海底管线（精选五篇）
海底管线 篇1
关键词：海洋石油,海底管道挖沟,挖沟机
一、挖沟作业和挖沟设备概述
1. 挖沟作业概述。
我国海洋石油工程中, 海管挖沟主要是通过作业船舶拖带挖沟机, 通过喷射式挖沟机上的轴流泵向海管两侧喷射水流, 从而冲刷海底淤泥, 形成一个U型沟槽, 之后海管沉降到沟底, 随时间沟槽中淤泥回填, 将海管埋于沟中。主要作用是将海管固定于海底, 避免海管偏移和悬空, 以及其他船舶的钩挂, 起到固定保护作用。
2. 挖沟设备概述。
在BZ19-4项目中, 挖沟机选取了海油工程自制的一万方喷射挖沟机。
挖沟机必须满足HYSY299的拖带方式、收放、吊重、甲板布置及承载能力等要求。经过试验, 挖沟机及附属设备尺寸满足上述技术要求。
挖沟机的工作母船为海油工程自有动力定位船"海洋石油299" (HYSY299) 。
二、挖沟作业的实施
1. 船舶就位。
抵达施工现场后, 根据海管路由周围相关结构物及船舶情况合理布置锚位, 挖沟起始点一般距离平管管头25米, 以免破坏法兰及影响膨胀弯的安装。
对于HYSY299这样的动力定位船则不需要抛锚, 抵达现场后需进行DP测试, 然后上线就位。
2. 挖沟机就位。
挖沟机下水后, 凭借GPS定位及声纳扫描, 在吊机的配合下来实现挖沟机的高低变化, 当挖沟机完全进入水面后将进行喷射泵试运行。试运行结束后使用声纳寻找管道位置。当挖沟机降低至约海底时, 对于锚泊船舶由潜水员下水指挥吊机让挖沟机下放到位;对于HYSY299等动力定位船, 挖沟机需要配置2个声纳 (前后各一个) , 在挖沟机下放过程中, 要两台声纳以及姿态传感器同时监视挖沟机状态, 以达到准确就位。
3. 正常挖沟作业。
挖沟的深度, 宽度和速度是由绞船速度, 喷射泵转速, 喷射口压力, 喷腿安置深度, 宽度, 水下检查的频率共同决定的。这些参数都可以调整以保证挖沟作业的最高效率。一旦挖沟机挖沟初始过渡阶段完成后达到要求深度, 在保证挖沟机沿着海底管道的情况下挖沟船根据实际情况在保证沟深的情况下匀速前进。
随着挖沟机慢慢向前移动, 被挖后的地方海底管道会由于自重落入沟中。与此同时海底管道会被淤泥覆盖。这是一种自然现象, 由土壤条件, 地形, 水深和环境共同决定。
为了避免大量的回淤, 更有效的办法是尽快挖沟, 以限制回淤的发生时间。这可以通过提高挖沟机拖带的速度实现。不过, 这也会降低喷射器冲刷的力度 (减少了挖沟时每单位体积泵抽水的时间) 。如果沟中残留有更多的流泥沙也会导致回淤的增加。因此需要在长时间施工时间中总结经验得出最佳的拖带速度。
4. 挖沟记录及监控。
通过装在挖沟机上的监测系统可以得到沟形情况, 监测系统包括拉力传感器和声纳。
拖拉缆上装有一个张力传感器并有一个张力显示器在控制中心。张力显示器会显示挖沟时滑撬上的张力。根据海底地质条件来确定最大挖沟张力, 调整挖沟速度。按照海底管道挖沟常规经验, 挖沟时拖拉缆张力不得超过5T。
在挖沟过程中, 挖沟机的位置, 沟深情况由声纳进行监控。在BZ19-4项目中, HYSY299船上安装有两套声纳装置, 声纳工作在剖面方式以便显示海底面、管线横截面及沟型。
两个声纳头应分别安装在挖沟机的前后两端。挖沟机前部的声纳数据仅能帮助判断挖沟机姿态, 不能提供沟形信息。沟形由后声纳监测记录, 应该适当加高后声纳安装位置, 这样一方面可以观测到较完整的沟形, 另一方面能减少气泡、泥沙的干扰。另外还要在挖沟机上按照声纳电缆的走向焊接固定桩, 方便声纳信号电缆固定。
5. 挖沟机的回收。
当海上挖沟作业完成或者遇到需要起吊挖沟机的情况时, 挖沟机将按照以下步骤回收: (1) 作业船仍以一个平稳的速度前进。 (2) 逐渐降低喷射口的压力。 (3) 挖沟机由吊机缓慢提起。 (4) 停泵, 挖沟机的一切参数归零。 (5) 挖沟机垂直上吊直到滑撬离开海底管道。 (6) 一旦挖沟机完全离开海底管道, 船尾横向移动同时起吊直到挖沟机完全回到船上。
三、总结
海底管线溢油的数值模拟 篇2
摘要：采用VOF方法,选择压力速度耦合的PISO算法建立海底管道孔口溢油预测模型.模拟油滴在浮力的作用下的上浮过程,分析比较不同管内压力和不同水流速度条件下的.溢油量、油滴漂移扩散轨迹.计算结果表明,管道内压力直接影响单位时间溢油量,而水流速度等海况条件是影响溢油行为和归宿的重要因素之一.数值模拟方法可为溢油应急决策提供理论依据.作 者：高清军 褚云峰 林建国 GAO Qing-jun ZHU Yun-feng LIN Jian-guo 作者单位：高清军,林建国,GAO Qing-jun,LIN Jian-guo(大连海事大学,环境科学与工程学院,辽宁,大连,116026)
褚云峰,ZHU Yun-feng(中国石油集团海洋工程有限公司,北京,100176)
焊接材料在海底管线钢管的应用 篇3
1.1 深水用管线钢的概况与发展趋势
海底管道在国外发展很快，自1954年美国在墨西哥湾覆设世界第一条海底管道以来，北海、黑海、地中海、巴西等海洋油气田被相继发现和开发，全世界海底管道工程得到蓬勃发展。目前世界最长的海底管道是挪威至英国的朗格勒得北海管道，总长度1 200 km，管径1 016 mm，壁厚34.1 mm，材质X70，最大工作压力25 MPa，最大水深1 000 m。目前世界最深海底管道是美国墨西哥湾东部湾的独立管道，水深为2 454 m，其管径为610 mm，壁厚34.3 mm，材质X65，最大工作压力25 MPa。目前世界深水管道的典型水深为2 500 m，正面临3 000 m及以上深度的挑战。
中国拥有300万平方千米的海洋面积，油气资源储量丰富，仅南海海域探明的油气储量达到220亿桶当量，是墨西哥湾的两倍。政府开始加大海洋油气资源的开发力度，在“十二五”发展纲要中，明确提出要重点扶持海洋装备制造产业，并出台了一系列扶持政策。与此相适应的南海荔湾3-1项目已于2009年启动，预计2014年竣工投产，总投资规模100亿美元。该气田水深为1 410 m（最深），海底管道分深水和浅水两段，钢管均已完成供货任务，其中浅水段265 km由珠江钢管有限公司和国内其他两家管厂共同完成供货，而深水段150 km由珠江钢管公司独家完成供货，这也是国内制管企业第一次提供1 500 m深海用海底管线。深海段管径为559 mm，壁厚22～27 mm（弯管用母管壁厚31.8 mm），材质X65，最大工作压力29.4 MPa，年运行时间350天，使用年限50年。
1.2 深海管线钢管的特点
海底管道与陆地管道有很大差异，海底管道除了考虑管道正常运行中承受的工作载荷外，还需考虑管道铺设过程中承受的拉伸屈曲应力和铺设完成后的残余应力，以及运行过程中环境载荷对管道的影响，如外水压力、风、海浪、暗流、地震等对管道造成的平移和振动。为满足应变设计需求，使钢管获得最大的临界应变屈曲能力，要求钢管具有足够小的D/t（即径厚比），因此小直径和大壁厚是深海管线钢管的主要特点。海水深度与管径的关系如表1所示。由表1可以看出，随水深的增加，要求的径厚比减小。
为适应海底管道的安装要求和服役条件，海底管线在成分设计和性能方面要求更为严格。主要特点有：①具有高的形变强化指数和均匀延伸率；②低的屈强比；③优良的纵向拉伸性能；④低的铸坯中心偏析，良好的厚度方向性能，低的断口分离和层状撕裂的几率；⑤优异的夏比冲击、落锤撕裂和CTOD性能；⑥优异的 焊接性；⑦严格的尺寸偏差和精度控制。为保证钢管具有上述性能，其化学成分设计特点是：低的碳含量、低的碳当量、低的硫磷含量，其轧制工艺为TMCP。荔湾3-1项目国产钢板的典型化学成分如表2所示，力学性能如表3所示。
从化学成分和力学性能结果看，国产钢板钢质纯净，性能优良，断裂韧性优异，完全可满足深海管线的使用性能。
1.3 深海X65钢管的焊接材料及其焊接
深海管线在前期的试制过程中，采用国内现有的焊接材料有针对性地进行了大量的焊接X65厚壁板的试验研究，结果不能令人满意。表现在：①焊缝中心熔合线的夏比冲击吸收能量偏低，甚至不能够满足标准要求，更不能满足应大于标准规定的二倍的内控标准；②现有焊接材料强度偏低，焊接接头的横向拉伸试验断在焊缝的情况时有发生，不符合标准的要求。因此有必要开发一种性能更高、更稳定的新型焊丝，绝对保证焊缝接头具有足够的低温冲击韧性和断裂韧性以及足够的焊缝抗拉强度，为此珠江钢管与猴王焊材进行了共同开发，并取得成功。
南海荔湾深海钢管的焊接要求如下：
（1）焊接接头的低温韧性：试验温度为-20 ℃，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm时，焊缝中心、FL，FL+2，FL+5的单个最小值≥38 J，平均值≥45 J。内控标准加倍，即：最小值≥80 J，平均值≥90 J。
（2）焊缝的低温断裂韧性：试验温度为-10 ℃时，CTOD值≥0.2 mm。
（3）焊接接头横向抗拉强度：Rm ≥535 MPa，且不允许断在焊缝中心，即要求焊缝的抗拉强度必须大于母材的抗拉强度。从前面数据看出，X65母材的抗拉强度一般在600～620 MPa，为保证接头断于母材，焊材熔敷金属的抗拉强度应在630～660 MPa之间（即匹配系数为1.05～1.10为佳）。
1.3.1 焊丝成分设计思路
目前在制管行业主要使用二种合金化思路的高强高韧性焊丝，效果都比较好，已应用了10多年。一种是以H08C为代表的Mn-Mo-Ti-B合金化方式，另一种则是以H08D为代表的Mn-Ni-Ti-B合金化方式，这二种焊丝各有千秋，就熔敷金属性能而言，H08C的强度更强，H08D的韧性则更高。新型焊丝成分设计立足于二者的优点，将采用Mn-Mo-Ni-Ti-B的新合金成分体系，适当提高Mn，Mo含量以提高抗拉强度，添加适量Ni元素以提高焊缝韧性，降低P，S含量，以稳定焊缝力学性能和改善焊缝的抗裂性能。其合金化元素作用如下：
（1）C：C含量对焊缝的强韧塑性及其组织均有较大的影响，不宜过高或过低。C含量过高，将会使焊缝的韧性和塑性迅速下降，甚至引起焊缝开裂，C含量过低，将影响焊缝强度，一般含量在0.04%～0.10%。
（2）Si：加入一定的Si可以使焊缝金属镇静，加快熔池金属的脱氧过程，保证焊缝的致密性，同时也可提高焊缝的强度。但过量的Si含量，容易形成硅酸盐夹杂，还易出现硅裂。
（3）Mn：焊缝强韧化的有效元素。Mn可以细化晶粒，提高焊缝的低温冲击韧性，并有脱氧脱硫作用；另由于降碳会引起强度下降，所以加入Mn的同时会弥补所失去的强度。
nlc202309030516
（4）Mo： 焊缝中含有一定量的Mo元素有利于提高焊缝中针状铁素体的含量，减少先共析铁素体，并有细化铁素体晶粒的作用，提高焊缝的强韧性。
（5）Ni：有助于提高焊缝金属的韧性，降低韧脆转变温度。此外，Ni还能有效地阻止Cu的热脆性引起的网裂，并能有显著提高钢和焊缝的耐腐蚀性能。
（6）Ti：焊接时Ti可与N和O结合形成TiN或TiO质点作为晶核，在焊接加热过程中阻止奥氏体晶粒的长大而细化焊缝奥氏体晶粒，同时又可在焊接冷却过程中作为相变核心，形成晶内形核的针状铁素体，使焊缝的韧性提高。但若Ti过量，形成大量的TiC和TiN质点，将使韧性降低。
（7）B：加入微量的B，可明显降低奥氏体晶界的界面能，抑制铁素体从奥氏体晶界上形核，避免不利的魏氏铁素体或网状先共析铁素体形成，因而可使焊缝最大限度地获得韧性较高的晶内针状铁素体组织，提高焊缝的韧性。
（8）S，P：焊缝中的主要有害元素，显著降低焊缝金属的低温冲击韧性和塑性，这也是焊缝性能波动的重要原因。为了消除S对焊缝的热脆和P对焊缝冷脆作用，焊丝钢冶炼时应尽量降低S，P的含量，焊缝中S的含量应低于0.003%，P的含量应低于0.012%。
1.3.2 焊缝熔敷金属性能
熔敷金属试验按GB/T12470—2003标准进行，焊丝牌号为MK65HGX-III，匹配的焊剂为SJ102G的氟碱性焊剂。检验结果见表4和表5。熔敷金属性能满足预期要求。
1.3.3 对接试板焊缝性能对比试验
对接采用4丝焊，第1组4根丝全部为新型焊丝，第2组前2根为新型焊丝，后2根为H08DG焊丝。对接试板均为SMYS 450F/X65深海用钢板，壁厚27 mm。试板对接性能结果如表6所示。第1组结果要优于第2组，但二组试验结果均合格，且均有加大的富余。第2组的成本优势明显，故正式生产拟选用第2组匹配。
1.3.4 埋弧焊焊丝MK65HGX-Ⅲ的应用
以埋弧焊焊丝MK65HGX-Ⅲ为主和SJ102G焊剂匹配焊接了南海荔湾项目浅海段的钢管6.5万吨。其材质为X65（武钢），管径为φ762 mm，壁厚度为28.6和30.2 mm。
以同样的焊接材料匹配焊接了南海荔湾项目深海段钢管5万吨，其材质为SMYS 450F（POSCO和南钢），管径为φ558.8 mm，管壁厚度分别为31，29，27，26，25.4，24和22.2 mm，深海段弯管250 t，其材质为SMYS 450F（南钢），管径为φ566 mm，壁厚为30.5 mm。
以上所有规格的焊接接头实物质量的低温冲击韧性均大于标准规定的二倍以上。焊缝中心的CTOD值，浅海段和深海段先后进行了15次试验，焊缝实物质量的CTOD值均满足了标准的要求，而且富余量较大。焊接接头的横向拉伸试验全部都断在母材上，试验证明埋弧焊的焊接接头具有高强度、高韧性和高塑性的性能。图1为部分钢管焊缝性能数据分布图。表7为钢管焊缝CTOD试验结果。
2 关于焊接材料标准的二点建议
2.1 关于S，P含量的问题
通过近10年的发展，中国的冶金和轧钢技术有了长足的进步，国内重点钢厂企业建立了现代化炼钢流程和现代化TMCP轧钢工艺。铁水几乎100%实现了预处理，80%实施了炉外精炼工艺，极大地提高了钢材的纯净度，匹配现代TMCP轧制工艺，实现了当代板材高强度、高韧性和良好焊接性的统一。例如：现在普通的热轧板杂质含量可控制S≤0.010%，P≤0.020%；普通低合金高强板可控制S≤0.005%，P≤0.015%；X80，X90管线钢S≤0.001 5%，P≤0.010%；抗HIC钢板S≤0.001%，P≤0.008%。然而现在的焊缝性能已经明显落后于钢板性能，焊缝性能不稳定，波动大，其主要原因之一，就是焊接材料中S，P偏高，焊接材料实物质量虽然可满足现行焊接材料标准的最低要求，但已难满足用户实际生产需要。现行的焊丝标准S，P大都≤0.030%或≤0.035%，而焊剂更离谱，S≤0.06%，P≤0.08%，作为焊接材料使用单位完全无法接受。建议新修订标准时应进行适当修正，以满足和规范国内焊接材料市场。
2.2 关于ASME牌号焊接材料的问题
现行焊接材料国家标准和国际标准接轨力度较弱，基本在国内采购不到完全符合ASME标准的国产焊丝，低合金钢焊丝表现尤为明显，总是有个别元素对不上，致使公司接国外订单时麻烦重重，评定工作量加多不少，因此建议在修订标准时适当加以考虑。
3 结束语
（1）南海1 500 m深海管线的开发成功，开创了中国制造的SAWL焊管适用于深海管线的先河，这是国内企业向深海进军的里程碑。
（2）开发高端产品，需要走联合开发的路子，例如企业与企业联合、企业与研究院（所）联合。深海管线项目的成功开发，就是一个很好的范例。
（3）现行焊接材料国家标准应进行适当修订，以满足用户的需求。
黎剑峰简介： 1970年出生，本科学历，总焊接师；主要从事钢管的制管工艺和新产品开发工作； lijf@pck.com.cn 。
海底管线挖沟机效率提升方法 篇4
关键词：海管,挖沟机,效率提升
当完成连接海上石油平台之间的海底管道铺设后, 按照工序一般将进行管线挖沟作业, 将海管进行深埋, 防止管线漂浮或侧移, 用于这项作业的施工机具为挖沟机。目前使用的挖沟机可分为喷射式挖沟机、拖拽犁式挖沟机、铰刀式挖沟机和深水爬行式挖沟机。喷射式挖沟机按水泵驱动系统可分为液压喷射式挖沟机和电动喷射式挖沟机。由于国内目前绝大部分海管挖沟工况水深低于100m, 土壤剪切强度低于40kpa, 喷射式挖沟特别适合这种工况, 具有相对较高的效率和较低的成本, 所以在国内市场得到了广泛的应用。本文主要针对目前应用较多的电动喷射式挖沟机进行讨论。
一、工作原理
电动喷射式挖沟机一般由挖沟机本体、脐带电缆、水上动力站和控制室构成。主要原理是使用高压水流冲刷海管两侧下部海床, 将海底泥砂稀释, 并通过水流将海床泥砂带走, 使海管下端形成悬空, 让海管在重力作用下缓慢下沉, 然后泥沙在海水作用下得到回填, 将海管深埋于泥面以下。根据不同挖沟机设计能力及工况, 有的使用低压大排量喷射泵, 有的使用高压小排量喷射泵, 或者组合使用。根据现场地质硬度, 也有的在挖沟机上加装电动铰刀、加装气举等辅助装置。归根结底, 作为喷射挖沟主要动力的是挖沟机的低压喷射泵, 主要是因为这种泵所具备的高排量能够在冲刷过程中起到主导性作用。所以, 提高挖沟效率最主要的手段是从低压喷射泵使用上下文章。
二、优化低压喷射泵选型方案
通常喷射式挖沟机采用水上动力站形式, 无论是采用电动或液压驱动形式, 考虑到施工作业的可行性, 连接水下挖沟机和动力站之间的电缆或液压管线不宜采用过粗, 否则将对施工作业造成极大的不便。然而挖沟速度受到水下水泵功率影响较大, 采用大功率水泵将会增大水流喷射量, 极大地提高挖沟效率, 但功率过大会使连接电缆或液压管线过粗, 这与施工作业效率是一个相对矛盾的两面。目前国内挖沟机水泵每台功率一般控制在300KW以下, 这样既能保证一定的功率, 而电缆或液压管线也不至于过粗。
以240KW水泵为例, 若水泵功率一定, 在水泵功率因数基本不变的情况下, 水泵的流量与水泵扬程成反比。也就是说, 功率一定情况下要采用高流量水泵, 必然会降低水泵的扬程。要选型适合水泵必须根据所挖地质在水泵流量与水泵扬程之间进行合理的取舍。
根据多年渤海挖沟工作海管路由调查, 通常渤海海床面以淤泥及少量砂烁为主, 硬度一般低于40KPa, 极少部分较硬地段能够达到80KPa以上。选型时不仅要考虑到水泵冲刷时海床面抗剪切力同时也要考虑海水阻力。
下面举例进行给予说明:
实例一:公司配置一台挖沟机, 采用10000m3/h水泵一台, 功率240KW, 扬程6m。
该泵属于典型的大流量、小扬程的喷射泵, 通过几年以来使用, 特别适用于较软地质的工况施工。在30KPa以下的软泥作业时, 通常速度能够达到2m/min以上, 速度在国内挖沟机中属于较快水平。但是由于水泵扬程低, 在地质略硬时, 通常挖沟沟床深度不能满足设计要求。一般一遍挖沟时挖沟深度都在2m以下, 往往需要进行海管的二次挖沟才能满足设计要求。
实例二:公司配置另一台挖沟机, 采用5000m3/h水泵一台, 功率240KW, 扬程10m。
该水泵扬程相对上一台有所提高, 通过几次项目使用, 在软质地质工况下, 一般一次挖沟作业沟深基本能够满足要求, 能够保持在2.5m左右, 挖沟速度为2m/min。同上一台挖沟机相比本挖沟机能够适用相对较硬的地质工况下使用。
推荐选型:
根据上述两则实例, 为保证挖沟机流量及挖沟机扬程, 建议挖沟机采用两台水泵模式, 用以提升挖沟速度及挖沟深度。通过现有两台挖沟机比较, 在大流量水泵中, 牺牲一定的流量以提升水泵压力, 能够获得更大的地质适用范围和更高的效率。下面为建议的水泵选型:
水泵流量:3000m3/h;水泵数量:2台;水泵扬程:19m;水泵功率:240KW/台
这样挖沟机喷射总流量为6000m3/h, 扬程为19m, 基本能够适用渤海海域所有地质工况下挖沟要求, 最大地质硬度将达到80KPa, 最大挖沟速度将达到3m/min以上, 挖沟深度能保证在2.5m以上, 满足目前绝大部分海管挖沟深度技术要求。
三、优化挖沟机喷射口
低压喷射泵水泵出水口一般通过一个三通将水流一分为二, 分别向海管两侧进行喷射, 通常为直管连接到三通处, 然后在最下端做一个缩径, 以增加喷射水流压力。由于这种设计形式在海管两侧竖直喷冲, 很容易在海管下端形成一个土壤凸台, 使海管不能在自重作用下下沉。
针对上述情况, 可以进行了较小的改进, 优化后喷射口设计方案:
第一, 在喷射管下端制作一个法兰连接, 方便根据海管挖沟深度要求, 及时调整下端短截喷口长度。
第二, 根据现有施工经验, 调整下端喷口角度, 偏向内侧前方, 经验偏角为前行方向3O, 内侧海管方向5O。这样不仅能够减小海管底部凸台的形成, 还能减小前行方向阻力。
第三, 更改底端缩径的形式, 在外侧使用一个月牙型缩口替代缩径的形式, 经计算这种形式能够更好地将喷射水流进行导向, 极大提升吹泥效率。
四、结束语
海底管线 篇5
1 饱和潜水技术简介
饱和潜水技术是人类对于潜水技术的又一个突破。在饱和潜水发现之前,人們虽然掌握了足够的潜水技术,却仍然只是海底的匆匆过客。每个潜水员进行一次潜水后,要花费大量的时间进行减压,這大大影响了工作效率。40年前,美国的一位乡村医生经过和同事們反复试验,获得了一个惊人的发现。人如果在高压下逗留到一定时间,其血液组织里渗入的气体就会达到饱和程度。从這一程度起,只要压力不变,即使再增加停留的时间,血液和组织里的气体含量也不会改变。這就像一只盛满了水的杯子,它的含量达到了极限,再加一滴也是不行的,无论把水龙头再开多长时间,效果总是一样的。根据這一发现,潜水员在海洋的某个深度工作一段时间后,不必匆忙回到海面上来减压,他可以继续在海中呆下去,直到工作干完后再返回海面,进行一次减压就行了。這种潜水方法,就叫做“饱和潜水”。饱和潜水使潜水作业时间大大增加了,潜水工作效率也得到了很大提高。
所谓饱和潜水理论是区别于常规潜水(非饱和潜水)和不减压潜水的一种新型理论。它是利用潜水员在高压环境下长时间停留之后,机体内溶解的中性气体(氮、氦等)达到饱和状态下的潜水。潜水员在高压环境下过24小时之后,机体内吸收的中性气体就达到饱和。一旦达到饱和之后,无论潜水员在此高压环境下停留多长时间,减压时间将不随停留时间的延长而增加。因此,饱和潜水可以大大提高潜水作业效率。饱和潜水用的气体,除了在小浓度下用压缩空气外,其余都用人工混合气体,一般用氦、氮、氧、或氦氧混合而成,且各种浓度对配比有不同的要求。
饱和潜水的作业系统主要有下列三种类型:甲板加压舱系统、水下居住舱系统和出入式深潜器系统,它們都可以把潜水员送到海中进行长时间的工作。
甲板加压舱系统主要由潜水工作船、甲板加压舱、潜水钟等组成。潜水员在甲板加压舱内加压或等候,工作时用潜水钟送到水下,再出钟作业。
水下居住舱系统由潜水工作船和水下居住舱等组成。
出入式深潜器系统由潜水工作船、出入式深潜器及大吊等组成。
自饱和潜水的概念确立以后,传统的、常规的潜水方式就被对应地称为非饱和潜水。
当潜水员呼吸压缩气体潜水,在一定深度处停留,在一定范围内停留时间越长,呼吸气中惰性气体在体内的溶解量越多,所需减压时间也相应增加,当机体达到完全饱和时,所需减压时间当然是很长的,从理论上来说,所需的减压时间不再增加。如果创造一定的条件,使潜水员得以长期停留在水下(或高气压下)几天乃至几十天,待预定作业任务完成后,一次减压出水。这样,水底作业时间大大延长,即潜水员可在大深度下进行长时间的有效作业。而减压时间不再增加,潜水作业效率就相应提高,这就是饱和潜水的原理。1957年起,Bond进行名为“创世纪”的一系列实验,首先予以证实。
海洋开发、海洋科学研究和水下军事设施的建造,要求潜水员能在水下尤其是在较大深度的水下长时间、高效率地工作,饱和潜水较能适应这种要求,具有这方面的优越性。
衡量潜水作业效率一般都用公式:
按照这一公式进行计算,可以明显地看出饱和潜水作业效率比常规潜水作业效率高,在非饱和潜水,当深度大、停留时间长的时候,潜水作业效率更低,而饱和潜水则相反。
应当指出,对饱和潜水和非饱和潜水两者均不能偏重或偏废,而是应当根据具体潜水作业的深度,所需作业总时数,经济价值以及潜水员和设备等主客观条件,来决定采取那一种潜水方式。例如有人认为:如果潜水深度超过120米,所需作业总时数超过30小时;或潜水深度虽然较浅,而所需作业总时程超过两星期,采用饱和潜水是最经济的。
在饱和潜水条件下,潜水员离开居住舱到水中某一深度进行潜水作业,然后返回居住舱,这种方式的潜水称为巡回潜水(Excursion Diving)(简称“巡潜”)。
巡回潜水分为三种类型:
从饱和深度出发向较浅深度的巡回潜水称向上巡潜,与饱和潜水深度相等的巡回潜水称水平巡潜;从饱和深度出发向较大深度的巡回潜水称向下巡潜。
饱和潜水技术现在已经被广泛用于海洋石油开发领域,特别是大深度的潜水作业,深海区域的海上钻井勘探、海上平台设施的安装、井口基盘、海底管线、海底电缆等的安装复杂作业都需要使用到饱和潜水。现在,饱和潜水技术已经是海洋石油工程项目不可或缺的一项重要技术。
2 饱和潜水技术在海底管线膨胀弯安装中的应用
现在就以平湖二期八角亭工程项目海管膨胀弯安装项目为例,简单分析一下饱和潜水技术在膨胀弯安装当中的应用。
平湖油气田是我国东海发现的第一个以天然气为主的复合型油气田,位于上海市南汇嘴东南方向约365km,西距舟山群岛定海260km;地理位置为东经124°50'~125°40',北纬29°02'~29°10';水深84m~92m。
平湖油田二期八角亭项目安装4腿8桩导管架式平台一个及7公里海底电缆和两条海底管线。
对于海管膨胀弯的安装,需要在该油田DPP导管架侧安装2套膨胀弯,并在新建的八角亭平台导管架一侧安装2套膨胀弯,由于水深的原因,将使用饱和潜水来进行安装。
本次施工的作业船为交通部烟台打捞局的“德瀛”工程船。
本次饱和潜水采用传统的甲板加压舱作业系统,系统主要由潜水员生活舱,潜水员加压减压过渡舱,潜水钟,气瓶组,吊放装置,指挥中心,生命保障系统和其他配套辅助设施组成。
饱和潜水主要的使用的气体———饱和气体主要由氦氧饱和气体组成,根据不同的深度采用不同的配比组成单独的气瓶组。而这些气瓶组是在出海之前由专门的气体工厂按照作业需要提前准备完毕的。
根据平湖海域水深84m~92m的特点,气瓶组主要由2%O2和98%HE,1%O2和99%HE,3%O2和97%HE,8%O2和92%HE以及10%O2,20%O2,50%O2以及纯氧组成。
由于饱和潜水潜水员直到工作结束始终保持在一定的饱和状态,而同时为了保证潜水员的生活和工作,就需要更多的设备来支持,所以饱和潜水的设备设施是明显要比常规空气潜水多得多,而整个饱和潜水系统设备的布置及摆放就具有一定的复杂性和层次性。
由于海管膨胀弯安装需要进行水下测量、水下调整、水下安装等复杂的操作,它不可能与导管架安装时可以使用ROV进行简单的操作来代替人工潜水的复杂程度相比,所以利用饱和潜水技术,由潜水员在深海进行膨胀弯的安装目前是被广泛采用的。
根据海管膨胀弯安装流程,潜水工作将一直贯穿于施工过程的始终,特别是膨胀弯测量、对接法兰、法兰拉伸加力、清管试压以及安放水泥压块等施工步骤。
饱和潜水与常规空气潜水在浅海区域作业相比,饱和潜水潜水员可以通过轮班(一般一天3~4班潜水员)在海况不是很恶劣的情况下(因为只要潜水支持船的稳性能够保证潜水钟在水下处于稳定的条件,潜水作业是基本不受天气影响的)始终保持一天24小时进行作业,而常规空气潜水需要考虑潮汐对于潜水作业的影响,一般情况下,浅海常规潜水是在每天平潮的时候进行的,而且常规空气潜水是会受天气影响挺严重的。
所以饱和潜水的一个主要的优点就是可以保证潜水员一旦达到饱和之后,无论潜水员在此高压环境下停留多长时间,减压时间将不随停留时间的延长而增加,因而饱和潜水可以大大提高潜水作业效率。
但是饱和潜水也是存在它的不足和缺点的,实施海上饱和潜水时,潜水员会遇到高气压、水下低温、水的浮力和阻力、能见度低和水下生物等环境条件的影响,产生一系列医学-生理学问题。
同时饱和潜水的危险性明显要比常规空气潜水和氦氧潜水要高,一旦整个饱和潜水系统有一丝一毫的差错,都会对潜水员的生命人身安全造成危害。
所以,饱和潜水员、饱和潜水监督以及生命支持人员需要进行专门人才的选拔和培训。
3 结语
饱和潜水技术的发展在不断的挑战人类所能到达的水深的极限,深潜器的发展使人类可以到达1100米水深的海底,这是当今人为深潜水的最重要成果。随着海洋石油开发不断走向深海,饱和潜水技术将会被更广泛的应用到海洋石油开发的各个领域,特别是不断变化的海洋平台形式和复杂的海况下,饱和潜水技术将会得到更大的发展。
参考文献
[1]龚锦涵著.重视饱和潜水技术的发展为海洋开发事业服务.海军医学研究所.