海底保溫管道技術(shù)發(fā)展概況

相政樂 蔣曉斌 張曉靈 杜寶銀 楊加棟 (中海油能源發(fā)展管道工程公司)

海底保溫管道技術(shù)發(fā)展概況

相政樂 蔣曉斌 張曉靈 杜寶銀 楊加棟 (中海油能源發(fā)展管道工程公司)

結(jié)合國(guó)內(nèi)外海底保溫管道的技術(shù)發(fā)展,介紹目前國(guó)外最常用的管中管結(jié)構(gòu)、單壁管結(jié)構(gòu)及集束管道結(jié)構(gòu)的技術(shù)及工程應(yīng)用情況。在淺水海域和邊際油田開發(fā)中,單層保溫配重管得到了較好的發(fā)展與應(yīng)用。隨著油氣勘探開發(fā)從淺海走向深海,甚至超深海,國(guó)內(nèi)在使用海底保溫管道技術(shù)方面與國(guó)外還存在較大的差距,采用濕式保溫的單壁管及集束管將是我國(guó)未來深水海底保溫管道技術(shù)的發(fā)展方向。

海底管道 保溫 管中管 聚氨酯 聚丙烯 集束管

1 引言

自1954年美國(guó)Brown&Root公司在墨西哥灣氣田鋪設(shè)了世界上第一條長(zhǎng)16 km的海底管道以來,在墨西哥灣、北海、地中海、澳大利亞、西非安哥拉海域累計(jì)鋪設(shè)了超過10×104km的海底管道[1],鋪設(shè)水深已達(dá)2 400 m。我國(guó)的海底管道是在近20年發(fā)展起來的,已先后在渤海、東海以及南海累計(jì)鋪設(shè)了約2 500 km的海底管道[2]。

海底管道有多種分類方法,按用途可劃分為運(yùn)輸管道、油田產(chǎn)品輸送測(cè)試/生產(chǎn)管道、輸水和化學(xué)制品管道等。按管道橫截面的結(jié)構(gòu)可分為單壁管道、管中管 (pipe-in-pipe)和集束管道 (bundles)。按保溫 (或稱絕熱)方式可分為被動(dòng)保溫(passive insulation)和主動(dòng)加熱 (actively heated systems)兩種,而被動(dòng)保溫根據(jù)所用保溫材料的不同,可分為干式保溫 (dry insulation)、濕式保溫 (wet insulation),以及相變材料保溫等;主動(dòng)加熱又可分為熱流體加熱和電加熱兩種。

2 管中管結(jié)構(gòu)

管中管結(jié)構(gòu)即鋼質(zhì)內(nèi)管用于輸送油、氣等介質(zhì),鋼質(zhì)外管對(duì)絕熱層提供可靠的保護(hù)、加重作用,內(nèi)外管之間是保溫 (絕熱)層。

管中管結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是防護(hù)可靠性高,能有效地減少內(nèi)管熱變形;缺點(diǎn)是外套鋼管多采用厚壁鋼管,鋼材消耗量大,并且鋼管外表面需進(jìn)行3層聚乙烯防腐結(jié)構(gòu)處理,防腐的費(fèi)用也較高。另外,在海上安裝施工時(shí),需對(duì)內(nèi)、外鋼管進(jìn)行焊接, 100%無損探傷,施工量大,鋪管速度慢,效率較低,因而整體工程造價(jià)較高[3]。

管中管結(jié)構(gòu)對(duì)絕熱材料抗壓強(qiáng)度無特殊要求,常用的絕熱材料包括纖維類材料 (如巖棉、礦渣棉、硅酸鹽纖維等)、氣孔狀又稱空氣層/粉末類材料 (如珍珠巖、氣凝膠等)和多泡型材料 (如聚氨酯泡沫塑料、酚醛泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料等)。

該結(jié)構(gòu)在國(guó)外已大量應(yīng)用。國(guó)內(nèi)第一條長(zhǎng)距離稠油輸送海底管道 (2001年建成投產(chǎn)的綏中36-1油田中心平臺(tái)至綏中陸上終端的海底管道)也采用了雙層鋼管保溫結(jié)構(gòu)。此管道全長(zhǎng)70 km,內(nèi)管直徑為508.0 mm,外管直徑為660.4 mm[4]。截至目前,雙層鋼管保溫結(jié)構(gòu)管道在國(guó)內(nèi)已累計(jì)鋪設(shè)了約350 km。

3 單壁管結(jié)構(gòu)

3.1 單層保溫配重管

單層保溫配重管由內(nèi)及外分別為鋼管、防腐層、聚氨酯泡沫保溫層、聚乙烯防護(hù)層和混凝土配重層。底層防腐采用熔結(jié)環(huán)氧粉末 (FBE)靜電噴涂,保溫層采用聚乙烯夾克管+澆注聚氨酯發(fā)泡工藝,配重層采用混凝土噴涂工藝。

相對(duì)于“管中管”結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)采用混凝土配重層替代外套鋼管,可以節(jié)省約三分之二的鋼材和防腐程序,并減少了鋪管焊接工作量,提高了海上管道鋪設(shè)的速度,降低了管線系統(tǒng)造價(jià),但只適用于淺水區(qū)域。因此,在淺水海域和邊際油田開發(fā)中,單層保溫配重管具有很好的應(yīng)用前景[3]。

國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用單層保溫配重管是潿洲油田。該油田位于中國(guó)南海的北部灣海域,管線全長(zhǎng)34 km,平均水深40 m。截至目前,單層保溫配重管在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用長(zhǎng)度已達(dá)300 km。

國(guó)外應(yīng)用單層保溫配重管技術(shù)開發(fā)海上油氣田的項(xiàng)目主要集中在20世紀(jì)70—80年代[5],應(yīng)用區(qū)域的水深一般不超過40 m,如1982年開發(fā)的位于丹麥北海的Skjold項(xiàng)目,1974開發(fā)的位于爪哇海的Apco Java Sea項(xiàng)目等。

針對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝效率低、泡沫密度分布不均勻等缺點(diǎn),丹麥Logstor公司研制出一種采用FBE靜電噴涂+在線噴涂聚氨酯發(fā)泡+在線擠出聚烯烴防水層的生產(chǎn)工藝,相比傳統(tǒng)的聚氨酯澆注發(fā)泡工藝,采用該技術(shù)生產(chǎn)的保溫管優(yōu)點(diǎn)是聚氨酯泡沫保溫層密度分布均勻,保溫效果良好,節(jié)省了穿聚乙烯夾克管和安裝管端防水帽工序。管端部位采用聚乙烯膠黏劑可使高密聚乙烯與防腐層黏結(jié)牢固 (圖1),使得整條管線的安全性得到提高,可應(yīng)用到水深200 m左右的區(qū)域。

圖1 管端結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 聚氨酯復(fù)合涂層體系

聚氨酯復(fù)合涂層體系是將特殊性能的聚氨酯與不同類型的空心微球進(jìn)行復(fù)合而成,使保溫和防護(hù)作用合二為一,從而使海底管道保持整體一致性。根據(jù)填加空心微球的類型不同,聚氨酯復(fù)合涂層體系可分為有機(jī)空心聚合物復(fù)合聚氨酯涂層和無機(jī)空心玻璃微珠復(fù)合聚氨酯涂層。其主要性能、用途見表1,圖2為聚氨酯復(fù)合涂層示意圖。

表1 聚氨酯系列保溫產(chǎn)品主要性能及其用途

圖2 聚氨酯復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)

該體系技術(shù)的難點(diǎn)在于高性能聚氨酯材料和空心玻璃微珠的研發(fā)。高性能聚氨酯材料要求具有良好的韌性、強(qiáng)度,耐海水浸泡和絕熱性能[6]。空心玻璃微珠采用堿石灰硼硅酸鹽,平均粒徑為30～60μm,密度為0.32～0.60 g/cm3,抗壓強(qiáng)度為14～126 MPa,導(dǎo)熱系數(shù)為0.10～0.20 W/(m· K)。用于深水區(qū)域的玻璃微珠復(fù)合聚氨酯原料均為國(guó)外公司生產(chǎn),如DOW公司Hyperlast SyntacticDW-512,BASF公司 Elastoshore10010R/ 5000等,空心玻璃微珠多采用 3M公司生產(chǎn)的S32、S35、S38系列產(chǎn)品。

聚氨酯復(fù)合材料具有優(yōu)異的韌性、強(qiáng)度及耐浸泡性能,最外層不需要防水層及防護(hù)層,可采用在線旋轉(zhuǎn)澆注或者模制方式進(jìn)行涂敷預(yù)制;從淺海到深海,對(duì)各種直徑的鋼管都適用,而且可采用各種海底管道鋪設(shè)方法進(jìn)行施工,如卷筒鋪設(shè)法、J型鋪管法、S型鋪管法等。國(guó)外多家公司已研制出能適應(yīng)于深水的聚氨酯復(fù)合涂層體系,如加拿大Bredero Shaw公司、瑞典 Trelleborg公司、馬來西亞PPSC公司等。聚氨酯復(fù)合涂層體系已經(jīng)在墨西哥灣、安哥拉海域和其他地區(qū)的海底管道上得到大量應(yīng)用[7]。如 2001年BP公司建成的 Amoco King項(xiàng)目,該項(xiàng)目位于墨西哥灣,水深1 600 m,海底管線長(zhǎng)約50 km。

3.3 聚丙烯復(fù)合涂層體系

聚丙烯復(fù)合涂層體系采用多層不同類型的聚丙烯材料 (如聚丙烯、發(fā)泡聚丙烯泡沫、聚丙烯復(fù)合泡沫以及抗紫外線聚丙烯等)復(fù)合而成,具有良好的力學(xué)性能、較低的氧氣和水滲透率及耐老化性能,厚度與層數(shù)可根據(jù)需要調(diào)整。保溫層根據(jù)水深、工況等實(shí)際應(yīng)用條件,選擇聚丙烯泡沫或聚丙烯與空心玻璃微珠的復(fù)合泡沫[8]。防護(hù)層可根據(jù)不同需求采用聚丙烯或抗紫外線聚丙烯,各層之間采用共聚物黏合劑進(jìn)行黏結(jié)處理。聚丙烯系列保溫產(chǎn)品主要性能及用途見表2。

表2 聚丙烯系列保溫產(chǎn)品主要性能及其用途

該體系技術(shù)的難點(diǎn)在于高性能聚丙烯樹脂的研究以及聚丙烯發(fā)泡工藝的研究。不同層的聚丙烯其類型各不相同,如聚丙烯泡沫層,要求泡孔分布均勻,具有高融化強(qiáng)度、高抗蠕動(dòng)、高硬度等性能,為深水管道提供優(yōu)異的保溫性能[9]。外層的聚丙烯則需要良好的抗靜水壓力和柔韌、彎曲性能。圖3為5層聚丙烯復(fù)合涂層體系,圖4為7層聚丙烯復(fù)合涂層體系。

圖3 5層聚丙烯復(fù)合涂層體系1—FBE;2—膠黏劑;3—實(shí)心聚丙烯; 4—發(fā)泡聚丙烯;5—外防水層

聚丙烯復(fù)合涂層體系預(yù)制工藝為:底層通過FBE與鋼材基體黏結(jié);里面兩層通過側(cè)擠或壓擠的方式進(jìn)行涂敷;聚丙烯泡沫層和外面夾克層通過壓擠的方式同時(shí)進(jìn)行涂敷,通過這種方式可以確保管道外徑一致和避免泡沫中含有空氣[10]。

聚丙烯復(fù)合涂層體系具有保溫、質(zhì)輕、抗壓、不可滲透、穩(wěn)定、韌性好、可修復(fù)、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等特點(diǎn)。可以滿足從淺水到深水不同深度和海況下海底管道的防腐保溫要求,可在鋪管船上采用S型、J型及卷筒鋪設(shè)法進(jìn)行海上安裝。

圖4 7層聚丙烯復(fù)合涂層體系1—FBE;2—膠黏劑;3—實(shí)心聚丙烯;4—復(fù)合聚丙烯; 5—阻擋層;6—泡沫聚丙烯;7—外防水層

國(guó)外多家公司已研制出能適應(yīng)深水的聚丙烯復(fù)合涂層體系,如加拿大Bredero Shaw公司、瑞典Trelleborg公司、意大利Socotherm公司、馬來西亞PPSC公司等。自1991年以來,聚丙烯復(fù)合涂層體系已經(jīng)在北海、墨西哥灣、南中國(guó)海和其他地區(qū)的海底管道上得到應(yīng)用,總長(zhǎng)度達(dá)到660 km。BP公司的 Thunderhorse油田項(xiàng)目應(yīng)用了7層 PP涂層系統(tǒng)。

4 集束管系統(tǒng)

集束管結(jié)構(gòu)和管中管結(jié)構(gòu)的主要特征是具有同心的內(nèi)管和外管,管內(nèi)流體絕熱,同時(shí)外管提供機(jī)械保護(hù)[11]。

海底集束管系統(tǒng)主要由承載管、護(hù)套管、輸油氣管、注水管以及電纜等組成,具有優(yōu)異的保溫性能,能有效避免油氣集輸過程中結(jié)蠟和水合物的生成,可提供高效經(jīng)濟(jì)的油氣集輸方案。

海底集束管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致可分為兩種:一種為開放式集束管 (圖5),它將單獨(dú)的管 (含電纜)用卡 (夾)具或繩索固定成一體,與普通海底管相比,這種集束管將傳統(tǒng)的多根海底管固定在一起,可防止多根海管之間的相互竄動(dòng)。開放式集束管制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,成本較為低廉。其缺點(diǎn)為輸油、輸氣管直接暴露在海水中,容易遭到破壞,增加污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。另一種為封閉式集束管 (圖6),它將多根輸油管、輸氣管、注水管、加熱管和電纜等匯集在一根大口徑的運(yùn)送管 (承載管)內(nèi),該運(yùn)送管對(duì)內(nèi)置的眾多管子形成有效的機(jī)械保護(hù)和腐蝕保護(hù)。封閉式集束管的制造工藝比較復(fù)雜,在生產(chǎn)過程中需要綜合考慮油氣田的產(chǎn)能和集輸要求。其優(yōu)點(diǎn)是可以有效避免輸油管的泄漏,最大程度減輕對(duì)海域的環(huán)境污染。目前,在國(guó)外油氣田開發(fā)過程中,封閉式集束管的應(yīng)用較多,技術(shù)發(fā)展也較快[12]。

封閉式集束管又可分為有套袖管和無套袖管兩種結(jié)構(gòu)形式,圖7為封閉式集束管的截面結(jié)構(gòu)圖。前者廣泛應(yīng)用于目前的集束管道工程建設(shè)中,出于保溫防腐的要求考慮,后者應(yīng)用較少。

海底集束管系統(tǒng)在世界上的應(yīng)用歷史已有20多年,應(yīng)用最多的是在北海、墨西哥灣以及西非等海域。1980年,在北海Conoco的Murchison油田上設(shè)計(jì)安裝了第一個(gè)集束管系統(tǒng)。海上安裝采用控制深度拖管法 (CDTM),承載管外徑323 mm,總長(zhǎng)度800 m。隨后,在北海和墨西哥灣以及世界各地設(shè)計(jì)和安裝了許多不同尺度的管束系統(tǒng),其復(fù)雜性、總長(zhǎng)度和內(nèi)置管 (含電纜)數(shù)量以及水深顯著增長(zhǎng)。隨著世界深水油氣田的不斷開發(fā),集束管道技術(shù)也得以廣泛應(yīng)用,迄今為止,世界各地已鋪設(shè)了超過100條的集束管道,最大水深為1 400 m,最大外套管直徑1 270 mm,最長(zhǎng)記錄為32 km。

圖7 封閉式集束管

5 結(jié)語

通過以上對(duì)海底保溫管道發(fā)展?fàn)顩r的介紹,不難看出,在淺水海域和邊際油田開發(fā)中,單層保溫配重管得到了較好的發(fā)展應(yīng)用。隨著人類對(duì)海洋石油資源認(rèn)知水平的不斷提高,海洋油氣勘探開發(fā)已從淺海走向深海,甚至超深海,深水油氣田開發(fā)已成為世界石油工業(yè)的熱點(diǎn)和科技創(chuàng)新的前沿。我國(guó)南海具有豐富的油氣資源和天然氣水合物資源,石油地質(zhì)儲(chǔ)量約為230×108～300×108t,占我國(guó)油氣總資源量的三分之一,其中70%蘊(yùn)藏于深海區(qū)域。而在深水油氣田的開發(fā)領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)海管涂敷技術(shù)與世界先進(jìn)水平之間還存在較大的差距,采用濕式保溫的單壁管 (聚氨酯復(fù)合涂層體系、聚丙烯復(fù)合涂層體系)及集束管將是未來我國(guó)深水海底保溫管道技術(shù)發(fā)展的方向。

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