海底油氣管道夾具維修技術(shù)

趙兵杰，朱宏武，唐德渝，張金亞，龍 斌

(1.中國石油大學(xué)(北京)機械與油氣儲運工程學(xué)院，北京 102249;2.中國石油集團工程技術(shù)研究院，天津 300451;3.中國石油天然氣集團公司 海洋工程重點實驗室，天津 300451)

海底油氣管道被喻為油氣田的生命線。管道安全、可靠運行是海上油氣生產(chǎn)的根本保證。由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性以及管線自身情況，海底管道的破壞總是不可避免的。據(jù)統(tǒng)計，每1 000 km 管道每年出現(xiàn)管道損傷泄漏的概率為0.2%［1］。而且每一次破壞都會造成油田停產(chǎn)，甚至污染海洋環(huán)境，給企業(yè)和國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟損失［2-4］。海底油氣管道的損壞大都是突發(fā)性的，對管道的維修因其自身參數(shù)不同，所處環(huán)境條件各異，采取的方法和手段也不相同。在眾多海底油氣管道維修技術(shù)中，這里重點闡述管道夾具維修技術(shù)。該技術(shù)已成功應(yīng)用于我國海底油氣管道維搶修工程中［5-8］。

1 海底油氣管道夾具維修方法

夾具維修是在泄漏部位的管道外安裝緊固件-夾具，達到維修管道泄漏的目的，夾具設(shè)備是夾具維修技術(shù)的關(guān)鍵部件設(shè)備。夾具都是制作成兩半狀，使用時用螺栓連接法或焊接法固定到管道上［9］。因此，夾具分為焊接式和螺栓連接式。焊接式夾具可以提高修復(fù)的可靠性，該方法可以修補20 m 長的管段和大半徑彎頭。螺栓連接式夾具使用更方便，目前國際主要管道維搶修公司如QCS、Oceaneering International、Oil states等主要采用螺栓連接式夾具對海底油氣管道進行臨時性和永久性維修。

夾具維修可以用于局部較大的機械破壞或泄漏、腐蝕穿孔、裂紋、軸向或周向凹痕和環(huán)焊縫處的缺陷［10］，可修復(fù):①金屬損失為管壁厚度的90%、平均為80%的任何長度的裂紋;②深度達管徑9%的凹痕，同時伴有金屬損失及深度達管壁厚度12%的裂紋;③環(huán)焊縫金屬損失或長度為環(huán)焊縫周長60%的裂紋。夾具維修要求管道所上夾具段變形應(yīng)在夾具的精度允許范圍之內(nèi)。夾具維修程序簡單，主要應(yīng)用于單層鋼管維修。采用夾具維修方便快捷，所用的船舶小，費用較低，具有一定的使用市場和價值。

對于我國渤海灣海底管道夾具維修，一種方法是在海上提管允許的情況下，將海底管道直接提到工作船上，在工作船上對管道損壞部位進行預(yù)處理后，直接對管道進行夾具修復(fù)安裝;另一種方法是由于我國渤海灣水深為60 m 以淺，通常采用人工潛水直接進行水下人工潛水安裝。水域渾濁、水下能見度極低的情況下人工潛水安裝時采用跟隨信標(biāo)(綁扎限位卡)對夾具直接進行水下安裝。此時需利用水下沖吸泥設(shè)備開挖和清理作業(yè)面，滿足對海底管道進行預(yù)處理及安裝夾具所需空間要求，對管道損壞部位進行預(yù)處理后，人工潛水對管道水下進行夾具修復(fù)安裝。

對于深水海底管道夾具維修，是無潛水支持的維修，采用ROV 液壓操縱夾具作業(yè)，需支持ROV 的定位船。以O(shè)il States 公司安裝單夾具維修為例，介紹夾具維修程序如下［5］:

1)安排支持船、人員、維修設(shè)備及其他輔助設(shè)備到維修現(xiàn)場，檢查泄漏和預(yù)封堵?lián)p壞段;

2)將無潛水支持的提管架PLF(pipeline lift flame)下放并跨騎在海床上的管道上，損壞段兩端各安放一個PLF。并通過ROV 操控PLF 將管道提起離開海床，如圖1(a)所示;

3)ROV 監(jiān)控下，下放液壓夾具到損壞處，如圖1(b)所示;

4)ROV 打開液壓夾具，安裝在管道上，如圖1(c)所示;

5)ROV 關(guān)閉、擰緊夾具，包裝法蘭，并進行密封測試，如圖1(d)所示;

6)ROV 操縱PLF 下放管道回到海床，如圖1(e)所示;

7)回收PLF，維修完成，如圖1(f)所示;

8)進行支持船、人員、維修設(shè)備及其他輔助設(shè)備的復(fù)員。

2 國外夾具設(shè)備

國內(nèi)生產(chǎn)廠家的夾具設(shè)備主要應(yīng)用于陸地油氣管道，用作臨時維修時，夾具能夠正常封堵油氣管道2-3個月，能保證油氣在夾具四周密封處不泄漏。用作永久性維修時，可把夾具與管道整體焊接到一起。國內(nèi)生產(chǎn)廠家目前沒有應(yīng)用于海底油氣管道夾具設(shè)備［11］。國外海底油氣管道夾具設(shè)備技術(shù)比較成熟，擁有大量的工程應(yīng)用［12-17］。根據(jù)海底油氣管道夾具圓周向密封形式的不同，夾具可分為密封條形和法蘭盤壓縮密封型。

2.1 密封條型

PLIDCO 公司海底油氣管道耦合式修復(fù)夾具用于水下管道泄漏永久性修復(fù)［18-19］，該夾具密封采用單圈密封條密封。如圖2 所示。該夾具帶有鋼制限位環(huán)，防止密封條在安裝過程中移位或者受損;修復(fù)夾具覆蓋環(huán)氧涂層，用于腐蝕防護;還配有犧牲陽極，保護夾具不受腐蝕，通常情況下，犧牲陽極的平均使用壽命為20年;鍍鋅的螺栓螺母，最大限度地提高其在海洋苛刻環(huán)境下的耐腐蝕性;帶有吊環(huán)，這對于大直徑和非標(biāo)長度的夾具安裝，吊環(huán)是必須的，更方便水下安裝;設(shè)計有密封劑注口，水下應(yīng)用的情況下，一方面，在密封劑或密封脂的作用下，可將夾具與管道之間圓周區(qū)域中的水排出來。另一方面，在運行管線上安裝夾具時，可以幫助改變管道內(nèi)介質(zhì)的泄漏方向，從而保證安裝的順利進行。此外，在油氣生產(chǎn)運行過程中能夠?qū)A具在管線上進行焊接作業(yè)。

Shidarian 公司的海底油氣管道夾具擁有雙密封結(jié)構(gòu)，即具有雙重密封條［20］，如圖3 所示。通過螺栓把夾具擰緊并安裝到管道后，夾具能夠?qū)π孤恫糠诌M行結(jié)構(gòu)上的強度增強和永久密封。此外，夾具也可作為管道的永久附件與管道焊接到一起。夾具采用雙重密封，密封更加可靠。夾具安裝吊環(huán)及鉸鏈結(jié)構(gòu)，便于水下安裝;夾具還具有螺栓鍍鋅保護、外層環(huán)氧漆保護、犧牲陽極保護以及可按照用戶需求加裝密封劑注口。

圖2 PLIDCO 海底管道修復(fù)夾具Fig.2 PLIDCO subsea pipeline repair clamp

圖3 Shidarian 海底管道夾具Fig.3 Shidarian subsea pipeline clamp

2.2 法蘭盤壓縮密封型

QCS、Oceaneering International、Oil states 公司海底油氣管道永久修復(fù)夾具［21-27］:三個公司的海底油氣管道夾具根據(jù)夾具指定放置位置后是否能夠?qū)A具提供開合力可分為有動力輔助安裝與非動力輔助安裝兩種結(jié)構(gòu)形式。兩種結(jié)構(gòu)形式的夾具都是由兩半塊狀卡瓦構(gòu)成的，用來修理損壞或者泄露的海底油氣管道。

又根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，海底油氣管道夾具分為全結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)兩種形式，主要功能如圖4、圖5 所示。兩種結(jié)構(gòu)形式都能夠使夾具對管道的密封區(qū)域提供壓力容器式的封裝密封。其中，全結(jié)構(gòu)形式，通常用于嚴(yán)重影響管道完整性、破壞更加嚴(yán)重的海底油氣管道，如海底油氣管道的環(huán)焊縫缺陷、扭轉(zhuǎn)及穿刺破壞。全結(jié)構(gòu)形式夾具利用其兩端的張力碗和張力卡瓦機械結(jié)構(gòu)牢固地抓緊管道，將管道的軸向載荷轉(zhuǎn)移至夾具本身，同時能夠把管道受破壞部分的周向應(yīng)力移除，對管道整體結(jié)構(gòu)進行增強。

非結(jié)構(gòu)形式，不具有張力碗和張力卡瓦結(jié)構(gòu)，通常用于修復(fù)結(jié)構(gòu)合理和只有輕微損壞的海底油氣管道，如管道的針孔泄漏，局部管壁變薄或淺的凹痕。夾具安裝后，設(shè)計的夾具對管道提供了高質(zhì)量的密封，管道結(jié)構(gòu)強度增強，管道的設(shè)計壽命得到延長。

兩種形式的海底油氣管道夾具通過螺栓螺母結(jié)構(gòu)安裝固定在泄露管道上后，夾具螺栓受載，兩半塊夾具關(guān)閉并壓縮夾具端面，形成金屬與金屬直接接觸，防止端面密封材料被擠出，密封材料與夾具兩個半塊緊密貼合實現(xiàn)對管道的軸向密封。夾具的圓周向密封采用彈性環(huán)密封裝置，對密封結(jié)構(gòu)永久施加擠壓作用。并且具有密封保護套防止密封材料被擠出，對密封結(jié)構(gòu)起限制作用。對于大管徑尺寸海底油氣管道的維搶修，法蘭盤式的圓周向密封效果更好，采用擠壓密封保護方式更有意義。夾具外部涂有海洋用環(huán)氧底漆進行防腐保護，設(shè)計并安裝有鍍鋁鋅陽極對管道夾具進行犧牲陽極保護，確保海底油氣管道夾具的使用壽命。

圖4 全結(jié)構(gòu)海底管道夾具Fig.4 Full-structure subsea pipeline clamp

圖5 非結(jié)構(gòu)海底管道夾具Fig.5 Non-structure subsea pipeline clamp

3 全結(jié)構(gòu)法蘭盤壓縮密封型海底油氣管道夾具設(shè)計要點

海底油氣管道夾具設(shè)備是夾具維修技術(shù)的關(guān)鍵部件設(shè)備，該關(guān)鍵設(shè)備的質(zhì)量直接決定管道夾具維修工程成敗。國內(nèi)海底管道夾具設(shè)備的研究才剛剛起步，目前還沒有應(yīng)用于海底油氣管道，伴隨著我國海洋石油管道維搶修市場需求，亟需國內(nèi)研究人員研發(fā)海底油氣管道夾具設(shè)備。對此，國內(nèi)應(yīng)開展無潛水支持的全結(jié)構(gòu)法蘭盤壓縮密封型海底油氣管道夾具研究［5］，以滿足未來我國南海深海油氣管道的維搶修需求。

無潛水支持的全結(jié)構(gòu)法蘭盤壓縮密封型海底油氣管道夾具的設(shè)計，要根據(jù)目前國際通用設(shè)計準(zhǔn)則以及國際通用的海底管道維修標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計。對于夾具主體材料、連接螺栓螺母材料、法蘭結(jié)構(gòu)材料的選擇，應(yīng)符合的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)有:API SPEC 6H:Specification on End Closures，Connectors and Swivels、API SPEC 5L:Specification for Line Pipe、ASME Boiler Pressure Vessel Code，Section VIII，Division 1 and 2、NACE MR0175，Sulfide Stress Cracking Resistant Metallic Materials for Oilfield Equipment、DNV OS-F101 2010:submarine pipeline systems、DNV-RP-F113:pipeline subsea repair。夾具通過螺栓或者法蘭結(jié)構(gòu)與管道固定連接緊固后，在管道與夾具之間形成“壓力容器式”封裝結(jié)構(gòu)，夾具相應(yīng)的壁厚、連接主螺栓數(shù)量及分布距離、夾具連接耳板及壓力容器相關(guān)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)按照壓力容器的國際標(biāo)準(zhǔn)進行相關(guān)計算，確保夾具在管線運行壓力下的安全性。

密封技術(shù)為夾具設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)。夾具密封材料選擇，依據(jù)設(shè)備采用全結(jié)構(gòu)法蘭盤壓縮密封型及管道中輸送介質(zhì)的性能來選擇，需要考慮材料的壓縮性能、氣密性能、耐油性、抗氧化性、耐酸性、耐海水性等性能。對于大部分的海底油氣管道夾具的密封，密封材料可采用美國杜邦公司生產(chǎn)的Viton-B70 作為設(shè)備密封件的密封材料。Viton-B70 的主要性能指標(biāo):比重為1.77 g/cm3，屈服強度為12.8 MPa，伸長率(斷裂)為210%，壓縮永久變形(200℃)為50%，硬度計硬度(支撐A)為73。對于全結(jié)構(gòu)法蘭盤壓縮密封型夾具，夾具的軸向密封建議采用具有半自緊密封形式的結(jié)構(gòu)以及雙密封結(jié)構(gòu)，以提高夾具設(shè)備承受的工作壓力及設(shè)備密封的可靠性。

圖6 圓周向密封原理Fig.6 The Circumferential sealing principle

法蘭盤壓縮密封型海底油氣管道夾具的圓周向密封原理如圖6 所示，夾具通過擰緊法蘭盤上的螺栓對彈性環(huán)密封裝置施加軸向壓力，而另一端有一軸肩(軸向限位結(jié)構(gòu))對彈性環(huán)密封裝置在軸向起限制運動作用。其結(jié)果是，彈性環(huán)密封裝置中的密封材料受軸向力擠壓發(fā)生變形，軸線向長度變小，徑向長度變長，密封材料接觸管壁并與管壁緊密貼合，形成密封能力。其中，彈性環(huán)密封裝置具有密封保護套，防止密封材料被擠出，對密封結(jié)構(gòu)起限制作用。

在法蘭盤壓縮密封型管道夾具的圓周向密封中，需要對密封材料與管道接觸密封的能力按照靜密封中的接觸密封進行相關(guān)計算，開展此方面的靜密封接觸密封理論研究;按照材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)計算達到相關(guān)密封能力后密封材料的變形情況、密封材料受力狀況及此時密封材料所需軸向力的大小，進而確定法蘭盤螺栓對夾具密封所需預(yù)緊力大小，確定法蘭盤上螺栓的數(shù)量及螺栓大小，以及水下安裝過程中對夾具每個法蘭盤螺栓所需施加的預(yù)緊力大小。

法蘭盤壓縮密封型海底油氣管道夾具圓周向密封與夾具的軸向密封配合，可以采用雙密封結(jié)構(gòu)，以提高夾具設(shè)備密封的可靠性。對于夾具的圓周向密封與夾具的軸向密封接合，應(yīng)當(dāng)是每個軸向彈性環(huán)密封裝置與夾具的軸向半自緊式密封單獨接合，則可形成兩個相對獨立的壓力容器式密封艙結(jié)構(gòu)，夾具對管道形成的雙重密封艙結(jié)構(gòu)則提高了夾具設(shè)備密封的可靠性。

此外，還需對夾具設(shè)備采用犧牲陽極進行陰極保護，為了實現(xiàn)海底管道的永久修復(fù)，需要根據(jù)采納的陽極塊的形狀，計算所需陽極塊的總質(zhì)量;為了抵御海水對夾具的腐蝕，需要對夾具外部涂防腐漆進行防腐涂層保護。為了達到夾具使用年限，需要考慮防腐漆的涂層厚度，涂層的制作工藝;夾具螺栓螺母的保護，需要采用熱鍍鋅處理，同樣為了達到夾具的使用年限，需考慮熱鍍鋅處理的材料、厚度要求;適應(yīng)無潛水ROV 水下操作的液壓缸輔助裝置及主螺栓、法蘭盤螺栓連接設(shè)計、轉(zhuǎn)移軸向載荷及消除周向應(yīng)力的張力碗和張力卡瓦結(jié)構(gòu)等。

4 結(jié) 語

目前我國海上油田海底管道數(shù)量越來越多。且隨著我國南海海洋石油開發(fā)步伐的加快，南海海域?qū)⒁佋O(shè)更多的單層鋼管海底管道。管道服役時間越來越長，發(fā)生損傷、泄漏的可能性越來越大，應(yīng)用和開發(fā)亟需的、性能可靠、施工方便、快速的管道夾具維修技術(shù)，尤其是無潛水支持的全結(jié)構(gòu)法蘭盤密封型管道夾具設(shè)計技術(shù)，對于保障海底油氣管道的正常運行具有重要的現(xiàn)實意義。

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