的最佳压力和喷头与涂层之间最佳距离等问题，因而在一些理论层面上还有待进一步研究。