海底油氣管道修復(fù)技術(shù)

江 錦，汪 莉，李 兵，周 楠，王衍鑫

（海洋石油工程股份有限公司，天津塘沽 300451）

海底油氣管道修復(fù)技術(shù)

江 錦，汪 莉，李 兵，周 楠，王衍鑫

（海洋石油工程股份有限公司，天津塘沽 300451）

近年來由于介質(zhì)腐蝕、船舶拋錨、地質(zhì)災(zāi)害和海洋開發(fā)第三方破壞，出現(xiàn)了數(shù)起海底管道損傷事故。海底管道出現(xiàn)損傷后，具體采取何種修復(fù)方案因損傷形式和作業(yè)水深而異，但從作業(yè)海域水深限制條件，可以分為水下修復(fù)技術(shù)和水上修復(fù)技術(shù)。水上修復(fù)技術(shù)主要是利用工程船舶舷吊將受損管道提升至船舶甲板進(jìn)行焊接修復(fù)或更換修復(fù)，此方案在多個(gè)搶修項(xiàng)目中多次成功應(yīng)用。提升法修復(fù)海底管道技術(shù)來源于海底管道鋪設(shè)技術(shù)，利用相關(guān)專業(yè)計(jì)算軟件進(jìn)行提升和下放分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果將海底管道提升至作業(yè)線進(jìn)行法蘭焊接，由潛水員完成水下對(duì)接。2008年渤西12″天然氣管道破損就是一起典型的船舶拋錨損傷事故，事故造成整條外輸管道停產(chǎn)。在權(quán)衡水下濕式修復(fù)方案和管道提升修復(fù)方案后，采用工程船舶舷吊將受損管道提升至船舶甲板進(jìn)行法蘭焊接，潛水員完成水下對(duì)接工作。根據(jù)2008年1月渤西天然氣管道搶修項(xiàng)目實(shí)踐，詳細(xì)介紹了提升法修復(fù)海底管道的作業(yè)程序和分析計(jì)算。

海底管道；提升法；修復(fù)；損傷

1 背景介紹

海底管道運(yùn)輸具有連續(xù)、快捷、安全、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，是海上油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的主動(dòng)脈。隨著海上油氣田的不斷開發(fā)，我國已在不同海域建成各種海底管道近4 100 km，海底管道在海上油氣田生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用。由于腐蝕影響、地址災(zāi)害和人類海洋開發(fā)等原因，海底管道多次發(fā)生泄漏，并造成油田停產(chǎn)。渤西12″天然氣管道破損就是一起典型的船舶拋錨損傷事故，事故造成整條外輸管道停產(chǎn)，由于此條管道外輸天然氣主要供天津?yàn)I海電廠和天津市居民用氣，海底管道事故不僅給企業(yè)帶來巨額經(jīng)濟(jì)損失，更重要的是給社會(huì)生產(chǎn)和居民生活帶來不利影響。

渤西海底天然氣管線為12″混凝土配重管線，因船舶拋錨造成管道破裂，破損位置距管線登陸點(diǎn)12.91 km，管道路由如圖1。根據(jù)潛水員的水下調(diào)查結(jié)果，管線損壞部位的總長度約為3.5 m，損壞部位的水深是6 ~ 7 m。根據(jù)描述，凹陷變形寬度約25 cm。在凹陷變形一端，有一嚴(yán)重凹坑，深度約10 cm，中間有一裂紋，裂紋距離凹坑兩邊緣分別為12 cm和23 cm。

圖1 管道路由圖

海底管道出現(xiàn)損傷后，分別對(duì)封堵修復(fù)、水下更換修復(fù)和提升法修復(fù)等方案進(jìn)行研究分析。最后選擇了提升法修復(fù)方案。

2 封堵修復(fù)方案

封堵修復(fù)（圖2）方案理論上是快捷的修復(fù)方案，采用機(jī)械式封堵或復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)材料進(jìn)行封堵，優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)施簡單，作業(yè)周期短。陸地管道修理多采用此修復(fù)方案，也是海底管道修復(fù)的主要手段之一。對(duì)于腐蝕、母材缺陷、氣孔、裂紋等原因造成的管道泄漏，往往海底管道無大的機(jī)械變形，可以采用封堵修復(fù)方案。對(duì)破損處海管進(jìn)行混凝土配重層剝離和防腐涂層清除，對(duì)破損部位的大小、尺寸進(jìn)行精確測(cè)量，并對(duì)清理后的海管進(jìn)行直度和橢圓度測(cè)量。

鑒于項(xiàng)目的緊急性，封堵修復(fù)方案作為首選方案實(shí)施，但一旦海底管道出現(xiàn)了嚴(yán)重破損如圖3和圖4的情況，且有較大變形，就難以實(shí)現(xiàn)封堵修復(fù)。

圖2 封堵修復(fù)示意圖

圖3 海管破損情況1

圖4 海管破損情況2

3 水下更換修復(fù)方案

水下更換修復(fù)方案適用范圍廣，可用于管道腐蝕或斷裂等損壞形式的修復(fù)，根據(jù)作業(yè)形式可分為潛水作業(yè)型和ROV（遙控潛水器）作業(yè)型，適用性不受作業(yè)水深的限制[1]。其修復(fù)原理是將破損管段切除后，利用機(jī)械連接器或其他形式的智能法蘭在管端形成法蘭面，由潛水員在水下將更換管段進(jìn)行對(duì)接修復(fù)，修復(fù)程序如圖5。其修復(fù)特點(diǎn)是適用范圍廣，可完成各種形式的海底管道破損修復(fù)，但缺點(diǎn)是機(jī)械連接器這一關(guān)鍵備件的生產(chǎn)技術(shù)一直掌握在國外專業(yè)公司手中，國內(nèi)還沒有形成生產(chǎn)技術(shù)能力，國外訂貨周期長。如果沒有庫存?zhèn)浼?，則此方案并不適合渤西管道緊急搶修項(xiàng)目。

圖5 水下更換修復(fù)程序

4 提升法修復(fù)方案

提升法修復(fù)方案借鑒于海底管線鋪設(shè)方法之一，破損管段由潛水員在水下切除，利用工程船舷吊將切割后的管端分別提升至作業(yè)線，在管端焊接法蘭，然后回放至海底，由潛水員完成最后連接工作[1]。將海底管道提升至水面進(jìn)行法蘭焊接，解決了水下法蘭面的難點(diǎn)。提升法修復(fù)海底管道需要對(duì)海底管道提升和下放過程進(jìn)行模擬計(jì)算，通過計(jì)算來校核海管在吊裝過程中的應(yīng)力是否滿足規(guī)范要求，并通過計(jì)算來確定海管開挖長度和吊裝步驟。

提升法修復(fù)海底管道作業(yè)程序如下：

（1）管線挖溝作業(yè)

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，確定海底管道提升后的著泥點(diǎn)距離，利用挖溝機(jī)沿管道路由開挖，以滿足起管作業(yè)所需管道暴露長度要求。

（2）海管切割作業(yè)

吹泥作業(yè)結(jié)束后，采用水下冷切割將損傷管段整體切除，如圖6。

（3）提升管道焊接法蘭

圖6 水下切除破損管段

根據(jù)海底管道提升計(jì)算報(bào)告，將浮袋和舷吊分別布置到位，按照提升程序交替提升3個(gè)吊點(diǎn)，將管端提升至作業(yè)線，進(jìn)行法蘭焊接，經(jīng)檢驗(yàn)合格后，按照提升逆向操作將此端海管下放至海底。采取同樣步驟完成另外管端提升和法蘭焊接，如圖7和圖8。

圖7 提升海管至作業(yè)線并焊接法蘭

圖8 提升另一端海管至作業(yè)線并焊接法蘭

（4）更換管段水下測(cè)量

精確高效的水下測(cè)量是順利完成海底管道修復(fù)水下對(duì)接的關(guān)鍵工序，即海管法蘭之間相對(duì)空間位置和方位角的測(cè)量，根據(jù)這些參數(shù)在施工船甲板上放樣，準(zhǔn)確地預(yù)制出所要預(yù)制的更換管段，保證水下對(duì)接工作順利完成。

（5）水下對(duì)接

根據(jù)水下測(cè)量兩法蘭面間距和角度進(jìn)行更換段預(yù)制，結(jié)合實(shí)際更換長度可分兩段或多段進(jìn)行預(yù)制。最終由潛水員完成替換管段連接工作，如圖9。

圖9 水下更換管段對(duì)接

5 提升法修復(fù)方案的計(jì)算分析

5.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型見圖10。將船舶舷吊數(shù)量和分布坐標(biāo)，以及水下浮袋位置及浮力輸入計(jì)算程序，建立海管提升模型。將載荷與管線參數(shù)輸入，模擬提升過程。提升作業(yè)過程中管線最大應(yīng)力σmax< [σ]。[σ]為許用應(yīng)力（MPa）；[σ]＝0.72 SMYS。SMYS為規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度（MPa）。

圖10 計(jì)算模型

5.2 設(shè)計(jì)載荷

關(guān)于設(shè)計(jì)荷載部分的內(nèi)容，在DNV（挪威船級(jí)社）規(guī)范中有比較具體的說明。安裝期管道系統(tǒng)的荷載包括功能荷載、環(huán)境荷載和偶然荷載[2]。

對(duì)于維搶修情況下的海管起吊分析，功能荷載主要要考慮海管本身的自重（包括涂層和全部附件）、海管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量、浮力和安裝作用力。對(duì)于海管上海泥粘滯比較嚴(yán)重情況，還需要考慮海泥的質(zhì)量。通過合理考慮利用系數(shù)的方式，可以不考慮環(huán)境荷載和偶然荷載。

5.3 選取系數(shù)

根據(jù)DNV規(guī)范[2]，關(guān)于利用系數(shù)的說明如表1所示。DNV規(guī)范將海底管道分為1區(qū)和2區(qū)，1區(qū)系指距某一平臺(tái)或建筑物一定距離以外的那部分海床，一般該距離取作500 m。2區(qū)系指某一平臺(tái)或建筑物周圍鄰近的那部分海床，該區(qū)范圍通常為500 m。管道系統(tǒng)的任何部分，都應(yīng)針對(duì)下列設(shè)計(jì)荷載條件的最不利情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括功能荷載、設(shè)計(jì)環(huán)境荷載和同時(shí)作用的功能荷載、水壓試驗(yàn)或停輸再啟動(dòng)荷載。在海管起吊分析，一般只考慮功能荷載，因此取0.72為利用系數(shù)。

表1 選取系數(shù)

5.4 海管參數(shù)

計(jì)算過程中需要輸入反映海管特性的有關(guān)參數(shù)如表2。

表2 海管參數(shù)

5.5 船舶參數(shù)

起吊海管所用船舶的主尺度型長、型寬、型深和吃水是計(jì)算中的主要參數(shù)。舷吊高度和各舷吊之間的水平距離也是必不可少的。另外，還需要初步確定管端至第一個(gè)舷吊的水平距離。圖11為海管維搶修計(jì)算報(bào)告中的吊裝示意圖。

圖11 顯示船舶參數(shù)的吊裝示意圖

5.6 程序計(jì)算

使用專業(yè)軟件確定了每一步驟的起吊高度后，分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的彎曲應(yīng)力，保證提升過程中每一步海管彎曲應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。輸入的數(shù)據(jù)項(xiàng)目分別為：

● 各節(jié)點(diǎn)相對(duì)于水面的垂直高度；

● 各節(jié)點(diǎn)之間的水平跨距；

● 節(jié)點(diǎn)至吊機(jī)最高點(diǎn)的豎直距離；

● 浮筒的浮力；

● 海管單位長度的質(zhì)量；

● 海管各節(jié)點(diǎn)處的截面慣性矩；

● 海管外徑、壁厚；

● 船在該步驟的水平移動(dòng)量；

● 邊界條件，上下彎段各節(jié)點(diǎn)間的分段數(shù)；

● 海水密度，海管在空氣和水中的單位質(zhì)量。完成所有的輸入數(shù)據(jù)后即進(jìn)行計(jì)算，在顯示計(jì)算結(jié)果的界面分為三部分，第一部分豎直面的計(jì)算結(jié)果中，BCT35會(huì)列出各節(jié)點(diǎn)間各分段處的長度、橫縱坐標(biāo)值、豎直方向彎曲角度、豎直彎矩、各段承受的豎直方向彎曲力、各段重力以及各節(jié)點(diǎn)處的反力值；第二部分水平面內(nèi)的計(jì)算結(jié)果，列出各節(jié)點(diǎn)間各分段處的長度、橫縱坐標(biāo)值、水平方向彎曲角度、水平彎矩、各段承受的水平方向彎曲力、各節(jié)點(diǎn)處的反力值；第三部分應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，列出各節(jié)點(diǎn)的張力和應(yīng)力。

5.7 計(jì)算結(jié)果

一般會(huì)采用表3的方式對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，作為管道提升作業(yè)依據(jù)。

6 結(jié)束語

海底管道提升法最初用于長距離海底管鋪設(shè)過程中兩條管道的對(duì)接，顯然，連接成一體的管道長度大于海底管道與海底面兩切點(diǎn)之間的距離，如果僅在豎直平面內(nèi)下放，會(huì)因管子局部屈曲而導(dǎo)致管道發(fā)生彎折，或管道中間連接點(diǎn)區(qū)段不能著地，管道在垂直平面呈弓形。為使連接好的管道安全地下放到海底，在下放過程中除在垂直平面內(nèi)下放外，還應(yīng)側(cè)向移動(dòng)，使其旋轉(zhuǎn)90°在海底面成為弓形。海上焊接對(duì)接施工技術(shù)復(fù)雜，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大，在近年來的海底管道修復(fù)項(xiàng)目中，多采取提升焊接法蘭后在水下利用法蘭連接，規(guī)避了下方過程中的風(fēng)險(xiǎn)，是淺水區(qū)域海底管道搶修的有效手段。

表3 海管提升作業(yè)計(jì)算

[1] 劉春厚，潘東民，吳誼山．海底管道維修方法綜述[J]．中國海上油氣（工程），2004，16（1）：59-62．

[2] DNV．Rules for submarine pipeline system[S]．1981．

Subsea Pipeline Repair Technology

JIANG Jin, WANG Li, LI Bing, ZHOU Nan, WANG Yanxin
(Offshore Oil Engineering Co.,Ltd., Tanggu Tianjin 300451, China)

Recently more and more subsea pipeline accidents have occurred for the reason of corrosion, anchoring, ocean disaster and other human activities. According to different damage to the pipeline and different depth of the location, subsea repair methods and above water repair methods can be used to repair the pipeline. Above water repair of subsea pipeline with davit lifting can be adopted in subsea pipeline installation projects, and this method has been used successfully in many subsea pipeline repair projects. Through analysis of the lifting and lowering operation with related software, such as BCT-35 or SUSPEND program, above water repair of subsea pipeline can be done. On the basis of the calculation results, the damaged pipeline was lifted above the water, then the fl anges will be welded by diver at both the pipeline ends. In the year 2008, a piece of 12 inch subsea pipeline was damaged by anchoring in BoHai bay, which was a typical accident and the pipeline was broken and had to be shut down. Compared with subsea wet repair methods, the above water repair method was used. This method has been proved feasible in the year 2008 during BX subsea pipeline repair project. In this paper, the operation procedure of lifting subsea pipeline repair and calculation program been discussed in detail.

subsea pipeline; lifting analysis; pipeline repair; pipeline damage

TE973.92

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2012.04.096

1008-2336（2012）04-0096-05

2012-03-14；改回日期：2012-04-16

江錦，女，1979年生，工程師，機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，主要從事海上結(jié)構(gòu)物安裝設(shè)計(jì)分析工作。

E-mail：jiangjin@mail.cooec.com.cn。