深水海底管道維修方法研究

馬 超，孫 錕，黃葉舟，陳曉東，孫首陽

(深圳海油工程水下技術(shù)有限公司， 廣東 深圳 518067)

深水海底管道維修方法研究

馬 超，孫 錕，黃葉舟，陳曉東，孫首陽

(深圳海油工程水下技術(shù)有限公司， 廣東 深圳 518067)

基于荔灣3-1氣田周邊的油氣田深水管道情況，分析深水環(huán)境因素對管道失效的影響。具體給出三種深水海管失效形式，并提出相應(yīng)失效模式下的維修方法，著重介紹不同維修方法的維修流程和核心維修工具資源。在此基礎(chǔ)上，分析不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并探討它們在荔灣周邊的應(yīng)用可行性。螺栓型管卡維修和連接器在底維修可作為我國深水海管維修的重點(diǎn)發(fā)展方向。

深水管道；管道失效；管道維修；維修程序

0 引 言

隨著荔灣3-1氣田的建設(shè)和投產(chǎn)，我國深水管線鋪設(shè)長度已超過100 km，而且以后隨著番禺35-1/2、流花29-1等氣田的開發(fā)，南海深水管道將獲得快速發(fā)展，其完整性問題是不可忽視的。國外油氣田作業(yè)公司以及相關(guān)工程公司已建立深水管道應(yīng)急響應(yīng)維修系統(tǒng)，例如美國墨西哥灣DW RUPE[1-2]、挪威Statoil公司建立的RPRS[3]等。美國Oil States公司提出了四種深水海管維修方式[4]，其中三種采用更換受損海管的方式，一種采用隔離的方式。美國Oceaneering公司開發(fā)出兩種連接系統(tǒng)用于深水海管維修作業(yè)：垂直連接系統(tǒng)和水平連接系統(tǒng)[5]。意大利Saipem公司所建立的SiRCoS已在地中海和北海獲得應(yīng)用，可用于維修20～48英寸(1英寸=2.54 cm)的大直徑管道[6]。國內(nèi)在渤西油氣田、惠州油田、潿洲油田等進(jìn)行過多次海管維搶修作業(yè)，但作業(yè)水深都在300 m以內(nèi)，滿足不了荔灣周邊等深水油氣田(300～1 500 m水深)海底管道維修的需要。為了維護(hù)深水油氣田的后期運(yùn)營，有必要針對深水海底管道維修方法進(jìn)行研究。本文基于荔灣3-1氣田周邊的深水油氣田管道情況，結(jié)合深水環(huán)境因素，探討了深水海管的失效形式和維修方法。

1 荔灣周邊深水管道失效形式

海底管道的失效原因主要來源于三個(gè)方面：(1)自身因素，如管線自身材料缺陷、焊接質(zhì)量缺陷、密封連接問題、防腐問題、管道附件老化問題等；(2)人為因素，如拋錨、拖網(wǎng)捕魚等漁業(yè)活動、施工作業(yè)活動范圍內(nèi)和平臺附近的墜落物撞擊作用、水下機(jī)器人(ROV)作業(yè)影響等；(3)環(huán)境因素，如內(nèi)部流體腐蝕和外部腐蝕、海底滑坡或滑塌、土體穩(wěn)定性、波浪或潮流沖刷引起管線懸空、風(fēng)浪和海流作用造成的疲勞破壞、地震、海嘯等。下面就環(huán)境因素進(jìn)行分析。

對于荔灣周邊深水管道而言，腐蝕問題是不可避免的，而且隨著服役時(shí)間的增長和鋪設(shè)量的增加，海底管道失效概率將逐年增大，因此腐蝕問題是引起深水管道失效破壞的最重要原因。荔灣周邊海底地形總體走向?yàn)闁|北-西南方向，在水深為190～1 400 m的管道路由上可能會經(jīng)過海底峽谷、海底滑坡、古珊瑚礁、海底沙坡、斷崖和陡坡等各種類型的海底地貌[7]。這些地貌區(qū)域一旦發(fā)生滑坡和塌陷，會導(dǎo)致管道表面出現(xiàn)坑洼或裂紋，甚至出現(xiàn)管線大漏和管道變形。荔灣周邊管道路由區(qū)的土質(zhì)[8]分為三類：(1)表層土體為極軟黏性土，下部為珊瑚礁；(2)表層土體為松-中密砂，下部為堅(jiān)硬土；(3)表土類型為松-中密砂，底質(zhì)為非常軟的高塑性黏土或粉土。其中第一類土體工程地質(zhì)條件最好，第三類土體最差。砂質(zhì)海床在波流或風(fēng)暴潮作用下會發(fā)生淘蝕、液化現(xiàn)象。當(dāng)海底管道鋪設(shè)在這些不穩(wěn)定的海床上時(shí)，一旦發(fā)生海床塌陷、滑動或沖蝕，管體將發(fā)生較大的變形。荔灣周邊管道路由地區(qū)海底底流主要是內(nèi)波流和潮流，其流速范圍為0.05～0.45 m/s。底流會對管線下部土體產(chǎn)生沖刷造成管道懸空，海流經(jīng)過懸跨管道時(shí)會在管道后部釋放漩渦引起管道振動，進(jìn)而導(dǎo)致疲勞破壞，其主要表現(xiàn)為穿孔小漏的形式。

基于以上分析，可將荔灣周邊深水海管受損失效形式劃分為以下三種類型：(1)穿孔小漏，為點(diǎn)漏或者小面積泄漏，沒有大的機(jī)械變形；(2)管線大漏，損傷的海底管道長度大于一個(gè)管道直徑，往往伴隨著大量溢油現(xiàn)象；(3)管道變形，這種損傷不會造成海管泄漏，但會降低海管使用壽命，且較大的變形將使清管作業(yè)無法正常進(jìn)行。

2 深水海管維修方法

對于穿孔小漏，由于表現(xiàn)為小面積泄漏，故可在受損管體外進(jìn)行封堵，具體方法為管卡維修；而對于管線大漏和管道變形，由于失效面積較大，故采取切除局部受損管段并更換的方式[9-11]。表1概括了三種失效形式對應(yīng)的維修方法。

管卡維修，即在受損管體外側(cè)設(shè)置維修管卡，根據(jù)管卡固定形式可以分為兩種：螺栓形式和焊接形式(見圖1)。受損管段更換維修，根據(jù)自由管端和更換管段連接方式可以分為3種(見圖2)：(1)連接器維修，膨脹彎短節(jié)兩端安裝機(jī)械連接器；(2)焊接維修，膨脹彎兩端安裝套筒進(jìn)行焊接固定和密封；(3)螺栓管卡維修，膨脹彎兩端安裝螺栓型管卡實(shí)現(xiàn)維修。

表1 深水海管維修方法Table 1 Repair methods for deepwater pipeline

圖1 螺栓形式和焊接形式管卡維修Fig.1 Repair with bolted or welded clamp

圖2 連接器維修、焊接維修和螺栓管卡維修等受損管段更換維修方法Fig.2 Repair methods with pipe replacement by using connector, welding, and bolted clamp

2.1 管卡維修

螺栓形式管卡維修程序如下：(1)管線預(yù)調(diào)查，找到并確認(rèn)管線受損位置；(2)下放提管架，提升受損管段，使其脫離海床[見圖3(a)]；(3)吊機(jī)配合ROV實(shí)現(xiàn)維修管卡下放就位；(4)ROV操作維修管卡控制面板，完成維修管卡安裝[見圖3(b)]；(5)完成維修管卡的密封測試；(6)ROV操作提管架，將修復(fù)后的管段放回海床；(7)回收提管架和ROV等，完成修復(fù)工作。

維修所需的資源包括ROV支持船、維修管卡、維修管卡吊放工具、ROV吹泥泵、提管架等。其中維修管卡和提管架是核心維修作業(yè)工具。

美國Oil States 公司和QCS 公司已設(shè)計(jì)出適用于深水的維修管卡。圖4所示為Oil States 公司的HydroTech維修管卡。它主要是通過大量的螺栓進(jìn)行緊固，在管段外部創(chuàng)造一個(gè)高壓密封的環(huán)境。這種維修管卡可分為兩種類型：全結(jié)構(gòu)型和非結(jié)構(gòu)型。全結(jié)構(gòu)型維修管卡用于那些存在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隱患的管道維修情形。其適用的管徑和內(nèi)壓范圍為3英寸/68.95 MPa～48英寸/11 MPa(1英寸=2.54 cm)。

提管架(PLF)，一般為H型框架，用于提升管段脫離海床，適用于安裝管卡、切割管道等作業(yè)情形。圖5所示為美國Oceaneering公司開發(fā)的提管架。它重約11.6 t，垂直提升載荷最大為18 t，橫向移動最大負(fù)載為9 t，管道夾具旋轉(zhuǎn)角度最大為5°，最大適用海床坡度為5°。

圖3 管卡維修程序示意圖Fig.3 Illustration of clamp repair method

圖4 HydroTech維修管卡Fig.4 HydroTech clamp

圖5 Oceaneering公司提管架Fig.5 PLF from Oceaneering

2.2 連接器維修

連接器維修的一般程序如下：(1)管線預(yù)調(diào)查，找到并確認(rèn)管線受損位置；(2)下放提管架，提升受損管段，使其脫離海床；(3)切割受損管段，并對自由切割管端進(jìn)行涂層清除、打磨等處理作業(yè)；(4)ROV引導(dǎo)下放龍門維修基盤；(5)ROV操作完成夾具密封液壓連接器與自由管端連接，并進(jìn)行密封測試[見圖6(a)]；(6)回收龍門框架，測量兩個(gè)連接器輪轂之間的距離和方位，預(yù)制膨脹彎；(7)ROV引導(dǎo)下放連接器就位[見圖6(b)]；(9)ROV操作完成連接器的連接；(10)連接器密封測試；(11)回收提管架和ROV等相關(guān)作業(yè)工具，完成修復(fù)。

維修所需的資源包括ROV支持船、提管架、ROV吹泥泵、管道切割工具、涂層清理工具、龍門維修基盤、連接器系統(tǒng)、水下測量工具等。其中提管架、管道切割工具、龍門維修基盤和連接器系統(tǒng)是核心維修工具。

圖6 連接器維修程序示意圖Fig.6 Illustration for connector repair method

深水管道切割工具主要用于ROV操作，實(shí)現(xiàn)受損管段的切割。如圖7所示，美國Wachs公司的深水金剛石繩鋸機(jī)可以水平或垂直切割海管，可用于3 000 m水深，能夠切割管徑為0.102～1.27 m的海管。

圖7 Wachs公司深水金剛石繩鋸機(jī)及其ROV控制面板Fig.7 Deepwater diamond wire saw from Wachs and its ROV control panel

在切除損壞的海底管道后，需使用外涂層和焊縫清除工具(CFRT)清除管線終端任何外涂層；如果管道結(jié)構(gòu)是焊接縫合，還需將焊冠磨平，以便在管線外表面進(jìn)行密封。如圖8所示，美國Wachs公司的CPT-3 為可旋轉(zhuǎn)ROV攜帶的涂層清除工具，適用管徑12～24英寸。它包括一個(gè)C字架和兩個(gè)開口卡子，沿海管軸向直接安放至海管。切割和開坡口模塊采用一個(gè)立式銑床配備粗磨、切角工具及自動饋給裝置。熔結(jié)環(huán)氧(FBE)清除模塊配備一個(gè)砂輪以清除海管表面粉末涂料。焊縫清除模塊配備楔形榫狀切割器，以切除焊縫冠，之后自動反饋給銑床對海管進(jìn)行坡口加工。

圖8 CPT-3 涂層清除工具Fig.8 CPT-3 coating removal tool

龍門維修基盤集夾具密封液壓連接器、彎管和套筒連接器輪轂為一體，同時(shí)為在切割受損管段后的自由管端處安裝彎管提供結(jié)構(gòu)支撐。如圖9所示，在彎管兩端分別是夾具密封液壓連接器(GSHC)和垂直連接器輪轂。一旦夾具密封液壓連接器和自由管端完成連接，龍門框架將回收到甲板。

連接器系統(tǒng)主要包括兩部分：膨脹彎和兩端的連接器。膨脹彎用于替代受損管段，需要測量水下切割管段長度便于預(yù)制。連接器主要用于實(shí)現(xiàn)自由管端和膨脹彎管端的密封連接。如圖10所示，美國Oil States公司的夾具密封液壓連接器是一種管道端部連接器，安裝在自由管端，起結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的作用。套筒夾具用于承受管道軸向拉伸或壓縮載荷，當(dāng)外部載荷越大時(shí)，套筒夾具越緊。夾具密封連接器有一個(gè)密封系統(tǒng)，具有溫度補(bǔ)償作用。ROV通過面板激活密封機(jī)制并完成密封測試工作。其適用的管徑和內(nèi)壓范圍為3英寸/68.95 MPa～48英寸/11 MPa。

圖9 龍門維修基盤Fig.9 Gantry sled

圖10 夾具密封液壓連接器Fig.10 Grip and seal hydraulic connector

2.3 焊接維修

受損管段更換焊接維修的一般程序如下：(1)管線預(yù)調(diào)查，找到并確認(rèn)管線受損位置；(2)下放提管架，提升受損管段，使其脫離海床；(3)切割受損管段；(4)自由管端端部處理，包括清除管體外部涂層[見圖11(a)]；(5)測量自由管端的距離，預(yù)制帶有套筒的膨脹彎；(6)ROV引導(dǎo)下放膨脹彎就位；(7)膨脹彎和自由管段對中，預(yù)密封連接；(8)下放焊接機(jī)器人系統(tǒng)就位；(9)安裝焊接機(jī)器人系統(tǒng)，完成熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)填角焊接[見圖11(b)]；(10)回收提管架和ROV等相關(guān)作業(yè)工具，完成修復(fù)。

圖11 焊接維修程序示意圖Fig.11 Illustration of welding repair

維修所需的資源包括ROV支持船、提管架、ROV吹泥泵、管道切割工具、涂層清理工具、膨脹彎、水下測量工具、焊接機(jī)器人系統(tǒng)等。其中管道切割工具、涂層清理工具、膨脹彎和焊接機(jī)器人是核心維修工具。

在挪威Statoil和Hydro公司共同研制開發(fā)的PRS系統(tǒng)中，采用GMAW填角焊接技術(shù)，在用于受損管段更換的膨脹彎兩端安裝套筒。如圖12所示，套筒兩端分別有雙層的水密封介質(zhì)，并沿管周均勻分布。ROV負(fù)責(zé)安裝焊接室，并使套筒處于焊接室內(nèi)部。焊接室充滿氣體，為焊接創(chuàng)造干式環(huán)境。焊接支持籃為焊接室提供電纜、動力和氣體。

3 不同方法對比分析

將不同海管維修方法進(jìn)行對比，如表2所示。

圖12 套筒外觀及焊接機(jī)器人水下作業(yè)Fig.12 Sleeve and welding performed by ROV

表2 深水海管維修方法對比Table 2 Comparision of pipeline repair methods

基于以上內(nèi)容，總結(jié)各種方法特點(diǎn)如下：

(1) 管卡維修。特別適用于小面積管道損傷情形，其維修作業(yè)程序相對簡單，所使用的工具相對較少；當(dāng)用于大面積管道損傷情形時(shí)，可在膨脹彎兩端安裝兩套管卡，盡管維修作業(yè)程序相對復(fù)雜、管卡成本高，但因便于ROV安裝和進(jìn)行密封測試，仍具有很好的發(fā)展?jié)摿Α９芸ňS修可為受損管段創(chuàng)造一個(gè)高壓密封的外環(huán)境，因此能夠?qū)Ω邏汗艿缹?shí)現(xiàn)維修。全結(jié)構(gòu)型維修管卡用于提高管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。螺栓型維修管卡可以實(shí)現(xiàn)快速安裝，在深水管道維修領(lǐng)域具有很高的經(jīng)濟(jì)性。

(2) 連接器維修。用于更換的管段一般是膨脹彎短節(jié)，其兩端裝有連接器，實(shí)現(xiàn)自由切割管端和膨脹彎管端的密封連接，在一定程度上簡化維修操作、便于安裝。對于大直徑的管線，不推薦使用連接器維修方法。服役時(shí)間長可能會使得管道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，不利于連接器維修。若海底底流嚴(yán)重，會使得垂直膨脹彎發(fā)生渦激振動。膨脹彎短節(jié)的設(shè)計(jì)應(yīng)能夠承受高溫高壓管線所受的循環(huán)載荷，有一定的抗疲勞能力。海底地形坡度大會阻礙連接器在底維修的實(shí)施。

(3) 焊接維修。焊接密封質(zhì)量好，但是隨著水深的增加，水下焊接質(zhì)量無法保證。大直徑管線維修可使用焊接的方式。水下焊接主要是采用角焊方式，對接焊技術(shù)目前并不成熟。深水壓力、海底地形、自動焊接機(jī)器人系統(tǒng)等因素嚴(yán)重制約深水焊接維修的發(fā)展。

4 結(jié) 語

總體來說，螺栓型管卡維修是一種合理的方式，能夠滿足深水管道一般性泄漏維修的需要；對于較為嚴(yán)重的海管失效模式，連接器在底維修可以作為一種有效手段；焊接維修方法則在技術(shù)上還有待進(jìn)一步發(fā)展。未來我國可將螺栓型管卡維修和連接器在底維修作為重點(diǎn)發(fā)展方向。

在實(shí)際制訂管道維修方案之前，必須調(diào)查獲得相關(guān)詳實(shí)資料，如受損管道資料、海底環(huán)境資料、氣象資料、實(shí)施船舶資料等。另外，維修作業(yè)工具的設(shè)計(jì)和制造以及密封技術(shù)、管體外側(cè)涂層清除和外敷技術(shù)、深水水下切割技術(shù)、水下可見性保障技術(shù)、修復(fù)后檢測技術(shù)等均需要進(jìn)行研究，并給出不同情形下的解決措施。

[1] Rebello A, Ayers R. DW RUPE: a low-capex deepwater pipeline repair system for the Gulf of Mexico[C].OTC, 2006:17772.

[2] Ayers R, Hoysan S, Rebello A, et al. DW RUPE: a new deepwater pipeline repair capability for the Gulf of Mexico and other deepwater regions[C]. OTC, 2008:19207.

[3] Berge J O, Armstrong M, Verley R. Deep water remote pipeline repair using welded sleeve technique[C]. IPC, 2004: 1919.

[4] Oil States. Deepwater pipeline repair [OL]. http://www.oilstates.com/fw/main/Deepwater-Pipeline-Repair-460.html.

[5] Oceaneering. Diverless connection and repair systems. [OL]: http://www.oceaneering.com/pipeline-connection-repair-systems/diverless-pipeline-systems/diverless-connection-and-repairsystems.

[6] Vagata A, Reid B J, Galletti R, et al. Diverless special operations[C]. OTC, 2011:21616.

[7] 劉樂軍, 傅命佐, 李家鋼, 等. 荔灣3-1氣田海底管道深水段地質(zhì)災(zāi)害特征[J]. 海洋科學(xué)進(jìn)展, 2014, 32(2): 162.

[8] 楊敬紅, 吳秋云, 周楊銳. 荔灣3-1氣田深水段管線路由區(qū)工程地質(zhì)分區(qū)與評價(jià)[J]. 中國海上油氣, 2014, 26(2): 82.

[9] 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.

[10] Mohammadi K. Repair methods for damaged pipeline beyond diving depth[D].Norway: University of Stavanger, 2011.

[11] 梁富浩, 李愛華, 苗春生, 等. 深水海底管線維修方式及其維修程序的探討[J]. 國外油田工程, 2009 (10): 43.

StudyonRepairMethodsforDeepwaterPipeline

MA Chao, SUN Kun, HUANG Ye-zhou, CHEN Xiao-dong, SUN Shou-yang

(COOECSubseaTechnologyCo.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong518067,China)

The special environment conditions of oil and gas fields near Liwan 3-1 are introduced with their adverse effects on pipelines, and three damage scenarios of deepwater pipeline for repairing damaged pipeline are listed. According to the damage scenarios, methods for repairing damaged pipeline in deep water are summarized with repair procedure and equipment, and those methods are compared. Finally, the application possibility of all methods for pipeline repair in deepwater field is analyzed. It is concluded that repair with bolted clamp or connector can be main repair methods for deepwater pipelines in China.

deepwater pipeline; damage scenarios of pipeline；pipeline repair; repair procedure

2015-05-22

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05056-002-04)

孫錕(1990—)，男，碩士，主要從事船舶與海洋工程方面的研究。

TE973

A

2095-7297(2015)03-0168-07