陳 勇，潘東民，鄧 平，張大偉，欒 濤，韓長安

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

海底管道維修之前，需要清除其表面的混凝土防護(hù)層和防腐涂層。在以往施工作業(yè)中，一般采用液壓鎬、風(fēng)鎬、圓盤鋸等設(shè)備來清除，但限于這些手動工具的功能，其操作力度、角度不易控制，尤其在能見度低或受涌浪影響的情況下，極易造成海底管道母材表面深淺不一的劃傷，對后續(xù)管卡或機械連接器等水下連接件的安裝和密封效果造成嚴(yán)重影響。近年來，逐漸引進(jìn)了高壓水清洗技術(shù)對海底管道涂層進(jìn)行清理，克服了以上缺點，清理過程均勻、可控，不傷母材，清理效率顯著提高，較好地滿足了海底管道維修項目的施工要求。

1 高壓水清洗系統(tǒng)介紹

高壓水清洗技術(shù)，是一項將普通常壓水通過高壓柱塞泵加壓到幾十至數(shù)百兆帕，而后通過特殊設(shè)計的噴嘴 （噴孔直徑一般只有0.4～2.5 mm），以極高的速度 （30～750 m/s）噴射出，借助這股高能量水流強大的沖擊力和水楔作用，直接剝離、沖刷物體內(nèi)壁或外表面，達(dá)到清洗、剝離防護(hù)和防腐層等目的的技術(shù)。高壓水清洗技術(shù)具有清洗成本低、速度快、清洗效率高、不損壞被清洗物、應(yīng)用范圍廣、不污染環(huán)境等特點[1]。高壓水清洗系統(tǒng)包括動力端、高壓水發(fā)生裝置、高壓軟管、噴頭噴嘴及系統(tǒng)控制部分，如圖1所示。

圖1 高壓水清洗系統(tǒng)組成

目前，國外制造高壓水清洗系統(tǒng)設(shè)備的廠家主要有NLB、Gardner Denver等。海洋石油工程股份有限公司于2010年購進(jìn)了一臺NLB公司型號為20305FDB的設(shè)備，其工作壓力138 MPa，流量87 L/min，主要包括康明斯柴油機、NLB水泵、高壓軟管、水槍、旋轉(zhuǎn)噴頭、噴嘴等部件[2]，已多次應(yīng)用于海底管道維修項目。

2 高壓水清洗系統(tǒng)噴頭種類及選型

（1）標(biāo)準(zhǔn)噴頭 （見圖2）。標(biāo)準(zhǔn)噴頭用于常規(guī)清洗項目，噴頭只有一個出水孔，0°噴嘴可產(chǎn)生高沖擊力的直射水流，而15°噴嘴可提供15°的扇形噴射流，清洗的覆蓋范圍更大，可以清除覆蓋層較薄、面積較大的疏松物質(zhì)。

（2）旋轉(zhuǎn)噴頭 （見圖3）。陸上工程常用氣動旋轉(zhuǎn)噴頭，而水下工程常用自動旋轉(zhuǎn)噴頭。自動旋轉(zhuǎn)噴頭內(nèi)置兩個0°噴嘴，它利用高壓水的能量實現(xiàn)自動旋轉(zhuǎn)，從而將噴頭的作業(yè)面從線拓展到面，而且在產(chǎn)生正向沖擊力的同時產(chǎn)生切向剝層力，因而噴射覆蓋面大，清洗效率成倍提高。NLB公司的SRH 24-77-Viper 24TM自動旋轉(zhuǎn)噴頭最大壓力可以達(dá)到165.6 MPa，流量可以達(dá)到56 L/min。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)噴嘴

圖3 自動旋轉(zhuǎn)噴頭和嵌入式噴嘴

（3）研磨噴頭 （見圖4）。研磨噴頭用于濕噴砂系統(tǒng)，它結(jié)合了高壓水射流和磨砂媒介清洗功能。相較于傳統(tǒng)干噴砂除銹工藝，濕噴砂工藝避免了粉塵飛揚，對環(huán)境和健康不會造成危害，能夠把鋼材表面清潔成白色，也可以清除緊緊粘結(jié)在混凝土、鋼材或磚石表面的涂料。磨砂切割系統(tǒng)由磨砂切割噴頭、管道切割器或履帶牽引裝置以及帶計量閥的料斗等組成，根據(jù) “文丘里”理論可知，砂子被吸進(jìn)高壓水管，以很高的壓力擊打工件表面，從而實現(xiàn)對金屬、石頭、鋼筋混凝土等堅硬的材料的切割。為了達(dá)到良好的清理效果和提高清理效率，應(yīng)該根據(jù)噴嘴的形式、壓力、流量，選擇合適的噴嘴型號。

3 高壓水清洗系統(tǒng)在海底管道維修中的應(yīng)用

在海底管道維修中高壓水清洗系統(tǒng)通常用于海底管道混凝土防護(hù)層和防腐絕緣層的清理。圖5所示為典型的單層加配重層海底管道截面圖，鋼管外涂覆的防腐絕緣層為三層PE結(jié)構(gòu)，底層為熔結(jié)環(huán)氧粉末，中間層為膠粘劑，面層為聚乙烯；在防腐絕緣層外面再包裹混凝土防護(hù)層，厚度50 mm左右，防護(hù)層內(nèi)含鐵絲網(wǎng)。圖6為用手持高壓水槍清理防腐絕緣層后的狀況。表1給出海底管道典型防腐絕緣層的各層厚度。

圖4 研磨噴頭和濕噴砂系統(tǒng)

圖5 典型單層加配重層海底管道截面

圖6 海底管道防腐絕緣層清理后狀況

表1 海底管道防腐絕緣層厚度示例

3.1 混凝土防護(hù)層的清理

根據(jù)多個項目的實踐經(jīng)驗，雖然混凝土防護(hù)層的強度較大，但它與內(nèi)部防腐絕緣層的結(jié)合力并不高，適于成片清理。首先由潛水員或者用輔助執(zhí)行裝置利用高壓水噴頭在計劃剝離的混凝土防護(hù)層位置始末端清理出兩條環(huán)向小縫，再在兩條環(huán)縫之間清理出兩條軸向小縫，然后再剪斷裸露的鐵絲，使用撬棍就能輕易地剝離混凝土防護(hù)層 （見圖7）。

圖7 清理混凝土防護(hù)層

清理海底管道外表面的混凝土防護(hù)層適宜采用0°噴嘴。20305FDB型高壓水清洗系統(tǒng)的高壓水槍為NCG24-286ZT水下平衡式，采用S-7M-0003型0°噴嘴，當(dāng)作業(yè)壓力達(dá)到100 MPa左右時，即能輕易清理混凝土防護(hù)層。沖出長約1 m的混凝土防護(hù)層縫隙，大約需要30 min（具體耗時受噴嘴穩(wěn)定性、壓力等因素的影響）。

3.2 防腐絕緣層的清理

常使用旋轉(zhuǎn)噴頭進(jìn)行海底管道防腐絕緣層清理。圖8所示為清理防腐絕緣層的情況，使用SRH 24-77-Viper 24TM旋轉(zhuǎn)噴頭，內(nèi)置BN1123-4#噴嘴，操作壓力達(dá)115 MPa以上。在實驗中，旋轉(zhuǎn)噴頭夾持在液壓驅(qū)動的行走小車上，10 min能清理掉大約30 cm×4 cm的區(qū)域，噴嘴距離管體約6～7 cm。

4 高壓水清洗系統(tǒng)的自動進(jìn)給支架

圖8 使用旋轉(zhuǎn)噴頭清理海底管道防腐絕緣層

圖8所示的液壓驅(qū)動行走小車只能對海底管道實現(xiàn)環(huán)向清理，無法自動實現(xiàn)軸向清理。為了提高海底管道涂覆層的清理效率，研制了高壓水清洗自動進(jìn)給支架 （見圖9）。該支架采用雙噴頭夾具對稱清洗設(shè)計，能平衡反作用力，為液壓驅(qū)動，夾持在海底管道上，液壓馬達(dá)通過齒輪嚙合帶動軸承上的噴頭夾持架實現(xiàn)360°環(huán)向進(jìn)給，通過軸向液壓缸伸縮實現(xiàn)軸向進(jìn)給。自動進(jìn)給支架適用管徑范圍203～610mm，單次夾持最大軸向清理長度為1m。

圖9 自動進(jìn)給支架

值得注意的是，由于雙噴頭同時出水，出口流量增大，在高壓水清洗系統(tǒng)功率不變的情況下，噴嘴出口壓力必然降低。為了保證清洗效果，可以采用較小口徑的噴嘴，而不可盲目通過提高高壓水清洗系統(tǒng)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速來提高工作壓力。

5 高壓水清洗系統(tǒng)操作注意事項

（1）高壓水清洗系統(tǒng)因其水射流速度快、壓力大，對人身體具有潛在危險[3]。國內(nèi)高壓水射流安全管理標(biāo)準(zhǔn)主要包括JB 8526-1997《高壓水射流清洗作業(yè)安全規(guī)范》和GB 20826-2007《潛水員高壓水射流作業(yè)安全規(guī)程》，這些標(biāo)準(zhǔn)中提到：要按照廠家的要求使用噴槍，不得自行改造；作業(yè)時使用手持噴槍的人員其身體應(yīng)該至少遠(yuǎn)離噴嘴1 200 mm。若用繩索、綁帶或其他人工手段將扳機鎖在 “開”的位置，一旦發(fā)生緊急情況時將不能立即釋放，這屬于極端危險的做法，在任何情況下都不允許這樣做。

（2）關(guān)于噴嘴與物體表面的最佳距離。在中國職業(yè)安全健康協(xié)會水射流技術(shù)專業(yè)委員會的《執(zhí)業(yè)資格培訓(xùn)教材》中給出了經(jīng)驗曲線 （見圖10），其為水射流沖擊物體的作用力與噴嘴至物體表面的距離 （靶距）的相對關(guān)系，顯示當(dāng)靶距約為100倍噴嘴直徑時，可達(dá)到最大打擊力。

圖10 高壓水射流打擊力—靶距曲線

（3）關(guān)于高壓水清洗系統(tǒng)的介質(zhì)能否使用海水。海水對高壓水泵活塞缸體、密封件等有較強的腐蝕作用，會顯著降低設(shè)備使用壽命；海水中大量的浮游生物特別容易堵塞濾器，引起水泵低水位報警停機，影響正常清洗作業(yè)。另一方面，由于高壓水清洗系統(tǒng)的額定流量并不高，以20305FDB型高壓清洗機為例，流量為87 L/min，每小時僅耗水5.22 t，如果不得已使用海水作為介質(zhì)，必須在每天作業(yè)完成后使用淡水沖洗水泵內(nèi)部，以確保無海水殘留在水泵內(nèi)。

（4）在安裝噴嘴之前先低速運行使系統(tǒng)內(nèi)部的殘渣等排出，然后安裝噴嘴，從低壓 （3.45 MPa以下）開始操作，并且要緩慢地增加壓力直到所需壓力，停機時要先卸掉壓力。

[1]薛勝雄,黃汪平,陳正文,等.高壓水射流技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社,1998.

[2]孟春暉,張博蓉,孫世德,等.高壓水射流清洗油管技術(shù)[J].石油工程建設(shè),2001,27（4）:50-51.

[3]張國光.高壓水射流與潛水員水下作業(yè)安全研究[J].海洋工程,2006,24（3）:113-118.