白寧，李紅，劉帥

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452）

用于海底油氣管道切割作業(yè)的水下鉆石線繩鋸機，其主要優(yōu)點是可以適應海底的工作環(huán)境，一次操作中能夠切割金屬材料和非金屬材料，并且對操作人員和環(huán)境不會產生危害，其技術應用前景非常廣闊。但在使用中也出現了一些急需攻關解決的技術難題，其中，尤以“夾鋸現象”最為突出和危害巨大。本文通過技術分析和研究，以便徹底解決水下線切割設備的此類技術難題。

1 鉆石線繩鋸機在海洋冷切割領域的應用

近幾年，國內海洋石油領域逐步開始出現了的鉆石線繩鋸機，應用于海底管道和結構物的切割。設備一般根據鉆石線安裝方式不同分為以下兩種：

1.1 閉合的鉆石線：設備使用時鉆石線水上安裝，連接下放至水下后，切割海管時方向是從上至下，切割過程中由于切割到3/4位置時，容易造成管線向內收緊狀態(tài)，導致鉆石線被夾斷。因此鉆石線損耗率較高。切割方式如圖1所示。

1.2 不閉合的鉆石線：設備連接下放至水下后，潛水員水下輔助安裝鉆石線，設備從海管底端向上切割，從而有效避免了鉆石線被夾斷的可能，但是由于此種方法是潛水員水下安裝鉆石線較費時，并且鉆石線雖然在水下安裝完成后，需要使用液壓工具將其閉合，但線鋸本身相對于閉合鉆石線更易在切割過程中造成鉆石線斷裂。切割方式如圖2所示。鉆石線繩索按一定的順序纏繞在主動輪及輔助輪上，注意繩子的方向應和主動輪驅動方向一致，安裝好的鉆石線鋸繩應進行收緊，同時應注意切割線位置的鉆石線鋸繩保持水平狀態(tài)。

表1 鉆石線連接方式對比

圖1 鉆石線水上安裝，從上至下切割

圖2 鉆石線水下安裝，從下至上切割

2 鉆石線繩鋸機應用中“夾鋸現象”

渤中25-1南油田舊管線回收前WHPB平臺側需切割回收約200m舊管線，由于管線應力較大，且內管切斷后存在錯管現象，導致鉆石線切割機切割時存在夾鋸現象，嚴重時會損壞切割設備。

圖3 現場管線切割存在夾鋸現象

當時考慮在SPM側切割錨固件與平管法蘭之間的單層管短節(jié)，避免因切割雙層管造成夾鋸。因WHPB平臺側為整體立管，無平管法蘭及錨固件，在遠離WHPB平臺的位置使用鉆石線切割機切斷內管后，外管剩余約10cm未割斷，使用其他方法，破除海管應力。管線應力破除后，順利進行切割斷管、回收舊管線工作。

需考慮管線應力問題及可能存在內管錯管的問題，需提前破除管線應力或尋找錨固件附近位置進行切割，避免發(fā)生夾鋸現象。

2.1 鉆石線繩鋸繩芯連接方法

鉆石線繩鋸繩芯連接有三種方法。鉆石線串珠繩接頭質量的優(yōu)劣直接影響到串珠繩的正常工作和使用壽命。串珠繩繩芯的連接有三種方法。

一是先用剪切機將繩芯兩頭切齊，用鋼刷刷干凈，套上銅箍或鋼箍，用專用的液壓工具將銅箍或鋼箍外圓周壓出波紋，壓口形狀有圓柱形和正六邊柱形，接頭的兩端邊緣應各留有1mm的凸臺，固定接頭的端面與串珠的端面之間要留有5mm的間隔，其間的塑膠套也應該保留。接頭壓接應力應達到標準，使之與繩芯頭牢固結合，如圖4(a)所示。這種連接方法的優(yōu)點是連接可靠，缺點是不易拆卸。一般根據設備尺寸從廠家直接采購閉合鉆石線，公司自有鉆石線切割設備就采用這種鉆石線。

二是如圖4(b)所示，這種方法將制成左旋螺紋的螺母、螺柱零件分別與串珠繩兩端的鋼絲繩壓接，使用時只需將螺母端和螺柱端連接即可。其特點是連接迅速，可靠，可拆卸，可多次使用，不損壞串珠繩。

三是如圖4(c)所示，這種方法將制成左、右旋的螺柱分別與串珠繩兩端的鋼絲繩焊接，然后通過一個兩邊分別是左、右旋螺紋的螺母套將二者連接起來。該方法需要焊接設備，目前使用較少。后兩種方法在連接前須先將串珠繩以反螺紋方向扭轉若干周，然后擰緊螺紋接頭，目的是防止串珠繩在工作中螺紋接頭回扣松脫。

圖4 鉆石線串珠繩連接方式

3 “夾鋸現象”技術分析

3.1 鉆石線張力分析

水下鉆石線繩鋸機在完成海底石油管道切割過程中，串珠繩的張力對切割效率和串珠繩的使用壽命有重要影響。串珠繩的張力過大，疲勞損壞加劇，易引起斷繩，另外，導向輪和驅動輪的橡膠襯墊產生過度磨損。串珠繩的張力太小，串珠繩和驅動輪之間容易打滑，切割效率下降。由此可見，在切割作業(yè)中保持合理的串珠繩張力具有重要意義。

圖5為串珠繩張力測定力學模型。中間輪在C點相對于A、B支座點向下壓緊的過程中產生壓緊力FP和位移δ。

圖5 張力測定力學模型

在不考慮鉆石線抗彎剛度時，鉆石線的張力為：

式中：FT——鉆石線張力（N）；FP——鉆石線所受的壓力（N）；δ——鉆石線位移（m）；1——A、B支座點的距離（m）。

AD段鉆石線的撓曲線方程和轉角方程分別為：

由于鉆石線在支座座點A處轉角的連續(xù)條件為θ’A=θ”A。試取x=0，x=L得：

由式（6）可得支座點A處彎矩M為：

因 ，其中鉆石線抗彎剛度ESIS比較小，鉆石線張力比較大，所以k值較大，則有：

因為 ，所以：

將式（14）帶入式（11）得：

變形后得：

由于鉆石線抗彎剛度ESIS為定值，所以有：

由式（17）求得鉆石線張力：

因此，保證鉆石線張力FT得以確定，根據現場情況應盡量控制對鉆石線張力FT小于Fmax，以避免鉆石線發(fā)生斷裂，從而保證設備及人員安全。

4 鉆石線繩鋸機技術改造

由于上述項目鉆石線在水下使用過程中出現夾鋸現象，為了實現對海底管線快速修復，可以設計一種有效防止設備切割過程中造成管線向內收緊的裝置。故考慮使用以下兩種方式加以避免。

4.1 關斷設備下放楔塊

根據現場施工人員反映，鉆石線在切割單層海管至1/2左右時，夾鋸現象較明顯，可以看到管線明顯向內收緊，故可以在項目中考慮在設備切割海管至1/4處，關斷設備，由潛水員下放錐形楔塊至切口，從而有效避免因海管應力造成的管線向內收緊、繩鋸夾鋸擠斷的現象。

4.2 楔塊伸縮機構

由于方法一中需要關斷設備，潛水員下放錐形楔塊，存在一定風險，現考慮將設備功能提升，避免海管因向內收緊出現夾鋸現象，減少潛水員水下操作時間。

利用雨傘傘柄原理對水下鉆石線繩鋸機進行功能優(yōu)化。由于設備開始切割時，鉆石線鋸弓隨著進給絲杠驅動，因此可以考慮在鉆石線繩鋸機鋸弓上焊接一塊長約60cm、底部直徑約2cm的錐形楔塊（以24英寸海管為例），如圖6所示。在設備下放水下切割時，保證楔塊伸縮機構最大伸長距離初始鉆石線與海管接觸位置以上約15cm，設計楔塊機構如圖6。

圖6 楔塊機構模型圖

鋸弓及楔塊伸縮機構騎在進給橫梁上并通過位于框架中心的進給絲杠驅動。當鉆石線開始切割海管約15cm，楔塊可以在海管切割處楔住，防止海管向內收緊。設計楔塊上部伸縮裝置是為了在鉆石線繼續(xù)切割時可以隨著鋸弓的下放收縮，并使楔塊夾在海管防止其向內收緊。

楔塊伸縮機構主要由長約5cm的錐形楔塊及伸縮裝置焊接組成。伸縮裝置焊接在鋸弓處，設計結構類似于雨傘傘柄，保證裝置錐形楔塊與鉆石線在一個平面上，這樣可以保證錐形楔塊有效地楔入需要切割海管中，同時減少潛水員水下操作時間，鋸弓隨著絲杠下放過程中伸縮裝置可以縮放，這樣可以防止楔塊被海管夾住后鋸弓無法繼續(xù)進給。從而避免了鉆石線繩鋸機在進給過程中出現繩鋸夾斷現象。

5 結語

本文以鉆石線繩鋸機在渤中25-1南油田WHPB平臺至海洋石油113單點系泊混輸海管維修項目中的應用為例，介紹鉆石線繩鋸機在海洋水下切割領域的應用，并以“夾鋸”這一技術難題開展技術分析和研究，得到結論如下：

（1）管線應力的存在，含內管錯管的問題，是導致“夾鋸”的主要原因，解決方法是需提前破除管線應力，或尋找錨固件附近位置進行切割，可以有效避免發(fā)生夾鋸現象。

（2）在設備改造和使用中，應盡量控制對鉆石線張力FT小于Fmax，避免鉆石線發(fā)生繩鋸斷裂，從而保證設備及人員安全。

（3）設備下放楔塊和楔塊伸縮機構的改造經驗證是可以有效解決“夾鋸”現象的技術措施。

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