海管設(shè)計(jì)中錨固件及阻水器選用原則分析

李 旭，李 慶，楊 琥，馮現(xiàn)洪，于 萱

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海管設(shè)計(jì)中錨固件及阻水器選用原則分析

李 旭，李 慶，楊 琥，馮現(xiàn)洪，于 萱

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

目前海底輸送原油管線基本采用雙層保溫結(jié)構(gòu)。分析了雙層保溫海管設(shè)計(jì)中錨固件及阻水器的設(shè)計(jì)原則。介紹了錨固件及阻水器的結(jié)構(gòu)形式、安裝方式以及對(duì)海管力學(xué)性能的影響，并作了經(jīng)濟(jì)性比較。最后，對(duì)錨固件及阻水器各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較分析，給出設(shè)計(jì)中選用錨固件或阻水器的數(shù)量和結(jié)構(gòu)形式的原則。結(jié)合陸豐13-2海管更換項(xiàng)目的應(yīng)用情況，對(duì)分析結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。

海底管線； 錨固件； 阻水器； 保溫失效長(zhǎng)度

0 引 言

目前常用的原油輸送海底管線絕大部分采用雙層保溫管結(jié)構(gòu)，在雙層保溫海管設(shè)計(jì)中根據(jù)破損降溫計(jì)算得出保溫失效長(zhǎng)度。為滿足工藝輸送的要求，項(xiàng)目中常采用阻水器和錨固件的設(shè)計(jì)。錨固件是一種用于海底雙層保溫管線結(jié)構(gòu)連接的鍛造件，主要功能為實(shí)現(xiàn)內(nèi)管與外管的運(yùn)動(dòng)耦合以及在內(nèi)外管間進(jìn)水后起到阻水作用。阻水器是一種安裝在內(nèi)外管之間的部件，在內(nèi)外管間進(jìn)水后起到阻水作用。本文從結(jié)構(gòu)形式、阻水方式、安裝方式、對(duì)海管力學(xué)性能的影響和經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)錨固件和阻水器進(jìn)行比較，得出了海管設(shè)計(jì)中這兩種部件的選用原則。

1 結(jié)構(gòu)形式

錨固件邊緣通過(guò)單面坡口焊分別與內(nèi)管和外管焊接。其焊接形式與海管對(duì)接的焊接形式相同，錨固件材料強(qiáng)度等級(jí)也與海管相同。通過(guò)圖1所示結(jié)構(gòu)形式，在實(shí)現(xiàn)阻水作用的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)管與外管運(yùn)動(dòng)變形的耦合。

根據(jù)已有項(xiàng)目情況，目前已使用的阻水器主要包括用于西江23-1及陸豐13-2項(xiàng)目海管中的DUNLAW阻水器和用于惠州25-3/1項(xiàng)目海管中的TEKSEAL阻水器。兩種類型的阻水器從原理上來(lái)說(shuō)基本相同，均是通過(guò)各自的安裝工具，將阻水器安裝至內(nèi)外管之間，通過(guò)阻水器與內(nèi)外管之間的過(guò)盈密封實(shí)現(xiàn)阻水的效果。區(qū)別在于TEKSEAL阻水器可承受更大的壓力和溫度，而且安裝也更為可靠。

圖1 錨固件結(jié)構(gòu)形式 Fig.1 Structure configuration of bulkhead

2 安裝方式比較

2.1 錨固件的安裝

錨固件的安裝主要是焊接。根據(jù)錨固件安裝地點(diǎn)的不同可分為兩種類型：鋪管過(guò)程中在作業(yè)線第一個(gè)焊接站上焊接錨固件；在陸上預(yù)制場(chǎng)地內(nèi)焊接錨固件。

在作業(yè)線上焊節(jié)錨固件的方式主要是在第一站先將錨固件一端與已連接段海管的內(nèi)管焊接，而后使用半瓦將錨固件與外管連接；焊接完成后再將錨固件的另一端與新上線的海管內(nèi)管連接，最后將新上線海管的外管拉過(guò)來(lái)與錨固件焊接。陸地焊接錨固件主要是先將一個(gè)涂覆完成的雙層海管從指定位置剖開，再將剖開后的兩段海管分別與錨固件焊接，組成一根包含錨固件的雙層海管；在鋪設(shè)過(guò)程中內(nèi)管之間在作業(yè)線第一站焊接，外管通過(guò)半瓦連接。

錨固件的安裝對(duì)海管鋪設(shè)的效率有很大影響。采用作業(yè)線安裝方式，會(huì)多增加1道外管環(huán)焊和1道內(nèi)管環(huán)焊的焊接時(shí)間、半瓦環(huán)焊及縱焊縫各兩道的焊接時(shí)間以及射線檢驗(yàn)(RT)的時(shí)間。采用陸地預(yù)制安裝錨固件的方式雖然可以省去海上安裝額外增加的1道外管環(huán)焊和1道內(nèi)管環(huán)焊的焊接時(shí)間以及RT檢驗(yàn)時(shí)間，但是半瓦的焊接則必須增加。

2.2 阻水器的安裝

根據(jù)已有阻水器的使用經(jīng)驗(yàn)，阻水器一般在鋪管過(guò)程中于鋪管作業(yè)線上完成安裝。TEKSEAL阻水器的安裝，在鋪管船第一站上方小吊車梁上合適位置布置廠家提供的滑車吊卡，使用滑車吊卡將松弛的阻水器套于內(nèi)管外，切掉吊卡后，擰緊緊固螺栓，就可以啟動(dòng)內(nèi)部的鋸齒卡子，將阻水器緊緊固定在內(nèi)管上，然后待內(nèi)管焊接檢驗(yàn)、節(jié)點(diǎn)采用巖棉填充完成后將外管拉過(guò)來(lái)，焊接外管，完成阻水器的安裝過(guò)程。此類型阻水器安裝完成后相對(duì)外管可以移動(dòng)，且不會(huì)損壞密封圈，可承受質(zhì)量約20 t。DUNLAW阻水器同樣在鋪管船第一站位置進(jìn)行安裝，使用專用的氣動(dòng)工具將阻水器推入內(nèi)管和外管之間，而后組對(duì)焊接海管。此種阻水器雖然安裝方式比較簡(jiǎn)單，但可靠程度較低，容易出現(xiàn)損壞，而且此類型阻水器安裝完成后，雖然理論上允許內(nèi)外管之間的相當(dāng)錯(cuò)動(dòng)，但由于安裝可靠度問(wèn)題，一旦內(nèi)外管錯(cuò)動(dòng)就較容易造成阻水器錯(cuò)位，影響阻水效果。所以此類型阻水器安裝完成后，不宜錯(cuò)動(dòng)外管。

這兩種阻水器雖然需要在鋪設(shè)過(guò)程中安裝，增加了鋪管工作環(huán)節(jié)，但是由于沒有增加焊接工作量，故對(duì)于海管鋪設(shè)施工效率的影響較小。

3 功能性比較

錨固件與阻水器在阻水效果方面基本相同，區(qū)別僅在于錨固件可承受更高的壓力。由于錨固件兩端使用環(huán)焊縫全焊透方式與海管焊接，所以其壓力承受能力基本與所屬海管相同，在深水海管中同樣可以應(yīng)用。阻水器的密封僅是通過(guò)物理接觸密封，承受水壓力的能力有限。在淺水海管外壓不大的情況下，錨固件與阻水器的阻水效果相當(dāng)。

錨固件與阻水器的另一功能性差別在于錨固件可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)管外管的耦合運(yùn)動(dòng)。雙層保溫管在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生熱膨脹，內(nèi)外管之間通過(guò)錨固件連接，內(nèi)管由于溫差以及內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力通過(guò)錨固件傳到外管，促使外管也發(fā)生相應(yīng)的膨脹，所以最后內(nèi)外管產(chǎn)生相同的膨脹位移[1]。為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)耦合，雙層保溫海管至少在海管兩端焊接錨固件。此外，根據(jù)熱膨脹段長(zhǎng)度可以將管線分為長(zhǎng)管線和短管線，管線長(zhǎng)度的一半大于熱膨脹段長(zhǎng)度的為長(zhǎng)管線，管線長(zhǎng)度的一半小于熱膨脹段長(zhǎng)度的管線為短管線，且將一半管線長(zhǎng)度作為熱膨脹段。對(duì)于短管線情況，內(nèi)外管線耦合得越緊密，管端錨固件的受力情況越好[2]。也就是說(shuō)對(duì)于短管線，除在兩端焊接錨固件，在管段中也采用錨固件作為阻水部件，將大大改善管端錨固件的受力情況，將管線頻繁關(guān)斷引起的管端疲勞損傷的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。由于阻水器允許內(nèi)外管的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，所以阻水器并不具有將內(nèi)外管耦合的作用。對(duì)于兩端采用錨固件耦合、管段中采用阻水器設(shè)計(jì)的短管線，其管端錨固件的受力狀況較管段中使用錨固件的情況差，管端錨固件與外管連接處易發(fā)生疲勞破壞。

4 經(jīng)濟(jì)性比較

錨固件制造成本較阻水器高。單個(gè)錨固件的采辦費(fèi)用達(dá)幾十萬(wàn)元人民幣，而性能較好的阻水器每個(gè)費(fèi)用在1萬(wàn)元人民幣左右。采辦同樣數(shù)量的錨固件比阻水器的費(fèi)用高。

錨固件的安裝成本較阻水器高。錨固件的安裝增加了海管鋪設(shè)的焊接量，且增加了鋪管船的船天。阻水器的安裝雖然也增加了海管鋪設(shè)時(shí)間，但是由于其安裝不涉及焊接工作，所以對(duì)海管鋪設(shè)效率的影響較小，船舶費(fèi)用增加不多。運(yùn)行階段，錨固件的可靠性較阻水器高，因阻水失效而引起管線報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)較阻水器低得多。由于阻水器允許內(nèi)外管相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，故而存在摩擦力作用，加之阻水器安裝過(guò)程中可能存在問(wèn)題，就會(huì)使得阻水器存在失效的風(fēng)險(xiǎn)；而且使用阻水器并不能改善海管兩端錨固件的受力情況，也增加了管端疲勞破損的風(fēng)險(xiǎn)[3]。在陸豐13-2項(xiàng)目中使用的DUNLAW阻水器就因此發(fā)生過(guò)管線失效的事故，致使整條管線更換，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。錨固件由于是鍛造件且與海管通過(guò)焊接連接，可靠地保證了阻水作用，不會(huì)發(fā)生系統(tǒng)的保溫失效，保障管線穩(wěn)定可靠運(yùn)行，不會(huì)因此而發(fā)生管線維修更換費(fèi)用。

5 對(duì)比總結(jié)

根據(jù)對(duì)阻水器及錨固件的性能介紹，將對(duì)比結(jié)果匯總在表1中。

綜上所述，錨固件和阻水器的設(shè)計(jì)方案，要綜合考慮項(xiàng)目成本、管線長(zhǎng)度、保溫失效長(zhǎng)度設(shè)計(jì)，以及潛在的管線失效而帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損傷、社會(huì)影響等因素，采用錨固件和阻水器配合使用。錨固件與阻水器選取比例、分配比例根據(jù)所設(shè)計(jì)管線海管安全穩(wěn)定運(yùn)行要求確定。如果設(shè)計(jì)管線注重運(yùn)行可靠安全及社會(huì)效應(yīng)，則應(yīng)以錨固件為主；如果更多的是考慮項(xiàng)目開發(fā)成本，則可以適當(dāng)增加阻水器，減少錨固件。應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)、選取錨固件和阻水器數(shù)量及布置。關(guān)于錨固件及阻水器的這一選用原則已經(jīng)在陸豐13-2海管更換項(xiàng)目中成功運(yùn)用。此項(xiàng)目將海管的整體安全性放在首位，同時(shí)要避免海管再次泄漏引起的巨大經(jīng)濟(jì)損失及不良的社會(huì)影響，所以基于安全性及社會(huì)效應(yīng)的考慮，決定全程使用錨固件，錨固件的間距為500 m。陸豐13-2海管更換項(xiàng)目在2011年施工完成，至今仍在安全運(yùn)行。

表1 阻水器及錨固件性能對(duì)比

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)錨固件和阻水器的比較分析，得出了在海管設(shè)計(jì)中選用的原則：應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)，選取錨固件和阻水器。將該原則應(yīng)用于陸豐13-2海管更換項(xiàng)目，收到了很好的效果。

[1] 石云，曹靜. 海底雙層保溫管熱膨脹分析[J]. 中國(guó)造船，2009， 50(增刊)： 436.

[2] Det Norske Veritas. DNV OS F101. Submarine pipeline system[S]. Oslo: Det Norske Veritas, 2006. 88.

[3] 馬洪新. 南海超百米水深海底油管道泄露修復(fù)實(shí)例[J]. 海洋石油，2010， 30(3)： 93.

ApplicationofBulkheadandWaterStopinMarinePipelineDesign

LI Xu, LI Qing, YANG Hu, FENG Xian-hong, YU Xuan

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

The pipe-in-pipe (PIP) insulation pipeline configuration has been widely used in crude oil transportation. We analyze the selection principles of bulkhead and water stop in PIP insulation pipeline design. The structure configuration, installation method, mechanical property and economy are compared between the bulkhead and water stop. Their advantages and disadvantages are given. The selection principles for number and configuration of the bulkheads and water stops are described. Finally, the conclusion is verified in the LF13-2 pipeline replacement project.

marine pipeline; anchor; water stop; insulation failure length

TE53

A

2095-7297(2014)02-0177-03

2014-05-29

李旭(1982-)，男，工程師，主要從事海底管線設(shè)計(jì)方面的研究。