內(nèi)含油水海底混輸管道修復(fù)技術(shù)研究和實(shí)踐

成二輝，張海波，梁光輝，任躍龍，杜應(yīng)軍

海洋石油工程股份有限公司，天津300452

內(nèi)含油水海底混輸管道修復(fù)技術(shù)研究和實(shí)踐

成二輝，張海波，梁光輝，任躍龍，杜應(yīng)軍

海洋石油工程股份有限公司，天津300452

某海上油田D 610 mm/D 711 mm管中管混輸管道運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)生損壞，為修復(fù)此條管道需要對(duì)長(zhǎng)度為43 m的膨脹彎進(jìn)行水下拆除，并把與原膨脹彎連接的帶法蘭平管起吊至舷側(cè)后進(jìn)行更換。文章介紹了混輸管道修復(fù)防溢油技術(shù)、內(nèi)含油水混合物的海底管道膨脹彎水下拆除方法及大尺寸海底管道平管起吊更換法蘭技術(shù)，論述了集油罩、封堵氣囊以及起重載動(dòng)氣囊等在海底管道修復(fù)中的應(yīng)用。

海底混輸管道；膨脹彎；修復(fù)；平管起吊；集油罩；封堵氣囊

0 引言

某海上油田D 610 mm/D 711 mm（24/28 in）管中管混輸管道運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)生損壞，為修復(fù)此條管道，需要水下拆除長(zhǎng)度為43 m的膨脹彎，并更換與膨脹彎連接的平管端法蘭。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于水下法蘭的更換有兩種方式：一是平管起吊后在水面以上進(jìn)行法蘭切割，重新焊接法蘭，采取這種焊接方式，施工質(zhì)量能夠得到保證，施工時(shí)間相對(duì)較短，技術(shù)也比較成熟，經(jīng)濟(jì)性也較好；二是采取在水下切割法蘭、水下安裝機(jī)械法蘭的方式，這種方式施工時(shí)間較長(zhǎng)，成本較高，一般是在第一種方式受到限制的情況下采用。

常規(guī)海管起吊維修都是在管內(nèi)介質(zhì)滿足排海要求，不污染環(huán)境的前提下進(jìn)行的。由于，其一此管道的特殊性、油田停產(chǎn)等，管道內(nèi)介質(zhì)未完成置換；其二管內(nèi)介質(zhì)為油水混合物，在膨脹彎拆除及平管起吊過(guò)程中，有污油水溢出的風(fēng)險(xiǎn)；其三管道為老管道，其腐蝕情況未知，平管起吊時(shí)海管有發(fā)生損傷的風(fēng)險(xiǎn)。因此，采用常規(guī)海管起吊維修的方法存在一定的困難。該管道及其所處環(huán)境的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 管道及其所處環(huán)境的相關(guān)參數(shù)

該混輸管道的修復(fù)涉及到水下拆除內(nèi)存油水混合物介質(zhì)的膨脹彎的技術(shù)，內(nèi)存油水混合物的大尺寸管中管海管的平管起吊技術(shù)以及混輸管道修復(fù)施工過(guò)程的防溢油技術(shù)。在混輸管道的修復(fù)過(guò)程中首次使用了吸油拖纜、封堵氣囊、集油罩、抽油泵、污油罐、吸油棉氈等進(jìn)行防溢油控制；首次使用BCT35計(jì)算軟件和OFFPIPE計(jì)算軟件對(duì)平管起吊進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，使用起重載動(dòng)氣囊、限位卡具、甲板吊機(jī)配合舷吊等進(jìn)行平管起吊作業(yè)。

1 混輸管道修復(fù)防溢油技術(shù)

此混輸管道在修復(fù)過(guò)程中發(fā)生溢油的風(fēng)險(xiǎn)主要存在于膨脹彎的水下拆除過(guò)程中。該油田的原油特點(diǎn)是含蠟黏稠，流動(dòng)性差，原油密度960.0 kg/m3（20℃），管內(nèi)壓力處于平衡狀態(tài)，膨脹彎拆除時(shí)沒(méi)有壓力源使管內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生流動(dòng)。發(fā)生溢油的風(fēng)險(xiǎn)為膨脹彎拆除后，由于介質(zhì)的密度差導(dǎo)致原油擴(kuò)散以及由于海水流動(dòng)導(dǎo)致油水溢出。此次防溢油設(shè)計(jì)主要包括了膨脹彎拆除施工作業(yè)前、作業(yè)中及完成后三個(gè)階段。施工前布置吸油拖纜、安裝集油罩；施工過(guò)程中使用隔膜泵從集油罩往污油罐內(nèi)抽液；完成后使用封堵氣囊對(duì)法蘭端口進(jìn)行封堵。整個(gè)作業(yè)完成后收回集油罩，收回吸油拖纜。

1.1 使用吸油拖纜進(jìn)行隔離

在膨脹彎拆除前在施工區(qū)域布置吸油拖纜，吸油拖纜由四條交通船配合進(jìn)行布置?，F(xiàn)場(chǎng)充分利用了新建的單點(diǎn)系泊導(dǎo)管架、施工船配合交通船進(jìn)行布置，吸油拖纜布置成閉環(huán)，總長(zhǎng)約800 m。吸油拖纜也是防溢油的一道可靠防線。圖1為布置吸油拖纜的現(xiàn)場(chǎng)施工照片。

圖1 布置吸油拖纜

1.2 在法蘭連接處安裝集油罩

集油罩的功能：可供潛水員在內(nèi)部施工，能夠起到集油的作用，方便將油水從頂部抽出。集油罩外形尺寸5 m×5 m×4.8 m，主框架由鋼管、H型鋼組成，下部有防沉板，四周由鋼板包圍，兩側(cè)8根鋼管入泥1 m，吊點(diǎn)設(shè)置在四角鋼管頂端，集油罩總質(zhì)量6.4 t。集油罩兩側(cè)分別開有3 m×3 m的門，潛水員由兩側(cè)門進(jìn)出集油罩進(jìn)行法蘭拆除作業(yè)，門四周均采用圓滑過(guò)渡，避免軟管或潛水員刮碰；敞口門上掛裝門簾，防止油液溢出；集油罩上部錐頂接有一個(gè)D 51 mm（2 in）抽液口，并安裝球閥，以便于進(jìn)行抽液。圖2為集油罩原理示意及海上安裝施工照片。

圖2 集油罩結(jié)構(gòu)及安裝示意

1.3 集油罩連接甲板污油罐

根據(jù)膨脹彎拆除過(guò)程中產(chǎn)生溢油的情況以及施工作業(yè)時(shí)間，選用了4個(gè)8 m3的污油罐、兩臺(tái)氣動(dòng)隔膜泵、管道若干作為施工機(jī)具。用軟管連接集油罩上的球閥與污油罐，在膨脹彎水下拆除過(guò)程中使用隔膜泵進(jìn)行抽液作業(yè)。由于原油與海水之間存在密度差，原油會(huì)匯聚到集油罩頂部，隔膜泵不斷地將集油罩頂部的污油水抽出，保證污油不外溢。

1.4 使用封堵氣囊進(jìn)行快速封堵

在膨脹彎法蘭打開后，在平管端及膨脹彎端分別安裝封堵氣囊球，規(guī)格為直徑609 mm、長(zhǎng)度791 mm（充氣后），氣囊球可承受壓力0.6 MPa。油田處于停產(chǎn)狀態(tài)，0.6 MPa的承受壓力可滿足施工要求。氣囊球安裝后通過(guò)壓縮機(jī)連接軟管進(jìn)行充氣，充氣完成后關(guān)閉氣囊球端部球閥，臨時(shí)封堵完成后拆除管道。管道拆除后安裝臨時(shí)盲板對(duì)管道進(jìn)行二次封堵，確保封堵的有效性，同時(shí)防止氣囊球失效后溢油。

2 大尺寸混輸管道膨脹彎拆除及平管起吊技術(shù)

由于管道尺寸較大，加之管內(nèi)充滿混合液，管道重量較大，又為老管道，腐蝕情況不明，給平管起吊帶來(lái)一定風(fēng)險(xiǎn)。因此此次平管起吊應(yīng)用到了多項(xiàng)技術(shù)。

2.1 根據(jù)BCT35與OFFPIPE軟件對(duì)比計(jì)算結(jié)果確定起吊步驟

為保證起吊作業(yè)的安全，在海管起吊前需進(jìn)行起吊計(jì)算分析，采用與該管道詳細(xì)設(shè)計(jì)及安裝設(shè)計(jì)相同的標(biāo)準(zhǔn)DNV1981“Rules for Submarine Pipeline System”。計(jì)算條件為海管充滿海水的狀態(tài)，由于管道局部腐蝕情況未知，計(jì)算分析中假定管道整體腐蝕量3 mm（海管設(shè)計(jì)腐蝕裕量），使計(jì)算結(jié)果趨于保守，從而保證起吊過(guò)程中海管的結(jié)構(gòu)安全。采用OFFPIPE軟件進(jìn)行計(jì)算，并用BCT35計(jì)算軟件進(jìn)行校核，以此優(yōu)化起吊步驟，使海管起吊更趨于安全。邊界條件及模擬過(guò)程描述如下：膨脹彎拆除后，管頭端為自由端；過(guò)程為垂直起吊，水平方向無(wú)位移；海管末端為垂彎著地，海管著地端角度為0°；采用線性分析方法；校核使用DNV1981規(guī)范。圖3為海管起吊模型圖，表2為OFFPIPE軟件計(jì)算結(jié)果。對(duì)于管中管的計(jì)算，OFFPIPE計(jì)算軟件比BCT35軟件更有優(yōu)勢(shì)，但是由于采用BCT35計(jì)算時(shí)將管中管等效成單層管，并不能直觀反映其內(nèi)管和外管各自受力情況，故現(xiàn)場(chǎng)施工參照OFFPIPE軟件的計(jì)算結(jié)果。

圖3 起吊模型

平管起吊計(jì)算分析中考慮了最高天文潮位及最低天文潮位兩種工況，這樣隨著潮位的變化，確保管道都處于安全狀態(tài)。平管起吊作業(yè)選擇在天氣及海況較好的情況下進(jìn)行，風(fēng)速不大于8 m/s，浪高不大于1 m，作業(yè)時(shí)施工船拋8個(gè)定位錨，保證作業(yè)時(shí)船舶的穩(wěn)定性。計(jì)算分析時(shí)不再考慮船舶升沉對(duì)平管起吊作業(yè)的影響。

表2 OFFPIPE軟件計(jì)算結(jié)果

2.2 采用起重載動(dòng)氣囊輔助起吊

此混輸管道外管鋼材等級(jí)為X56，內(nèi)管為X65。由于管道尺寸較大，加之內(nèi)管滿液，造成管道重量過(guò)大，空氣中重力為8 010 N/m，水中重力為3 930 N/m。本項(xiàng)目創(chuàng)造性地將用于船舶下水用的起重載動(dòng)氣囊，經(jīng)過(guò)改造后應(yīng)用于海管起吊。起重載動(dòng)氣囊直徑1.3 m，長(zhǎng)度10 m（充氣后），自身質(zhì)量430 kg，有效起重力為100 kN。長(zhǎng)條形起重載動(dòng)氣囊的應(yīng)用使管道的受力情況更加均勻，大大降低了管道局部應(yīng)力過(guò)大給管道造成損傷的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也降低了卷?yè)P(yáng)機(jī)及弦吊的受力，使得平管起吊步驟更加優(yōu)化，過(guò)程更加平穩(wěn)。圖4為現(xiàn)場(chǎng)使用的起重載動(dòng)氣囊。

圖4 起重載動(dòng)氣囊

2.3 甲板吊機(jī)配合舷吊起吊海管

由于管道挖溝完成暴露一段時(shí)間后才進(jìn)行平管起吊作業(yè)，海管周圍發(fā)生了一定的回淤，經(jīng)調(diào)查海管起吊段平均入泥40 cm。為了減少挖溝及沖吸泥時(shí)間，提高工作效率，根據(jù)施工船的實(shí)際性能，本項(xiàng)目創(chuàng)造性地應(yīng)用甲板吊機(jī)配合三個(gè)舷吊同時(shí)進(jìn)行平管起吊作業(yè)。甲板吊機(jī)具有噸位可以顯示的特點(diǎn)，此特點(diǎn)為起吊過(guò)程的噸位控制提供了依據(jù)。起吊主要包括兩個(gè)過(guò)程，共41步：首先是潛水員在水下對(duì)兩個(gè)噸位為10 t起重載動(dòng)氣囊充氣，充氣完成后按照起吊步驟依次操作三個(gè)舷吊及甲板吊機(jī)。按照計(jì)算結(jié)果，甲板吊機(jī)需要在起吊過(guò)程中保持噸位10 t（第5步～第29步）、15 t（第30步～第34步）、20 t（第35步～第41步），起吊完成后甲板吊機(jī)保持20 t噸位不變直到法蘭更換完成。海管下放為海管起吊的逆過(guò)程。

起重載動(dòng)氣囊、三個(gè)舷吊以及甲板吊機(jī)的組合應(yīng)用為D 610 mm/D 711 mm的混輸管道平穩(wěn)起吊提供了有力保障。圖5為海管起吊現(xiàn)場(chǎng)施工圖。

圖5 海管起吊

2.4 設(shè)計(jì)制作限位卡具

由于起吊過(guò)程中鋼絲繩受力較大，為了有效預(yù)防吊帶滑移，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)并制造了限位卡具，限位卡具安裝在靠近管頭的吊帶附近。限位卡具的使用提高了平管起吊工作的安全系數(shù)。圖6為限位卡具的使用照片。限位卡具在海管平管起吊中屬首次使用。

圖6 限位卡具

3 結(jié)束語(yǔ)

在混輸管道的修復(fù)中集成運(yùn)用了多種先進(jìn)技術(shù)，解決了海管海上維修遇到的難題。

（1）創(chuàng)造性地將應(yīng)用于船舶下水的起重載動(dòng)氣囊改造后應(yīng)用于海管起吊，降低了海管在起吊過(guò)程中因局部應(yīng)力過(guò)大而可能對(duì)海管本體造成損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)用于控制原油外溢的集油罩，集油罩與抽油泵、污油罐聯(lián)合使用，解決了膨脹彎在水下拆除時(shí)的溢油問(wèn)題。

（3）首次使用封堵氣囊實(shí)現(xiàn)了膨脹彎水下拆除過(guò)程中對(duì)平管端及膨脹彎端的快速臨時(shí)封堵。

（4）首次采用甲板吊機(jī)配合舷吊方法進(jìn)行平管起吊作業(yè)，保證了海管起吊過(guò)程的平穩(wěn)性及可靠性，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

（5）平管起吊計(jì)算分析充分考慮了海管腐蝕、起吊過(guò)程的潮位變化以及施工船舶周期性的升沉運(yùn)動(dòng)等對(duì)海管起吊造成的影響，保證了起吊安全。

本次混輸管道修復(fù)綜合應(yīng)用了防溢油技術(shù)、大尺寸海管平管起吊技術(shù)、膨脹彎水下拆除封堵技術(shù)等，在國(guó)內(nèi)屬首例，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白。

[1]SY/T10037-2002，海底管道系統(tǒng)規(guī)范[S]．

[2]劉春厚，潘東民，高峰．海底雙重保溫管道水下修復(fù)工程實(shí)例[J]．中國(guó)海上油氣（工程），2003，15（6）：2-4.

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

[4]侯濤，安國(guó)亭．海底管道損傷處的修復(fù)方法[J]．海洋工程，2003，21（4）：40-43.

[5]張劍波，袁超紅．海底管道檢測(cè)與維修技術(shù)[J]．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2005，34（5）：6-10.

[6]侯濤，安國(guó)亭．海底管道損傷的原因分析及修復(fù)[J]．中國(guó)海洋平臺(tái)，2002，17（4）：37-39.

[7]陳家慶，焦向東．水下破損管道維修技術(shù)及相關(guān)問(wèn)題[J]．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33（1）：33-37.

[8]魏中格，齊雅茹，劉鴻升，等．海底管道維修技術(shù)[J]．石油工程建設(shè)，2002，28（4）：30-32.

[9]孫東昌，田海慶．淺海海底管線維修技術(shù)和裝備研究[J]．海洋工程，2006，24（4）：56-61.

[10]潘東民，馬洪新，梁光輝，等．海底油氣管道水下修復(fù)技術(shù)開發(fā)及工程應(yīng)用[J]．天津科技，2009，（2）：17-20.

[11]馬良.海底油氣管道工程[M]．北京：海洋出版社，1987．320-322.

[12]田政，陳長(zhǎng)風(fēng)，杜文燕，等．海底管道完整性評(píng)估及修復(fù)技術(shù)[J]．石油工程建設(shè)，2005，31（3）：40-43.

Research and Practice ofSubsea Multiphase Pipeline Repair Technology

Cheng Erhui，Zhang Haibo，Liang Guanghui，Ren Yuelong，Du Yingjun
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

There is damage found in the D 610 mm/D 711 mm pipe-in-pipe multiphase pipeline in an offshore oilfield.For repairing this pipeline，it is needed to dismantle the 43 m long expansion bend underwater and lift the straight horizontal pipeline section with flange on its end to shipboard then replace the flange.This paper introduces the techniques of oil spillage prevention，the underwater expansion bend dismantling，the horigontal pipeline section lifting and the flange replacing for the multiphase pipeline.The paper also discusses the applications of oil collecting cover，gas bag for plugging and gas bag for loading in subsea pipeline repair.

subsea multiphase pipeline；expansion bend；repair；lifting horizontal pipeline；oil collecting cover；gas bag for plugging

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.006

成二輝（1981-），男，河北定州人，工程師，2008年畢業(yè)于西安石油大學(xué)化工過(guò)程機(jī)械專業(yè)，碩士，主要從事海底管道維修技術(shù)研究工作。

2014-02-26