長(zhǎng)距離海底天然氣管線損傷維修方法

梁光輝　成二輝

（海洋石油工程股份有限公司）

長(zhǎng)距離海底天然氣管線損傷維修方法

梁光輝*成二輝

（海洋石油工程股份有限公司）

長(zhǎng)距離天然氣管線發(fā)生意外損傷后，其首要問(wèn)題是對(duì)管內(nèi)大量的天然氣進(jìn)行置換并避免大量海水灌注，同時(shí)進(jìn)行各種搶修方案的編制，以應(yīng)對(duì)不同損傷類型的搶修工作。對(duì)長(zhǎng)距離天然氣管線損傷維修方法進(jìn)行了闡述，并以某一長(zhǎng)距離天然氣管線意外損傷維修工程為例，敘述了管線斷裂后的維修方法，可對(duì)今后類似的管線損傷有一定的借鑒作用。

長(zhǎng)距離天然氣管線損傷封堵隔離維修舷側(cè)起吊切割

0　概述

長(zhǎng)距離油氣輸送管線是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，而海底管線作為海上油氣田開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)與產(chǎn)品外輸?shù)闹饕a(chǎn)設(shè)施，被喻為海上油氣田的“生命線”。油氣長(zhǎng)輸管線的事故會(huì)造成人員傷亡和直接經(jīng)濟(jì)損失，以及下游的油氣田和下游的工礦企業(yè)停工減產(chǎn)的間接損失。特別是輸氣管線直接擔(dān)負(fù)大中城市巨大的生活供氣，一旦中途中斷供氣，將影響千家萬(wàn)戶的生活和社會(huì)的正常秩序，造成巨大影響和經(jīng)濟(jì)損失。

管線一旦發(fā)生損傷泄漏，在未確定準(zhǔn)確損傷形式之前，必須準(zhǔn)備多個(gè)不同的維搶修方案。同時(shí)，準(zhǔn)備各種不同的維修資源，在最短的時(shí)間內(nèi)動(dòng)員至海上施工現(xiàn)場(chǎng)。隨著水下調(diào)查的進(jìn)展，逐步細(xì)化并確定最終的維修方案。

本文將對(duì)長(zhǎng)距離海底天然氣管線不同損傷形式的維修方法進(jìn)行介紹，并以某一海底管線維修工程為例，闡述該類型管線的維搶修方法。

1　長(zhǎng)距離天然氣管線維修方法

1.1損傷形式

海底管線泄漏大體上可以分為如下三種損傷形式［1］。

（1）管線小泄漏

管線小泄漏，即泄漏點(diǎn)尺寸比較小。這種泄漏一般是由局部腐蝕或焊接缺陷等原因引起的小破損造成的，如小孔、小坑或小裂紋等。

管線小泄漏又分泄漏點(diǎn)有無(wú)凹陷兩種情況。若泄漏點(diǎn)處無(wú)凹陷或凹陷較小，采用管卡維修后，可以進(jìn)行正常生產(chǎn)和通球作業(yè)。若泄漏點(diǎn)處有較大凹陷，采用管卡維修后管線的正常生產(chǎn)和通球都將受到影響，因此需要在維修前將凹陷部分切除。

對(duì)于凹陷面不能切除的情況，管卡維修后可選擇適當(dāng)施工時(shí)機(jī)進(jìn)行永久維修。

（2）管線局部破損

管線局部破損一般是由于大面積腐蝕或者外力作用造成的，其泄漏點(diǎn)軸向尺寸或者環(huán)向尺寸較大，泄漏點(diǎn)附近海管圓度發(fā)生較大變化，不能滿足小尺寸管卡安裝要求。

對(duì)于軸向尺寸較大的漏點(diǎn)，在詳細(xì)測(cè)量海管泄漏點(diǎn)尺寸和圓度后，可根據(jù)測(cè)量尺寸特制機(jī)械管卡進(jìn)行維修，也可考慮切除破損點(diǎn)，更換短節(jié)維修。

管線局部破損也分漏點(diǎn)有無(wú)凹陷兩種情況，對(duì)于有凹陷的情況，處理措施和管線小泄漏相同。

（3）管線大范圍的破損

管線大范圍的破損一般是由于外力作用（如錨刮傷、挖泥船損傷等）或者惡劣自然環(huán)境（如海床變遷、地震、海嘯等）所致。這種情況一般不能通過(guò)管卡維修，只可考慮更換短節(jié)維修。

1.2維修方法

長(zhǎng)距離海底天然氣管線多是由海上輸向陸地的登陸管線，大多需要跨越航道區(qū)、漁業(yè)活動(dòng)區(qū)、挖沙區(qū)等。管線受外部因素影響較大，其安全風(fēng)險(xiǎn)也隨之增大。一旦發(fā)生意外損傷，首先要考慮的是如何置換或封堵管內(nèi)存留氣體，避免發(fā)生大量泄漏甚至爆炸的安全事故，同時(shí)盡量減少管線內(nèi)部海水的灌入。再根據(jù)管線損傷的情況，選擇適用的維修方案進(jìn)行維修。

1.2.1置換和管內(nèi)封堵

天然氣海管發(fā)生泄漏后，需要立即停產(chǎn)，但為了防止海水倒灌，管內(nèi)仍需保持微正壓。因此，損傷點(diǎn)持續(xù)泄漏的天然氣對(duì)現(xiàn)場(chǎng)維修工作帶來(lái)了極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)多次天然氣管線泄漏的案例分析，從陸地終端向管內(nèi)返灌氮?dú)?，一方面可避免由于天然氣泄漏造成閃爆等嚴(yán)重的后果，另一方面可避免海水的大量灌入。

另外，如果管線損傷較為嚴(yán)重需要切割，或者沒(méi)有大量的氮?dú)膺M(jìn)行返灌，則需要考慮進(jìn)行管內(nèi)封堵隔離。封堵隔離的方法大致有以下幾種。

（1）遙控封堵隔離

遙控封堵隔離技術(shù)是20世紀(jì)90年代挪威PSI公司開(kāi)發(fā)的一種作用于管內(nèi)的高壓封堵技術(shù)。美國(guó)TDW公司（美國(guó)TDW公司于2005年收購(gòu)了挪威PSI公司）和Oil States公司也對(duì)水下油氣漏點(diǎn)封堵隔離技術(shù)作出了有意義的探索。目前這些公司和水下油氣漏點(diǎn)封堵隔離技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，研制出整套的管線高壓智能封堵系統(tǒng)，并已生產(chǎn)出用于陸地和海底油氣管線管內(nèi)壓力隔離的產(chǎn)品，有了實(shí)際的應(yīng)用。我國(guó)在管線應(yīng)急封堵與壓力隔離方面的研究起步較晚，還處于探索與實(shí)驗(yàn)階段。內(nèi)脹式管內(nèi)高壓封堵器目前已經(jīng)有了一些有意義的探索和研究，并有了一定的成果［3］。

（2）凝膠隔離

凝膠廣泛應(yīng)用于油田水基壓裂劑、泥漿添加劑以及食品行業(yè)添加劑等，國(guó)內(nèi)某一10吋（254 mm）的原油管線維修時(shí)也曾成功地應(yīng)用過(guò)。

凝膠段塞的成膠物質(zhì)為羥丙基凝膠，具有許多優(yōu)異的特性。經(jīng)過(guò)化學(xué)處理后，水不溶物及殘?jiān)蠓冉档汀Ａu丙基凝膠粉溶于水后成為凝膠溶液，加入有機(jī)硼交聯(lián)劑后在短時(shí)間內(nèi)形成果凍狀膠體凝膠。交聯(lián)后的凝膠具有抗高溫、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，不溶解于原油、凝析油、水，無(wú)毒。凝膠在一定的時(shí)間內(nèi)能自然水解，水解產(chǎn)物無(wú)污染，黏度低（與水近似）。

封堵隔離施工之前需要現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)資料，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，確定凝膠濃度、交聯(lián)劑濃度、交聯(lián)時(shí)間，使成膠的彈性好，而且抗剪切性強(qiáng)，不易開(kāi)裂，水力條件下流動(dòng)性好。凝膠段塞既可以在自然條件下經(jīng)過(guò)一定時(shí)間自然降解成水溶液，也可以通過(guò)添加破膠劑來(lái)促進(jìn)水解，縮短降解時(shí)間。

（3）帶壓開(kāi)孔封堵

根據(jù)三通類型可分為干式焊接三通式帶壓開(kāi)孔封堵和濕式機(jī)械三通式帶壓開(kāi)孔封堵。

焊接三通式帶壓開(kāi)孔封堵技術(shù)需要在封堵位置形成干式環(huán)境，然后在干式環(huán)境內(nèi)焊接三通，安裝閘板閥和開(kāi)孔機(jī)，進(jìn)行開(kāi)孔作業(yè)。開(kāi)孔結(jié)束后安裝封堵機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管線的封堵。

機(jī)械三通式帶壓開(kāi)孔封堵技術(shù)無(wú)需形成干式環(huán)境，可直接在水下完成機(jī)械三通、閘板閥和開(kāi)孔機(jī)的安裝，并在濕式環(huán)境下完成帶壓開(kāi)孔封堵作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管線的封堵。

1.2.2封堵管卡維修方法

封堵管卡維修方法適用于海管發(fā)生局部小漏且管線未發(fā)生影響管線正常運(yùn)行的較大變形的情況。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，管卡可分為臨時(shí)橡膠密封管卡、臨時(shí)水泥管卡、永久機(jī)械管卡和結(jié)構(gòu)管卡等。

若使用臨時(shí)橡膠密封管卡或水泥管卡，則搶修完成后需要在適當(dāng)時(shí)機(jī)進(jìn)行后續(xù)的永久維修；若使用永久機(jī)械管卡和結(jié)構(gòu)管卡，一般設(shè)計(jì)壽命在20～25年，不同廠家的設(shè)計(jì)壽命不盡相同，在安裝完成后一般無(wú)需特殊維護(hù)。

1.2.3平管起吊維修方法

平管起吊維修方法適用于水深較淺的海域及管線發(fā)生極大范圍破損的情況，需停產(chǎn)進(jìn)行更換管段。平管起吊維修方法屬永久維修，維修完成后需對(duì)法蘭進(jìn)行保護(hù)，后期無(wú)需進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)或維護(hù)。

具體維修施工步驟為：停產(chǎn)情況下，切除破損管線；使用平管起吊船舶將兩個(gè)切割點(diǎn)分別起吊至施工船舶甲板；在切割點(diǎn)位置打磨并焊接法蘭，將海管下放至海床上；測(cè)量并預(yù)制需要更換的短節(jié)；水下安裝短節(jié)，完成維修。

1.2.4機(jī)械連接器維修方法

簡(jiǎn)單而言，機(jī)械連接器維修法就是將破損管段切割后，用短節(jié)替換，而替換的短節(jié)用連接器與原管線連接。

具體維修方法為：先將破損管段切除；如果是混泥土配重管線，使用液壓風(fēng)鎬或其它清除設(shè)備去除混凝土；如果是雙層管線，利用環(huán)向切割機(jī)切割剝離管端外管，同時(shí)將海管兩端清理打磨干凈，達(dá)到安裝水下機(jī)械連接器的要求。完成后在兩端安裝機(jī)械連接器，最后測(cè)量、預(yù)制并安裝短節(jié)，回填作業(yè)坑，結(jié)束維修作業(yè)。

1.2.5干式艙維修方法［2］

常壓干式艙已在數(shù)次海管維修工程中起到了重要的作用，比較有代表性的有2001年渤西天然氣管線不停產(chǎn)開(kāi)孔封堵維修工程及2007年?yáng)|方1-1登陸管線維搶修工程。常壓干式艙適用于15 m以淺的水域。在以下情況下可考慮使用常壓干式艙：（1）不滿足起管焊接維修的條件，而且缺少濕式維修的機(jī)械連接器備件；（2）不停產(chǎn)帶壓開(kāi)孔封堵維修采用焊接三通，非采用機(jī)械三通的情況。

具體維修方法為：潛水員水下調(diào)查管線損傷情況，確定管線切割位置；使用挖溝設(shè)備對(duì)海管切割位置開(kāi)挖作業(yè)面，滿足干式艙就位要求；清除管線表面涂層，滿足切割和干式艙密封的要求；干式艙就位，打固定樁并放沉板壓沙袋，增加其穩(wěn)定性。測(cè)量并制作兩側(cè)密封門(mén)，水下安裝密封。利用排水泵將干式艙內(nèi)水排凈，形成干式環(huán)境；對(duì)管線表面進(jìn)行清理后開(kāi)始冷切割及端部開(kāi)坡口作業(yè)，進(jìn)行法蘭焊接；干式艙拆除，短節(jié)安裝，完成維修作業(yè)。

2　斷裂管線維修案例

渤海灣某油田一條14吋（356 mm）天然氣登陸管線曾發(fā)生意外損傷。該管線全長(zhǎng)約90 km，路由穿越多個(gè)養(yǎng)殖區(qū)、挖溝區(qū)，來(lái)往船只頻繁，風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別較高。在管線發(fā)生損傷泄漏后，平臺(tái)隨即停產(chǎn)，但在未做水下探摸調(diào)查前，并不了解損傷的形式，所以平臺(tái)入口處仍維持微量壓力，以防止泄漏點(diǎn)海水灌入。

于此同時(shí)，為保證維修作業(yè)船到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后的施工安全，從陸地終端向管內(nèi)返注氮?dú)?，以稀釋和置換管內(nèi)和泄漏點(diǎn)位置的天然氣。

在未確定損傷形式前，提前準(zhǔn)備了兩套維修方案，分別針對(duì)穿孔小漏且無(wú)較大變形的損傷及裂縫大漏甚至斷裂的損傷兩種形式。

對(duì)于穿孔小漏，準(zhǔn)備了國(guó)產(chǎn)臨時(shí)封堵管卡和進(jìn)口永久封堵管卡兩套備件。

對(duì)于裂縫大漏和斷裂，考慮到泄漏位置海圖水深約10 m，準(zhǔn)備了水下冷切割及舷側(cè)起吊設(shè)備。

維修作業(yè)船現(xiàn)場(chǎng)就位后，經(jīng)潛水員水下探摸，發(fā)現(xiàn)海管已經(jīng)斷開(kāi)，斷口上部整齊，下部有變形，探摸到近岸端的海管，海管最大懸空2～3 m，懸空長(zhǎng)度10 m，斷口向陸地方向4 m位置為焊縫節(jié)點(diǎn)。遠(yuǎn)岸端的海管，管頭埋在泥面以下，距離管頭位置31 m和43 m的兩處均發(fā)生明顯的折彎。

根據(jù)這種情況，必須采用更換損傷管段的方案進(jìn)行維修，而且管線已經(jīng)斷開(kāi)，管內(nèi)已經(jīng)灌注海水，所以陸地終端隨即停止氮?dú)獾姆底ⅰ?/p>

2.1管線吹泥暴露

海底管線舷側(cè)起吊之前需要將管線暴露于海床。根據(jù)該管線舷側(cè)起吊的計(jì)算報(bào)告，需從管端部向兩側(cè)進(jìn)行吹泥，分別暴露70 m，以滿足舷側(cè)起吊的需要。圖1為挖溝機(jī)吹泥作業(yè)示意圖。

圖1　挖溝機(jī)吹泥作業(yè)

吹泥暴露作業(yè)的步驟如下：

（1）連接調(diào)試挖溝機(jī)電力系統(tǒng)、軟管連接系統(tǒng)、拖拉纜等，并進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）定位工程師在距離斷口兩側(cè)各70 m位置做好模擬標(biāo)記。

（3）在潛水員引導(dǎo)下，挖溝機(jī)就位于斷口正上方約0.5 m處。

（4）通過(guò)挖溝機(jī)前后兩個(gè)聲納觀測(cè)挖溝的效果，以及管線裸露懸空的情況。

2.2管線損傷段冷切割

管線兩處折彎損傷段必須在水下切除，考慮到吊裝的問(wèn)題，在水下切兩刀將損傷段回收至甲板。常用的水下冷切割設(shè)備有閘刀鋸、爬管式切割機(jī)、分瓣式切割機(jī)、鉆石線切割機(jī)等。圖2為目前常用的水下冷切割設(shè)備。

該項(xiàng)目采用閘刀鋸進(jìn)行水下切割。先將閘刀鋸安裝在管線節(jié)點(diǎn)位置，然后將管線連同保溫層、防腐層整體切割斷開(kāi)，最后將損傷段回收到甲板上，見(jiàn)圖3。圖4所示為一個(gè)距斷口43 m處的彎曲點(diǎn)。

2.3舷側(cè)起吊

損傷管段切除回收后，開(kāi)始進(jìn)行管線舷側(cè)起吊焊接新法蘭。舷側(cè)起吊作業(yè)需要進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析，以保證管線內(nèi)部應(yīng)力滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，并使舷吊受力在設(shè)備允許和可控范圍內(nèi)。

該管線采用一個(gè)5 t浮袋配合兩個(gè)舷吊完成舷側(cè)起吊工作，起吊示意圖如圖5所示。

管線起吊至甲板后，搭設(shè)舷外腳手架。然后，進(jìn)行端面處理，進(jìn)行新法蘭的焊接、射線檢驗(yàn)及防腐作業(yè)。這些工作完成后，再按照計(jì)算分析報(bào)告將管線緩慢放回海底。

圖2　常用的水下冷切割設(shè)備

圖3　距斷口31 m處的折彎點(diǎn)

圖4　距斷口43 m處的彎曲點(diǎn)

2.4法蘭測(cè)量和短節(jié)預(yù)制

由于損傷管段較長(zhǎng)，分兩段進(jìn)行預(yù)制和安裝。先在甲板上預(yù)制一根36 m長(zhǎng)的新管段，吊放入水與遠(yuǎn)岸端法蘭進(jìn)行連接。連接完成后，再進(jìn)行水下法蘭測(cè)量，得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)后再進(jìn)行第二段新管段的預(yù)制工作。

圖5　管線舷側(cè)起吊

使用水下測(cè)量?jī)x測(cè)量?jī)煞ㄌm平面之間的距離和角度。測(cè)量時(shí)如果角度過(guò)大，即兩端的海管不在同一條直線上，則需要根據(jù)測(cè)量的距離和角度進(jìn)行CAD模擬，然后調(diào)整管線的位置，再進(jìn)行測(cè)量，直到兩端的海管調(diào)整在一條直線上。

當(dāng)然，要是兩端海管在絕對(duì)一條直線上，兩端法蘭測(cè)量?jī)x的角度都必須為零。根據(jù)多個(gè)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，如果角度在±1°范圍內(nèi)，此時(shí)計(jì)算好兩端法蘭面之間的距離，則短節(jié)對(duì)接起來(lái)會(huì)比較順利，一次合格率較高。

該項(xiàng)目管線經(jīng)過(guò)搬管微調(diào)后，法蘭測(cè)量結(jié)果一端水平角度是0°，另一端水平角度是+1°，非常理想。圖6所示為法蘭測(cè)量示意圖。

圖6　法蘭測(cè)量

2.5水下連接

短節(jié)預(yù)制完成后，浮吊船吊機(jī)將短節(jié)吊裝下水，潛水員水下指揮吊機(jī)，并通過(guò)浮袋配合，完成短節(jié)的對(duì)接。潛水員穿上所有法蘭螺栓后，先使用棘輪扳手緊固螺栓，然后使用液壓拉伸器按照液壓拉伸程序?qū)β菟ㄟM(jìn)行對(duì)稱、均勻加力。

管線連接完成后其示意圖如圖7所示。

圖7　更換短節(jié)連接完成

2.6收尾作業(yè)

管線連接完成后，即完成管線的主體維修作業(yè)。復(fù)產(chǎn)及收尾作業(yè)還包括：（1）管線整體試壓、排水、干燥惰化；（2）管線法蘭保護(hù)；（3）懸空裸露段回填保護(hù)。

由于該管線是嚴(yán)重的斷裂損傷，已經(jīng)沒(méi)有封堵隔離的必要。管線維修完成后，管內(nèi)的海水必須在全線試壓完成后按程序進(jìn)行排水和干燥惰化，所需的工期較長(zhǎng)，即管線復(fù)產(chǎn)的周期較長(zhǎng)。

如果管線未發(fā)生斷裂，則處理的方式分為以下兩種情況：

（1）管線為穿孔小漏，或者漏點(diǎn)較大但并未發(fā)生影響正常生產(chǎn)和通球的變形，可返灌氮?dú)猓S持泄漏點(diǎn)微正壓，采用安裝永久機(jī)械管卡或者結(jié)構(gòu)管卡的方法進(jìn)行維修。

（2）管線為裂縫大漏，且影響管線的正常生產(chǎn)和通球，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇本文第1.2.1條中的方法進(jìn)行封堵隔離，再選擇本文第1.2.3～1.2.5條中的方法進(jìn)行切割，更換損傷段，完成維修作業(yè)。

3　結(jié)束語(yǔ)

長(zhǎng)距離海底天然氣管線一旦發(fā)生損傷，其維修難度比一般管線都大，主要是需要考慮和解決很多棘手的問(wèn)題。一方面需要避免泄漏位置天然氣外逸造成的閃爆風(fēng)險(xiǎn)，另一方面需要采取有效的封堵隔離措施以減少海水的灌注，避免維修后排水、干燥、惰化等周期性較長(zhǎng)的工作，保證管線快速恢復(fù)生產(chǎn)。與此同時(shí)，要制定快速有效的維修方法，在保證施工安全的前提下，緊湊、有序、快捷地完成封堵卡具的安裝或損傷管段的更換。當(dāng)然也應(yīng)該看到，水下管內(nèi)封堵隔離作業(yè)在國(guó)內(nèi)并不成熟，還需要不斷的科學(xué)研究和工程實(shí)踐來(lái)提高國(guó)內(nèi)相關(guān)的技術(shù)和裝備能力。

［1］張仕民，譚桂斌，朱霄霄，等.油氣管道維搶修技術(shù)進(jìn)展［J］.石油機(jī)械，2011，39（10）：174-178.

［2］房曉明.海底管線干式維修技術(shù)［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（7）：651-657.

［3］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.

Maintenance Methods for Long Distance Submarine Natural Gas Pipeline Damage

Liang GuanghuiCheng Erhui

When the accidental damage of the long distance natural gas pipeline occurs，the natural gas within the pipe must be replaced，the seawater perfusion be avoided and the emergency repair schemes be settled according to different damage types.The maintenance methods for the long distance natural gas pipeline damages are described in this paper.Meanwhile，taking a maintenance work of an accidental damage for an example，the maintenance methods for pipeline rupture are introduced which is of great reference value.

Long distance；Natural gas pipeline；Damage；Plugging and isolation；Maintenance；Side lifting；Cutting

TQ 055.8

2015-06-17）

*梁光輝，男，1983年生，工程師。塘沽市，300451。