水下钻石线绳锯机应用及设备改造技术

2020-04-01白宁李红刘帅

石油和化工设备 2020年3期

白宁，李红，刘帅

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

用于海底油气管道切割作业的水下钻石线绳锯机，其主要优点是可以适应海底的工作环境，一次操作中能够切割金属材料和非金属材料，并且对操作人员和环境不会产生危害，其技术应用前景非常广阔。但在使用中也出现了一些急需攻关解决的技术难题，其中，尤以“夹锯现象”最为突出和危害巨大。本文通过技术分析和研究，以便彻底解决水下线切割设备的此类技术难题。

1 钻石线绳锯机在海洋冷切割领域的应用

近几年，国内海洋石油领域逐步开始出现了的钻石线绳锯机，应用于海底管道和结构物的切割。设备一般根据钻石线安装方式不同分为以下两种：

1.1 闭合的钻石线：设备使用时钻石线水上安装，连接下放至水下后，切割海管时方向是从上至下，切割过程中由于切割到3/4位置时，容易造成管线向内收紧状态，导致钻石线被夹断。因此钻石线损耗率较高。切割方式如图1所示。

1.2 不闭合的钻石线：设备连接下放至水下后，潜水员水下辅助安装钻石线，设备从海管底端向上切割，从而有效避免了钻石线被夹断的可能，但是由于此种方法是潜水员水下安装钻石线较费时，并且钻石线虽然在水下安装完成后，需要使用液压工具将其闭合，但线锯本身相对于闭合钻石线更易在切割过程中造成钻石线断裂。切割方式如图2所示。钻石线绳索按一定的顺序缠绕在主动轮及辅助轮上，注意绳子的方向应和主动轮驱动方向一致，安装好的钻石线锯绳应进行收紧，同时应注意切割线位置的钻石线锯绳保持水平状态。

表1 钻石线连接方式对比

图1 钻石线水上安装，从上至下切割

图2 钻石线水下安装，从下至上切割

2 钻石线绳锯机应用中“夹锯现象”

渤中25-1南油田旧管线回收前WHPB平台侧需切割回收约200m旧管线，由于管线应力较大，且内管切断后存在错管现象，导致钻石线切割机切割时存在夹锯现象，严重时会损坏切割设备。

图3 现场管线切割存在夹锯现象

当时考虑在SPM侧切割锚固件与平管法兰之间的单层管短节，避免因切割双层管造成夹锯。因WHPB平台侧为整体立管，无平管法兰及锚固件，在远离WHPB平台的位置使用钻石线切割机切断内管后，外管剩余约10cm未割断，使用其他方法，破除海管应力。管线应力破除后，顺利进行切割断管、回收旧管线工作。

需考虑管线应力问题及可能存在内管错管的问题，需提前破除管线应力或寻找锚固件附近位置进行切割，避免发生夹锯现象。

2.1 钻石线绳锯绳芯连接方法

钻石线绳锯绳芯连接有三种方法。钻石线串珠绳接头质量的优劣直接影响到串珠绳的正常工作和使用寿命。串珠绳绳芯的连接有三种方法。

一是先用剪切机将绳芯两头切齐，用钢刷刷干净，套上铜箍或钢箍，用专用的液压工具将铜箍或钢箍外圆周压出波纹，压口形状有圆柱形和正六边柱形，接头的两端边缘应各留有1mm的凸台，固定接头的端面与串珠的端面之间要留有5mm的间隔，其间的塑胶套也应该保留。接头压接应力应达到标准，使之与绳芯头牢固结合，如图4(a)所示。这种连接方法的优点是连接可靠，缺点是不易拆卸。一般根据设备尺寸从厂家直接采购闭合钻石线，公司自有钻石线切割设备就采用这种钻石线。

二是如图4(b)所示，这种方法将制成左旋螺纹的螺母、螺柱零件分别与串珠绳两端的钢丝绳压接，使用时只需将螺母端和螺柱端连接即可。其特点是连接迅速，可靠，可拆卸，可多次使用，不损坏串珠绳。

三是如图4(c)所示，这种方法将制成左、右旋的螺柱分别与串珠绳两端的钢丝绳焊接，然后通过一个两边分别是左、右旋螺纹的螺母套将二者连接起来。该方法需要焊接设备，目前使用较少。后两种方法在连接前须先将串珠绳以反螺纹方向扭转若干周，然后拧紧螺纹接头，目的是防止串珠绳在工作中螺纹接头回扣松脱。

图4 钻石线串珠绳连接方式

3 “夹锯现象”技术分析

3.1 钻石线张力分析

水下钻石线绳锯机在完成海底石油管道切割过程中，串珠绳的张力对切割效率和串珠绳的使用寿命有重要影响。串珠绳的张力过大，疲劳损坏加剧，易引起断绳，另外，导向轮和驱动轮的橡胶衬垫产生过度磨损。串珠绳的张力太小，串珠绳和驱动轮之间容易打滑，切割效率下降。由此可见，在切割作业中保持合理的串珠绳张力具有重要意义。

图5为串珠绳张力测定力学模型。中间轮在C点相对于A、B支座点向下压紧的过程中产生压紧力FP和位移δ。

图5 张力测定力学模型

在不考虑钻石线抗弯刚度时，钻石线的张力为：

式中：FT——钻石线张力（N）；FP——钻石线所受的压力（N）；δ——钻石线位移（m）；1——A、B支座点的距离（m）。

AD段钻石线的挠曲线方程和转角方程分别为：

由于钻石线在支座座点A处转角的连续条件为θ’A=θ”A。试取x=0，x=L得：

由式（6）可得支座点A处弯矩M为：

因，其中钻石线抗弯刚度ESIS比较小，钻石线张力比较大，所以k值较大，则有：

因为，所以：

将式（14）带入式（11）得：

变形后得：

由于钻石线抗弯刚度ESIS为定值，所以有：

由式（17）求得钻石线张力：

因此，保证钻石线张力FT得以确定，根据现场情况应尽量控制对钻石线张力FT小于Fmax，以避免钻石线发生断裂，从而保证设备及人员安全。

4 钻石线绳锯机技术改造

由于上述项目钻石线在水下使用过程中出现夹锯现象，为了实现对海底管线快速修复，可以设计一种有效防止设备切割过程中造成管线向内收紧的装置。故考虑使用以下两种方式加以避免。

4.1 关断设备下放楔块

根据现场施工人员反映，钻石线在切割单层海管至1/2左右时，夹锯现象较明显，可以看到管线明显向内收紧，故可以在项目中考虑在设备切割海管至1/4处，关断设备，由潜水员下放锥形楔块至切口，从而有效避免因海管应力造成的管线向内收紧、绳锯夹锯挤断的现象。

4.2 楔块伸缩机构

由于方法一中需要关断设备，潜水员下放锥形楔块，存在一定风险，现考虑将设备功能提升，避免海管因向内收紧出现夹锯现象，减少潜水员水下操作时间。

利用雨伞伞柄原理对水下钻石线绳锯机进行功能优化。由于设备开始切割时，钻石线锯弓随着进给丝杠驱动，因此可以考虑在钻石线绳锯机锯弓上焊接一块长约60cm、底部直径约2cm的锥形楔块（以24英寸海管为例），如图6所示。在设备下放水下切割时，保证楔块伸缩机构最大伸长距离初始钻石线与海管接触位置以上约15cm，设计楔块机构如图6。

图6 楔块机构模型图

锯弓及楔块伸缩机构骑在进给横梁上并通过位于框架中心的进给丝杠驱动。当钻石线开始切割海管约15cm，楔块可以在海管切割处楔住，防止海管向内收紧。设计楔块上部伸缩装置是为了在钻石线继续切割时可以随着锯弓的下放收缩，并使楔块夹在海管防止其向内收紧。

楔块伸缩机构主要由长约5cm的锥形楔块及伸缩装置焊接组成。伸缩装置焊接在锯弓处，设计结构类似于雨伞伞柄，保证装置锥形楔块与钻石线在一个平面上，这样可以保证锥形楔块有效地楔入需要切割海管中，同时减少潜水员水下操作时间，锯弓随着丝杠下放过程中伸缩装置可以缩放，这样可以防止楔块被海管夹住后锯弓无法继续进给。从而避免了钻石线绳锯机在进给过程中出现绳锯夹断现象。