淺析淺海石油平臺(tái)海生物機(jī)械物理清理方法

易偉(中海石油(中國(guó))有限公司海南分公司，海南 ?？?570100)

0 引言

伴隨著海上石油開(kāi)采行業(yè)的興起，對(duì)于淺海油氣開(kāi)采裝置，如固定導(dǎo)管架平臺(tái)、FPSO、自升式鉆井平臺(tái)、半潛式鉆井平臺(tái)作業(yè)船舶等大型海洋石油設(shè)施也越來(lái)越多，但在這些裝置的樁腿或者水下部分結(jié)構(gòu)表面，各隔水套管、護(hù)管、海管立管表面等典型部位因海生物的附著與代謝、積垢對(duì)淺海導(dǎo)管架式石油平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)造成一系列影響[1]。

(1)增加其自身的重力載荷；

(2)增加橫向載荷，受洋流影響加劇導(dǎo)管架橫向受力，并減弱平臺(tái)抗風(fēng)暴能力；

(3)對(duì)于淺海區(qū)，水深較淺導(dǎo)管架，海生物附著導(dǎo)致海底基礎(chǔ)沖刷加??；

(4)海生物分泌物一般呈酸性，加劇導(dǎo)管架鋼結(jié)構(gòu)腐蝕程度；

(5)隨著海生物附著厚度增加，難以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管架機(jī)械損傷，干擾平臺(tái)結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)；

(6)對(duì)海水提升泵等泵類吸入口造成堵塞；

(7)影響平臺(tái)陰極保護(hù)性能。

根據(jù)淺海平臺(tái)海生物清理要求不同，可分為普通清理和特殊清理。對(duì)于普通的清理工作，僅需將海生物除去即可，但此類清理范圍較大，幾乎涵蓋整個(gè)水下結(jié)構(gòu)表面。但針對(duì)淺海地區(qū)水深影響以及潛水技術(shù)與經(jīng)濟(jì)成本考慮，且隨著水深加深附著海生物以軟質(zhì)為主，并逐漸減少，故目前清理水深一般為水面至水下50 m左右。對(duì)于復(fù)雜的水下無(wú)損檢測(cè)，比如五年特檢等需要對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，就需要進(jìn)一步通過(guò)去除海生物，進(jìn)行打磨去掉表面的油漆附著物，直接對(duì)焊縫或者結(jié)構(gòu)本體進(jìn)行檢測(cè)。

以北部灣海域兩個(gè)井口平臺(tái)為例，不到三年時(shí)間井口平臺(tái)1海生物附著厚度平均約14 cm，井口平臺(tái)2海生物附著厚度平均約20 cm，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件上硬質(zhì)貝類海生物附著較多。查詢井口平臺(tái)導(dǎo)管架維護(hù)手冊(cè)，依據(jù)原詳細(xì)設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最大海生物厚度為5 cm，而依據(jù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)最大厚度可達(dá)17.0 cm。在平臺(tái)服務(wù)期內(nèi)，需要及時(shí)清理海生物，保證最大厚度＜5 cm，該項(xiàng)要求會(huì)顯著提高規(guī)范推薦的檢測(cè)頻率。在工程檢測(cè)中應(yīng)包括海生物厚度的檢測(cè)，在初期建議半年檢測(cè)一次，掌握海生物生長(zhǎng)規(guī)律后，可根據(jù)海生物生長(zhǎng)規(guī)律調(diào)整檢測(cè)頻率以減少費(fèi)用。

由于海域以及水深差別，此處僅分析海生物需要清理的必要性，不做海生物具體生長(zhǎng)速度以及趨勢(shì)的估測(cè)。其外，依照《在役導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)指南2013》，其中也有關(guān)于海生物厚度測(cè)量與清除的要求，海生物厚度不得超過(guò)平臺(tái)設(shè)計(jì)的允許量或平臺(tái)經(jīng)安全評(píng)估確定海生物需要清除時(shí)應(yīng)進(jìn)行清除，同時(shí)在檢驗(yàn)犧牲陽(yáng)極時(shí)也需要清除表面海生物。

目前海生物清理技術(shù)主要有手工清理、MGP機(jī)械摩擦式清理、高壓水清洗和空化射流清洗。文章將對(duì)后面三種清理方式進(jìn)行重點(diǎn)講述，并比較其優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)對(duì)目前現(xiàn)有海生物的防范措施進(jìn)行論述。

1 MGP(Marine Growth Preventer)機(jī)械摩擦式清理

這是一種安裝在海洋固定導(dǎo)管架式平臺(tái)結(jié)構(gòu)件、隔水套管或者海管立管上的環(huán)狀防海生物裝置MGP(Marine Growth Preventer，以下簡(jiǎn)稱MGP)在海洋自然力的作用下連續(xù)的撞擊構(gòu)件，并不停沿著構(gòu)件往復(fù)運(yùn)動(dòng)，有效清除海平面附件飛濺區(qū)海生物，通過(guò)機(jī)械作用力摩擦刮除海生物，有效的去除現(xiàn)有的海生物并抑制海生物在飛濺區(qū)導(dǎo)管架上的附著生長(zhǎng)。

MGP是由一種耐海水與風(fēng)化老化的工程塑料做成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，可以安裝在導(dǎo)管架或者橫向、豎直、斜向的結(jié)構(gòu)桿件上，在潮汐、海浪拍打等自然力推動(dòng)下，持續(xù)性的做摩擦往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)海生物進(jìn)行清理[2]。

在國(guó)內(nèi)海上油氣田中，在其導(dǎo)管架上便安裝了該防海生物裝置，也取得了良好應(yīng)用。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用圖片以及MGP實(shí)物照片如圖1、圖2所示。

圖1 MGP現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

圖2 MGP現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物組裝

MGP對(duì)海生物的機(jī)械清理效果比較直觀，從圖片可以清晰看到靠近海面的飛濺區(qū)刮除效果以及殘留表面比較光潔，而且油漆表面也起到了很好的保護(hù)作用。

雖然如上述現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況了解，該機(jī)械裝置能夠有效的刮除海生物和抑制表面附著緩解海生物生長(zhǎng)，但MGP的使用壽命始終還是受自然海況、臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣影響，過(guò)程中可能由于臺(tái)風(fēng)天氣引起巨浪等較大的作用力產(chǎn)生碰撞導(dǎo)致?lián)p壞，以及自身老化等原因影響使用壽命。

2 高壓水射流清理

通過(guò)使用高壓水射流來(lái)清洗樁腿及結(jié)構(gòu)件附著海生物是近年來(lái)應(yīng)用較為普遍的一種清洗技術(shù)，通過(guò)形成高壓的射流形成較強(qiáng)的打擊和剪切引起破碎應(yīng)力，當(dāng)超過(guò)垢面或海生物附著力后，達(dá)到清理的目的。

高壓水清洗裝置一般由地面的增加泵、高壓軟管、水下高壓噴槍槍頭組成。該清洗裝置在清洗過(guò)程中產(chǎn)生的噴射壓力通常在10 000至20 000 psi之間,但是由于壓力很高不可避免的會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)表面的防腐涂層產(chǎn)水破壞，一旦達(dá)到20 000 psi以上壓力便可能切割鋼鐵類材料，所以高壓水清洗也不可避免的存在高風(fēng)險(xiǎn)，如果使用不當(dāng)，可能會(huì)傷害到作業(yè)人員自身，嚴(yán)重甚至致殘，所以在使用過(guò)程中需要極其小心，避免高壓導(dǎo)致的次生危險(xiǎn)。

之所以高壓水射流清理被大量的普遍性應(yīng)用于淺海海上裝置附著的海生物以及成為無(wú)損檢測(cè)表面清理的主要措施，主要還是因?yàn)槠渚哂泄?jié)能環(huán)保、效率較高的特點(diǎn)。但由于其壓力高，且為潛水作業(yè)，伴隨的危險(xiǎn)性相對(duì)較高。故在操作過(guò)程中必須具備資質(zhì)以及按照ADCI 商業(yè)潛水與水下作業(yè)國(guó)際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[5]并嚴(yán)格遵守高壓水的安全操作規(guī)程。

3 空化射流清理

目前，國(guó)際上還有一種正在大量被推廣應(yīng)用的水下清洗清理海生物的技術(shù)被稱作空化射流技術(shù)，它是將壓縮空氣與高壓水融合，通過(guò)空化作用加入到射流技術(shù)中形成新型的射流技術(shù)。通過(guò)其配套的設(shè)備對(duì)壓力、流速等參數(shù)進(jìn)行控制使水流束在經(jīng)過(guò)空化噴嘴時(shí)生成大量的空化氣泡，在需要清潔的表面小范圍內(nèi)生成高達(dá)140到170 MPa的微射流沖擊[3]，進(jìn)而清理海生物等附著物，在清洗銹跡和剝落的油漆時(shí)，不損壞底層油漆和清漆防垢防腐涂層。

但空化作用對(duì)物體表面造成的空蝕的機(jī)械作用范圍也是有限的，對(duì)清理的壁面受到氣泡潰滅時(shí)的高壓射流與沖擊波雙重作用達(dá)到清理作用，但超過(guò)一定距離范圍，則壁面的破壞主要?jiǎng)t以沖擊為主，達(dá)到的效果也會(huì)受到減弱[3]。

在清理過(guò)程中，空化效應(yīng)產(chǎn)生不同的頻率振動(dòng)，通過(guò)空化射流傳遞至海生物或者結(jié)構(gòu)件壁面時(shí)，其結(jié)構(gòu)與附著物也隨著不同頻率振動(dòng)，破壞被清理物的附著力。與傳統(tǒng)的機(jī)械摩擦式清洗、高壓水清洗、手工清洗海生物，空化射流技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)清洗效率高，大范圍清洗時(shí)，每小時(shí)清洗面積可超過(guò)1 500 m2。

(2)清洗的形狀全，包括船用螺旋槳、舵、海底門(mén)、平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)部分；

(3)清洗工序安全環(huán)保，清洗射流壓力小，對(duì)使用者造成危險(xiǎn)較??；

(4)小壓力的清洗射流能除掉污垢，且保證處理表面的清漆和油漆防污防腐涂層；

(5)在運(yùn)行清潔過(guò)程的時(shí)候無(wú)需更換工具和消耗材料，節(jié)省物料與時(shí)間；

(6)容易操作，不需要特殊操作技術(shù)上的培訓(xùn)。

結(jié)合上述的MGP機(jī)械摩擦式清理、高壓水射流清洗、空化射流清洗三種方法，可以得知：

(1)MGP機(jī)械摩擦式，其優(yōu)勢(shì)在于可以利用潮汐海浪天然能量、且選擇型號(hào)多、安裝方便、能有效抑制尤其隔水套管海生物生長(zhǎng)，但也受較大風(fēng)浪如臺(tái)風(fēng)影響損壞導(dǎo)致成本增加，復(fù)雜結(jié)構(gòu)難以清理，以及水下部分難以覆蓋等缺點(diǎn)限制。

(2)高壓水射流，節(jié)能環(huán)保、清理效率高且可靠的優(yōu)勢(shì)，但要求操作人員技術(shù)嫻熟，避免過(guò)程造成人員受到高壓傷害，且可能破壞原有的結(jié)構(gòu)油漆等保護(hù)性涂層；

(3)空化射流，同樣具有節(jié)能環(huán)保、清理效率高的優(yōu)點(diǎn)，且不會(huì)破壞或者較輕度的破壞油漆等保護(hù)涂層，此外對(duì)操作人員的技術(shù)要求相對(duì)更低，不會(huì)對(duì)操作人員產(chǎn)生因?yàn)楦邏簬?lái)的危險(xiǎn)，但缺點(diǎn)就是清理的殘余程度可能較高壓射流清理后的高。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，對(duì)淺海海上石油平臺(tái)進(jìn)行海生物清理已經(jīng)成為一項(xiàng)較為重要且常見(jiàn)的作業(yè)，較為常見(jiàn)的還是以高壓水清洗為主導(dǎo)，而空化射流近十年在國(guó)外得到了大量的普及應(yīng)用，但在目前國(guó)內(nèi)的海上裝置海生物清理中比較少見(jiàn)。隨著海洋石油設(shè)施由于對(duì)設(shè)施檢驗(yàn)、載荷影響、設(shè)計(jì)海生物附著厚度限制多方面的因素考慮，高壓水射流清洗技術(shù)也在海上石油設(shè)施得到了廣泛的應(yīng)用于普及。而空化射流技術(shù)雖然目前在國(guó)內(nèi)尚屬于興起應(yīng)用階段，但鑒于其更能保障作業(yè)人員的人身安全、有效保護(hù)設(shè)施表面的防腐層的突出特點(diǎn)，在海洋石油設(shè)施清理行業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。

近期在北部灣海域某兩個(gè)井口平臺(tái)就采用了該種空化射流技術(shù)進(jìn)行了海生物的清理，歷經(jīng)1個(gè)月的施工，兩個(gè)井口平臺(tái)的作業(yè)清理面積達(dá)到4 800 m2，有效減輕了平臺(tái)所受波流載荷的影響，本次海生物清理作業(yè)引入的空化射流方式為今后類似作業(yè)提供了良好借鑒。