海洋油氣輸送用雙金屬?gòu)?fù)合管安裝現(xiàn)狀與趨勢(shì)*

楊專釗，魏偉榮，劉騰躍，王高峰，李安強(qiáng)，盧衛(wèi)卓

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.中海石油中國(guó)有限公司深圳分公司 廣東 深圳 518067；3.中國(guó)石油技術(shù)開(kāi)發(fā)公司 北京 100101)

·綜 述·

海洋油氣輸送用雙金屬?gòu)?fù)合管安裝現(xiàn)狀與趨勢(shì)*

楊專釗1，魏偉榮2，劉騰躍3，王高峰1，李安強(qiáng)1，盧衛(wèi)卓1

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.中海石油中國(guó)有限公司深圳分公司 廣東 深圳 518067；3.中國(guó)石油技術(shù)開(kāi)發(fā)公司 北京 100101)

隨著海洋油氣開(kāi)發(fā)逐漸向高腐蝕、高溫高壓、深海等苛刻環(huán)境轉(zhuǎn)移，耐蝕合金襯里或內(nèi)覆雙金屬?gòu)?fù)合管逐漸在國(guó)內(nèi)外海洋油氣開(kāi)采中廣泛應(yīng)用。介紹了海管鋪設(shè)方法、雙金屬?gòu)?fù)合管鋪設(shè)特點(diǎn)，總結(jié)分析了國(guó)內(nèi)外海洋用雙金屬?gòu)?fù)合管鋪設(shè)與安裝研究現(xiàn)狀，同時(shí)給出國(guó)內(nèi)雙金屬?gòu)?fù)合管海上安裝建議和發(fā)展趨勢(shì)。

海洋油氣; 耐蝕合金; 內(nèi)覆復(fù)合管; 襯里復(fù)合管; 海管鋪設(shè)

0 引 言

據(jù)文獻(xiàn)[1,2]介紹，油田地面管線面臨的腐蝕環(huán)境越來(lái)越惡劣, 特別在一些高酸性、高含氯離子、二氧化碳、硫化氫等油氣田的相繼出現(xiàn), 油氣田開(kāi)發(fā)和地面管線的腐蝕問(wèn)題越來(lái)越突出, 并直接影響到油氣田的安全開(kāi)采及經(jīng)濟(jì)效益。雙金屬?gòu)?fù)合管是防止油氣介質(zhì)內(nèi)腐蝕的新型防腐技術(shù)[3]。

復(fù)合管作為油氣田開(kāi)發(fā)腐蝕預(yù)防和控制的主要措施，與碳鋼相比具有耐蝕優(yōu)勢(shì)，與耐蝕合金純材相比，具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，因而基于其良好的實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)性，復(fù)合管相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究，在過(guò)去近20多年來(lái)取得長(zhǎng)足發(fā)展[4-6]。

隨著海洋油氣開(kāi)發(fā)逐漸向高腐蝕、高溫高壓、深海等苛刻環(huán)境轉(zhuǎn)移，雙金屬?gòu)?fù)合管逐漸在國(guó)內(nèi)外海洋油氣開(kāi)采中應(yīng)用，并且取得良好效果。文獻(xiàn)[7]報(bào)道了國(guó)外雙金屬?gòu)?fù)合管在海上油氣田開(kāi)發(fā)工程中的應(yīng)用情況，列出1990年至2005年雙金屬?gòu)?fù)合管應(yīng)用情況，累計(jì)達(dá)3萬(wàn)噸。

文獻(xiàn)[7,8]報(bào)道了我國(guó)首個(gè)海洋用雙金屬?gòu)?fù)合管項(xiàng)目，即崖城13-4海管項(xiàng)目。2011年9月8日，長(zhǎng)約22.5 km的崖城13-4海管項(xiàng)目鋪設(shè)完工。這是我國(guó)海洋油氣輸送領(lǐng)域首條襯里復(fù)合海管，也是首次采用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，并自行施工的復(fù)合管海洋油氣輸送管線，該項(xiàng)目的竣工標(biāo)志著雙金屬?gòu)?fù)合管在中國(guó)海洋油氣輸送管線上的應(yīng)用邁出了實(shí)質(zhì)性步伐。隨著雙金屬?gòu)?fù)合管在崖城13-4 氣田成功應(yīng)用，后續(xù)國(guó)產(chǎn)雙金屬?gòu)?fù)合管從陸地應(yīng)用發(fā)展到海洋環(huán)境，包括南海番禺35-1/35-2 氣田、東海平黃HY1-1/ HY1-2氣田等，海洋區(qū)塊應(yīng)用雙金屬?gòu)?fù)合管累計(jì)超過(guò)100 km[9]。

鑒于雙金屬?gòu)?fù)合管在我國(guó)海上應(yīng)用尚屬起步階段，對(duì)于海洋用雙金屬?gòu)?fù)合管鋪設(shè)與安裝技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)不足，本文重點(diǎn)介紹了雙金屬?gòu)?fù)合管海洋安裝鋪設(shè)方法、鋪設(shè)特點(diǎn)，并總結(jié)分析了國(guó)內(nèi)外海洋用雙金屬?gòu)?fù)合管鋪設(shè)與安裝研究現(xiàn)狀，同時(shí)給出了國(guó)內(nèi)雙金屬?gòu)?fù)合管海上安裝建議，論述了雙金屬?gòu)?fù)合管海上鋪設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 海管鋪設(shè)簡(jiǎn)介

海洋管道鋪設(shè)是通過(guò)專用的安裝浮式裝置進(jìn)行的，最常用的海洋安裝方法包括S型鋪設(shè)、J型鋪設(shè)、拖曳式鋪設(shè)、卷筒鋪設(shè)、Carousel Lay和Vertical Lay 鋪設(shè)等[10，11]。

由于S型鋪設(shè)具有適應(yīng)管徑范圍廣、鋪設(shè)速度較快以及便于操作等優(yōu)點(diǎn)， 目前被廣泛采用。典型S型鋪管如圖1所示[12]。但由于海洋環(huán)境十分惡劣，海底管道同時(shí)受到彎矩、軸向拉力和海水拖曳力的共同作用，其安全性受到很大的挑戰(zhàn)，因此開(kāi)展海底管道鋪管狀態(tài)下力學(xué)特性研究顯得尤為重要[13]。

圖1 S型鋪管法

2 雙金屬?gòu)?fù)合管鋪設(shè)特點(diǎn)

由于受地形地貌等限制，管道進(jìn)行鋪設(shè)時(shí)，需要進(jìn)行彎曲，且有時(shí)要求管道處于彈性彎曲狀態(tài)；而雙金屬?gòu)?fù)合管由于其特殊的結(jié)構(gòu)，在彎曲時(shí)可能出現(xiàn)基、襯管分離，襯管起皺等現(xiàn)象，將影響金屬?gòu)?fù)合管的使用性能。

因此開(kāi)展進(jìn)行雙金屬?gòu)?fù)合管的整管彎曲試驗(yàn)研究，了解復(fù)合管的彎曲性能，有助于復(fù)合管鋪設(shè)準(zhǔn)備和安全控制[10]，如：

1) 測(cè)試復(fù)合管的最小彈性彎曲半徑；

2) 測(cè)試復(fù)合管基襯分離的最小彎曲半徑；

3) 測(cè)試復(fù)合管彎曲時(shí)的橢圓度變化，及其滿足要求時(shí)的最小彎曲半徑；

4) 測(cè)試復(fù)合管彎曲時(shí)的應(yīng)變值，及其對(duì)應(yīng)的加載載荷，且繪出彎矩與應(yīng)變的關(guān)系曲線。

復(fù)合管海上安裝對(duì)施工船舶沒(méi)有特殊要求，可以采用S型、J型和卷筒鋪管法。目前已安裝的襯里復(fù)合管海底管道，多采用S型鋪管法。當(dāng)采用卷筒鋪設(shè)法時(shí)，管道彎曲半徑不應(yīng)小于40倍的鋼管外徑[14]，過(guò)小的彎曲半徑可能會(huì)在局部引起基、襯管分離。

3 海洋油氣用雙金屬?gòu)?fù)合管安裝國(guó)外研究情況

2005年，Norne Satellite項(xiàng)目，試驗(yàn)場(chǎng)地在挪威Technip試驗(yàn)基地，首個(gè)復(fù)合管模擬海洋盤卷鋪管卷曲疲勞試驗(yàn)工藝驗(yàn)證研究項(xiàng)目成功[15-17]。據(jù)文獻(xiàn)[18]介紹，復(fù)合管環(huán)焊縫盤卷安裝模擬全尺寸疲勞試驗(yàn)研究，盤卷鋪管模擬系統(tǒng)如圖2。試驗(yàn)材料為15寸復(fù)合管，內(nèi)覆316L。復(fù)合管由日本JSW生產(chǎn)， 在Technips挪威基地組對(duì)安裝，由CSO Apache鋪管，鋪設(shè)9 km試驗(yàn)段。

圖2 盤卷鋪管模擬系統(tǒng)

Subsea 7和 Butting聯(lián)合開(kāi)發(fā)一種可應(yīng)用盤卷鋪管的機(jī)械雙金屬?gòu)?fù)合管，BuBi復(fù)合管。BuBi復(fù)合管外管為X65碳鋼管，襯管分別為316L，825 和625 三種，復(fù)合管連接采用自動(dòng)熱絲脈沖鎢極氬弧焊(Hot Wire Pulsed Gas Tungsten Arc Welding，PGTAW)，填充焊絲為625焊絲。依據(jù)DNV-RP-C203[19]F1 曲線，對(duì)試驗(yàn)復(fù)合管進(jìn)行模擬卷曲的全尺寸疲勞試驗(yàn)，ABAQUS有限元方法模擬復(fù)合管安裝和服役條件，以及卷曲模擬試驗(yàn)后和疲勞試驗(yàn)后的系列性能和NDT試驗(yàn)，包括拉伸、硬度、韌性、腐蝕試驗(yàn)(G48, G28, ASTM A262)，X射線檢驗(yàn)，超聲波，著色等方法檢驗(yàn)，經(jīng)過(guò)試壓滿足要求，并且世界首次應(yīng)用巴西Santos盆地的Guará 和Lula NE 超深水項(xiàng)目[20]。圖3所示為Subsea 7 盤卷鋪管船。

圖3 Subsea 7 盤卷鋪管船

2013年，TWI和GSP項(xiàng)目聯(lián)合研究了機(jī)械和冶金復(fù)合管環(huán)焊縫臨界缺陷斷裂評(píng)估技術(shù)及其驗(yàn)證，為海洋盤卷鋪管方法技術(shù)儲(chǔ)備[21]。為研究復(fù)合管海上卷曲鋪管技術(shù)，文獻(xiàn)[22]開(kāi)展了雙金屬襯里復(fù)合管環(huán)焊縫在彎曲載荷作用下褶皺和塌陷(Wrinkling and collapse)分析，復(fù)合管外徑12 in，結(jié)果顯示減少環(huán)焊縫間距可延緩襯管塌陷，同時(shí)彎曲載荷在內(nèi)壓作用下，延遲襯管塌陷，此外增加復(fù)合管直徑，而保持襯管厚度不變情況下，加快襯管塌陷。文獻(xiàn)研究了襯里復(fù)合管在彎曲載荷作用下屈曲分析[23]。文獻(xiàn)采用試驗(yàn)和有限方法研究S鋪管法安裝的冶金復(fù)合管的可能性[24]。

4 海洋油氣用雙金屬?gòu)?fù)合管安裝國(guó)內(nèi)研究情況

伴隨崖城項(xiàng)目用雙金屬?gòu)?fù)合管在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用，我國(guó)近年來(lái)也開(kāi)始逐漸開(kāi)展雙金屬?gòu)?fù)合管鋪設(shè)安裝研究。文獻(xiàn) [25]利用ANSYS軟件，S型鋪管的目標(biāo)水深為202 m，管道張緊力為50 kN的工況為例，分析L360/UNS N08825和L360/316L的雙層復(fù)合管在采用S型鋪管法鋪設(shè)時(shí)，計(jì)算得到管道彎曲應(yīng)力分布云圖。重點(diǎn)分析了雙層復(fù)合管中內(nèi)襯管與外套鋼管之間的剪切應(yīng)力。計(jì)算中考慮了管道類型變化、水深變化和管道張緊力變化等多種鋪設(shè)工況。結(jié)果顯示，管道的變形呈“S”型曲線，最大變形和最大層間剪應(yīng)力隨著鋪設(shè)水深的增加而增大，最大變形為52.7 m，最大彎曲應(yīng)力為201 MPa，出現(xiàn)在管道與托管架分離處，最大層間剪應(yīng)力為206 MPa，也發(fā)生在管道與托管架分離處，均未超過(guò)其材料的屈服強(qiáng)度(355 MPa)。

文獻(xiàn)[26]為了研究機(jī)械式雙金屬?gòu)?fù)合管的彎曲性能，采用四點(diǎn)彎曲法對(duì)Φ219 mm×(11+3) mm X65+316L襯里復(fù)合管進(jìn)行了整管四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。理論計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果表明，在彎曲載荷作用下，復(fù)合管發(fā)生彎曲變形，當(dāng)基管管體外表面軸向拉伸應(yīng)變?chǔ)拧?.2%時(shí)，對(duì)應(yīng)求解的復(fù)合管彎曲半徑R≥218D時(shí)，海管鋪設(shè)時(shí)，管道處于彈性彎曲狀態(tài)。當(dāng)復(fù)合管彎曲半徑R<218D時(shí)，管體外側(cè)開(kāi)始進(jìn)入塑性狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)?0.2%，這個(gè)轉(zhuǎn)變點(diǎn)與基管相同。當(dāng)復(fù)合管彎曲半徑R為100D～68D時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的ε為0.8%～1.4%，復(fù)合管達(dá)到全塑性階段，解剖結(jié)果顯示，基層與襯層沒(méi)有發(fā)生分離，襯管未發(fā)生起皺及塌陷變形現(xiàn)象，上述彎曲變形過(guò)程對(duì)其使用性能不會(huì)有較大影響。由此可見(jiàn)，當(dāng)彎曲半徑R≥100D時(shí)，該規(guī)格襯里復(fù)合管的彎曲性能可滿足海洋油氣管道鋪設(shè)的彎曲變形要求。

據(jù)文獻(xiàn)[9]， API 5LD沒(méi)有對(duì)復(fù)合管彎曲性能提出要求，但作為海洋用管，項(xiàng)目技術(shù)規(guī)格書對(duì)復(fù)合管的彎曲性能提出明確要求。中海油/番禺35-1/35-2氣田用復(fù)合管技術(shù)規(guī)格書對(duì)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)要求如下[27]：1)該試驗(yàn)為針對(duì)某批次或某規(guī)格的產(chǎn)品制造工藝評(píng)定試驗(yàn)(MPQT)；2)產(chǎn)品應(yīng)先通過(guò)高溫塌陷試驗(yàn)檢驗(yàn)；3)試樣長(zhǎng)度為一根標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度(12.192 m)；4)對(duì)試驗(yàn)管進(jìn)行位移控制加載至規(guī)定應(yīng)變，X65和X70鋼級(jí)最大允許動(dòng)態(tài)應(yīng)變分別為0.305%和0.325%，進(jìn)行30次彎曲循環(huán)，彎曲試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)試驗(yàn)管內(nèi)部進(jìn)行視頻監(jiān)控，未發(fā)現(xiàn)襯里層褶皺或屈曲為合格；5)也可將試樣持續(xù)彎曲直到襯里層失效，記錄基管最大應(yīng)變；6)除了進(jìn)行上述完全彎曲試驗(yàn)外，也可選擇進(jìn)行彎曲-軸向拉伸復(fù)合加載試驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)某廠研發(fā)的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)如圖4所示[9]。

圖4 復(fù)合管四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置

據(jù)文獻(xiàn)[9]，某項(xiàng)目襯里復(fù)合管四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，結(jié)果說(shuō)明：1)在一定范圍內(nèi)基體鋼管與內(nèi)襯管之間接觸應(yīng)力越大，復(fù)合鋼管發(fā)生彈性彎曲時(shí)，內(nèi)襯管起皺或產(chǎn)生剝離的可能性越低。2)內(nèi)襯復(fù)合鋼管彎曲時(shí)，當(dāng)超過(guò)其彈性極限，內(nèi)襯管產(chǎn)生起皺、剝離、鼓包是正?，F(xiàn)象，但內(nèi)襯材料塑性較好，不會(huì)因鼓脹發(fā)生開(kāi)裂。

早期，我國(guó)海上鋪管依靠國(guó)外施工完成，近年來(lái)伴隨我國(guó)造船技術(shù)提高，陸續(xù)自主建造海上鋪管作業(yè)船。挪威、巴西、意大利、美國(guó)等國(guó)家在深水海底管線安裝設(shè)備及技術(shù)方面都處于國(guó)際領(lǐng)先水平。目前，我國(guó)中深水海底管線安裝技術(shù)還處于起步階段。與國(guó)外中深水技術(shù)相比較差距明顯，國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)南海石油資源的開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略發(fā)展有一定的借鑒作用。對(duì)于300 m以內(nèi)的中深水，海底管道施工借鑒了灘淺海施工方法與經(jīng)驗(yàn)，但工藝流程與灘淺海不盡相同，需要更可靠的施工裝備和更成熟的技術(shù)來(lái)提供支持[11]。

表1 某項(xiàng)目用X65+316L襯里復(fù)合管四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

管線焊接的施工方式經(jīng)歷了手工電弧焊下向焊工藝、半自動(dòng)焊工藝和全自動(dòng)焊工藝等三個(gè)階段；20世紀(jì)70年代以后，GMAW自動(dòng)焊在管道施工中的應(yīng)用發(fā)展很快，已經(jīng)逐步成為目前主流的管線鋪設(shè)焊接方法。法國(guó)SeriMax和美國(guó)CRC-Evans是海底管線安裝自動(dòng)焊接設(shè)備的二家主要供應(yīng)商。

隨著海底管道建設(shè)使用的鋼管的強(qiáng)度等級(jí)的提高， 管徑和壁厚的增大及施工條件惡劣， 在海底管線鋪設(shè)過(guò)程中開(kāi)始向自動(dòng)化、系統(tǒng)化方向發(fā)展。目前，我國(guó)100 m及以上水深鋪管船有勝利902鋪管船(最大水深100 m)、藍(lán)疆鋪管船(最大水深150 m)、HYSY201鋪管船(最大水深3000 m)、HYSY202鋪管船(最大水深300 m)、中石油管道局CPP601鋪管船(最大水深150 m)以及海隆106號(hào)(最大水深300 m)共7艘。其中勝利902鋪管船、藍(lán)疆鋪管船、HYSY201鋪管船、HYSY202鋪管船等4艘配備了SeriMax公司生產(chǎn)的SATURNAX 05雙焊炬全位置自動(dòng)焊接設(shè)備，CPP601配備了CRC-Evans多頭氣體保護(hù)管道自動(dòng)焊接設(shè)備，海隆106號(hào)為2014年交付配備了S-型鋪管作業(yè)系統(tǒng)和TIP TIG全自動(dòng)焊接焊接系統(tǒng)[28,29]。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)南海、東海等高腐蝕苛刻環(huán)境海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)，海底管線鋪設(shè)逐漸已經(jīng)逐步向深海(500 m以上)發(fā)展。目前，與國(guó)外知名的Allseas、Subsea等公司相比，我國(guó)鋪管船數(shù)量、裝備先進(jìn)程度、焊接檢驗(yàn)技術(shù)、安裝技術(shù)等都有較大差距。關(guān)于海洋油氣用耐蝕合金雙金屬?gòu)?fù)合管的安裝、焊接、我國(guó)自行建造安裝的項(xiàng)目尚為甚少，技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累相對(duì)不足，關(guān)于整管彎曲試驗(yàn)、整管拉伸試驗(yàn)、海上安裝模擬試驗(yàn)研究非常少見(jiàn)，因此這些課題或方向應(yīng)該是今后海洋油氣輸送用耐蝕合金雙金屬?gòu)?fù)合管安裝鋪設(shè)主要研究和發(fā)展趨勢(shì)。

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Research on Status and Prospects of Installation of Bimetallic CRA Pipes for Offshore Oil and Gas

YANG Zhuanzhao1, WEI Weirong2, LIU Tengyue, WANG Gaofeng1, LI Anqiang1, LU Weizhuo1

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China；2.ShenzhenBranchofCNOOC，Shenzhen518067,China；3ChinaPetroleumTechnology&DevelopmentCorporation,Beijing100101,China)

As the oil and gas development turns to the more corrosive source with high temperature and high pressure, the Corrosion Resistant Alloy (CRA) clad or line pipes are utilized in the development of offshore oil and gas both in domestic and aboard. The pipe installations for the offshore are introduced with the matters needed attentions for the CRA clad or line pipes. Meanwhile, the application status of the installation of the CRA clad or line pipes for submarine oil and gas transmission at home and abroad are reviewed and analyzed, and the advice and development trend for the installation of the CRA clad or line pipes are proposed.

offshore oil and gas; corrosion resistant alloy; clad pipes; line pipes; submarine pipeline installation

陜西省青年科技新星項(xiàng)目(編號(hào)2015KJXX-73)。

楊專釗，男，1979年生，高級(jí)工程師，2004年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)主要從事油氣輸送管道工程管材及設(shè)備監(jiān)理、技術(shù)支持與咨詢服務(wù)。E-mail：yangzhuanzhao@cnpc.com.cn

TE832

A

2096-0077(2017)02-0005-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.02.002

2016-08-16 編輯：馬小芳)