新型補(bǔ)口工藝在海底管道鋪設(shè)中的應(yīng)用

劉有利， 熊 睿， 袁舉洋， 洪 森

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

新型補(bǔ)口工藝在海底管道鋪設(shè)中的應(yīng)用

劉有利， 熊 睿， 袁舉洋， 洪 森

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)海底管道的鋪設(shè)多采用手工補(bǔ)口，效率較低，而熱收縮帶補(bǔ)口施工質(zhì)量會(huì)影響補(bǔ)口的長(zhǎng)期可靠性。針對(duì)手工補(bǔ)口存在施工困難以及補(bǔ)口質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，研究并引進(jìn)新型機(jī)械化補(bǔ)口設(shè)備。通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，機(jī)械化補(bǔ)口設(shè)備能完成噴砂、預(yù)熱、收縮、回火等工序的自動(dòng)化操作，有效保證了熱收縮帶作為主涂層補(bǔ)口材料的安裝質(zhì)量，提高了補(bǔ)口效率，從而節(jié)省了大量的工程成本。

海底管道；補(bǔ)口；熱縮帶

0 引 言

海底管道是海上油氣田開發(fā)的主要設(shè)施之一，2013年中國(guó)海洋石油公司依靠自有船舶已鋪設(shè)海管600多千米，業(yè)務(wù)量巨大。海上施工最大的成本消耗是施工船舶，鋪管船每天的成本動(dòng)輒上百萬(wàn)。因此提高海上作業(yè)效率，降低鋪設(shè)海底管道時(shí)間，是最有效降低成本的方法。在常規(guī)淺水領(lǐng)域，與國(guó)際海管鋪設(shè)相比，國(guó)內(nèi)的鋪設(shè)效率存在較大差距。例如在荔灣項(xiàng)目淺水鋪設(shè)中，使用我司海洋石油202和國(guó)際上租用的G1201船進(jìn)行常規(guī)海管的鋪設(shè)，在G1201比海洋石油202多一個(gè)焊接作業(yè)站的情況下，海洋石油202的日鋪設(shè)效率平均為80根/天，而G1201船日鋪設(shè)效率平均為160根/天?？梢姡夜句伖艽逝c國(guó)外公司的相比存在較大差距[1]。

國(guó)外先進(jìn)公司對(duì)節(jié)點(diǎn)的涂敷理念相對(duì)準(zhǔn)確，對(duì)節(jié)點(diǎn)的涂敷性能提到與主涂層性能完全匹配的程度。大部分都是采用4個(gè)左右防腐工作站來進(jìn)行節(jié)點(diǎn)涂敷，表面處理均采用噴砂機(jī)械設(shè)備，熱縮帶加熱收縮均采用中頻感應(yīng)加熱設(shè)備。噴砂+中頻加熱設(shè)備已經(jīng)成為海管涂覆工作站的標(biāo)配。而國(guó)內(nèi)前幾年還采用傳統(tǒng)手工施工工藝，如海洋石油202船于2011年鋪設(shè)完成的麗水項(xiàng)目長(zhǎng)達(dá)100km的海底管道時(shí)，采用動(dòng)力工具除銹進(jìn)行表面處理；采用噴槍加熱管道和熱縮帶[2]。

為提升國(guó)內(nèi)海洋石油工程鋪設(shè)管道效率，針對(duì)國(guó)內(nèi)外對(duì)海管節(jié)點(diǎn)補(bǔ)口技術(shù)的差異，新工藝、新方法需要逐步取代傳統(tǒng)工藝。本文介紹新型補(bǔ)口工藝在海底管道鋪設(shè)中的應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，采用新工藝可提高補(bǔ)口效率，節(jié)省工程成本。

1 熱縮帶手工補(bǔ)口技術(shù)

我國(guó)傳統(tǒng)單層配重海底管道其節(jié)點(diǎn)防腐施工步驟如下。

(1) 表面處理： 海管節(jié)點(diǎn)在焊接及NDT檢驗(yàn)完成后進(jìn)行防腐施工，預(yù)熱節(jié)點(diǎn)使其溫度至少高于露點(diǎn)溫度5℃以便去除水汽，之后對(duì)管材進(jìn)行預(yù)處理去除表面的油脂等雜物，并采用動(dòng)力工具進(jìn)行打磨，使表面處理等級(jí)達(dá)到St3的要求。

(2) 預(yù)熱： 使用噴槍預(yù)熱節(jié)點(diǎn)區(qū)域表面溫度超過90℃。預(yù)熱不足會(huì)導(dǎo)致熱縮帶產(chǎn)生附著力不足及黏接性能失效等缺陷。

(3) 熱縮帶涂覆： 將熱縮帶除去內(nèi)襯的一端放置在海管節(jié)點(diǎn)的10點(diǎn)或2點(diǎn)位置，使熱縮帶寬松纏繞在海管節(jié)點(diǎn)上，按產(chǎn)品說明書要求對(duì)其均勻加熱并用滾輪擠出熱縮帶內(nèi)氣泡。安裝完后需對(duì)其進(jìn)行外觀檢驗(yàn)，要求熱縮帶完全附著在管體上，并在熱縮帶兩邊邊緣一圈位置都可以看見黏接劑均勻溢出，不允許且熱縮帶出現(xiàn)開裂和孔洞。待溫度降至90℃以下，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱縮帶進(jìn)行漏涂點(diǎn)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)漏涂點(diǎn)后需用專門的修補(bǔ)材料進(jìn)行修補(bǔ)。

(4) 發(fā)泡填充： 采用鐵皮點(diǎn)焊兩端并裹在混凝土配重層上，采用氣槍將發(fā)泡的混合組分打入熱縮帶與混凝土層之間的縫隙里，檢查其均勻性，等發(fā)泡結(jié)束后通知船舶走船，整個(gè)流程即全部完成。

手工補(bǔ)口操作對(duì)工人的熟練程度和施工技術(shù)有很高的要求，在管徑較大時(shí)，手工補(bǔ)口產(chǎn)生的缺陷會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量安全隱患。

我公司鋪管船水平與國(guó)際上同類鋪管船相比有一定的差距，如第一步的表面處理，根據(jù)SSPC SP 6/NACE NO.3標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)St3(非常徹底的手工和動(dòng)力工具除銹)金屬表面處理要求的描述： 鋼材表面應(yīng)無(wú)可見的油脂和污垢，并且沒有附著不牢的氧化皮、鐵銹和油漆涂層等附著物。底材顯露部分表面應(yīng)具有金屬光澤。采用動(dòng)力工具打磨，如果嚴(yán)格達(dá)到規(guī)格要求的St3等級(jí)至少需要20～30min，這將造成船舶施工工期急劇增加，大大降低了利潤(rùn)和競(jìng)爭(zhēng)力，因此在實(shí)際操作過程中，不可能在某一站耗費(fèi)太長(zhǎng)的時(shí)間，大部分狀況都是勉強(qiáng)達(dá)到要求就走管。表面處理質(zhì)量欠佳，使得涂敷工序費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而采用噴槍加熱也使得熱縮帶受熱不均勻，結(jié)合力不好，由此涂覆質(zhì)量難以保證，最終將難以保證海底管道較長(zhǎng)的服役壽命。圖1為來自實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工中經(jīng)電動(dòng)工具打磨后被認(rèn)為合格的金屬表面[3—4]。圖2為預(yù)制作業(yè)線內(nèi)管焊接站與手工噴槍加熱熱收縮帶。

圖1 傳統(tǒng)手工打磨方法處理的補(bǔ)口表面Fig.1 Traditional manually polished surface after field girth welding

圖2 預(yù)制作業(yè)線內(nèi)管焊接站與手工噴槍加熱熱收縮帶Fig.2 Heating shrink for HSS at carrier pipe welding station

2 機(jī)械化補(bǔ)口工藝方法

隨著海管鋪設(shè)量增多，更大管徑的海管需求增加，手工方法的不足逐漸突顯出來。機(jī)械化替代手工成為必然的趨勢(shì)。

通過研究補(bǔ)口施工過程的技術(shù)特點(diǎn)，相應(yīng)的機(jī)械化設(shè)備能直接完成表面處理到熱收縮帶熱處理修補(bǔ)全過程。新型機(jī)械化設(shè)備由密閉噴砂裝備、中頻加熱設(shè)備、紅外加熱裝置、配套動(dòng)力行走裝備和檢測(cè)系統(tǒng)組成[5]。

2.1 表面處理設(shè)備及方法

表面處理采用噴砂的方法。常用的噴砂機(jī)是利用壓縮空氣將砂粉顆粒從儲(chǔ)砂罐輸送到待拋光物體的表面，通過噴砂改善物體表面的粗糙狀態(tài)。真空噴砂機(jī)是國(guó)內(nèi)先進(jìn)的噴砂設(shè)備，被定為涂裝噴砂行業(yè)更新?lián)Q代的產(chǎn)品。它在整個(gè)噴砂作業(yè)過程中利用真空技術(shù)將砂料灰塵全部回收，經(jīng)過自動(dòng)分離，砂料參加再作業(yè)，灰塵收入粉塵筒，是環(huán)境保護(hù)和勞動(dòng)保護(hù)的雙保產(chǎn)品。真空噴砂機(jī)廣泛應(yīng)用于船舶、石油化工、車輛及工業(yè)制造中金屬結(jié)構(gòu)件、焊接件表面涂漆前、鍍層前的清理、清理氧化皮(即銹蝕)污垢、焊渣等。不同的加工對(duì)象可以更換不同形式的回收頭，可以噴各種平面、各種角度面、內(nèi)外圓弧面、各種形狀的凸凹面。圖3為噴砂設(shè)備及噴砂后節(jié)點(diǎn)表面。但是針對(duì)管道接頭的噴砂除銹工藝，就需要對(duì)噴嘴架安置輔助機(jī)構(gòu)，才能完成在一定長(zhǎng)度內(nèi)的360°表面自動(dòng)噴砂除銹的任務(wù)。密閉自動(dòng)噴砂除銹能確保管口處理的一致性和可靠性，在保證質(zhì)量的同時(shí)，最大限度地減輕操作人員的工作強(qiáng)度。自動(dòng)除銹的技術(shù)參數(shù)主要為： 除銹速率2～33mm/s；除銹寬度300～600mm/s；除銹等級(jí)Sa2.5。

圖3 噴砂設(shè)備及噴砂后節(jié)點(diǎn)表面Fig.3 Abrasive blasting equipment and pipeline surface after blasting

2.2 熱收縮帶加熱

中頻感應(yīng)加熱(見圖4)是利用中頻電流的電磁感應(yīng)加熱原理進(jìn)行工業(yè)金屬零件表面熱處理、金屬熔煉、彎管等，在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)是一種成熟的工藝技術(shù)，在我國(guó)現(xiàn)也得到了廣泛的應(yīng)用。而應(yīng)用于陸地天然氣管道和海底管道現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)口涂裝的中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)，國(guó)外已成功研制并得到應(yīng)用(如意大利TESI公司的Induction Heating Generators產(chǎn)品)，整套系統(tǒng)的費(fèi)用昂貴，但國(guó)內(nèi)對(duì)該系統(tǒng)在海管補(bǔ)口工況中的技術(shù)和應(yīng)用研究較少，沒有適合應(yīng)用于雙金屬?gòu)?fù)合海管補(bǔ)口工況的中頻電源和感應(yīng)線圈產(chǎn)品。在理論研究方面，國(guó)內(nèi)一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)對(duì)鍛坯、管道、焊縫等感應(yīng)加熱的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究和數(shù)值模擬，取得了一定的理論和分析成果，為該技術(shù)的應(yīng)用提供了一定的技術(shù)支持[6—7]。

圖4 中頻感應(yīng)加熱Fig.4 Medium frequency induction heating

通過對(duì)船舶施工人員咨詢以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我公司鋪管的船舶有足夠的空間，經(jīng)過適當(dāng)?shù)母脑旌驼{(diào)整，應(yīng)能留出空間進(jìn)行設(shè)備的安裝。

2.3 工藝流程

典型的單層帶混凝土配重鋼管施工鋪設(shè)流程如圖5所示，需要說明的是，各個(gè)工作站同時(shí)進(jìn)行工作，各工作站任務(wù)全部完成后方可走管，因此鋪管效率受制于花費(fèi)時(shí)間最長(zhǎng)的工作站。海上管道現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的施工中，對(duì)于施工質(zhì)量和施工速度影響最大的就是對(duì)鋼管表面的處理過程，該施工過程占據(jù)1～2個(gè)工位，施工耗時(shí)在8～12min，涉及的設(shè)備多，工藝步驟多，受外界環(huán)境影響因素比較大，但是，其主要目的卻非常單一： 即鋼管表面處理的質(zhì)量能否達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 海管鋪設(shè)流程Fig.5 Pipeline laying flow chart

3 補(bǔ)口技術(shù)對(duì)比

節(jié)點(diǎn)防腐設(shè)備主要是動(dòng)力工具和噴槍加熱設(shè)備，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)其生產(chǎn)力低下，效果不好。用動(dòng)力工具表面除銹處理往往不合格，不能滿足要求；噴槍預(yù)熱節(jié)點(diǎn)溫度不達(dá)標(biāo)，且不容易控制。兩方面的影響造成了鋪管效率與質(zhì)量的下降，而且施工人員根本意識(shí)不到此操作的危害性，造成后續(xù)的安全隱患。

圖6比較了噴砂除銹后Sa2.5級(jí)金屬表面和St3等級(jí)金屬表面。從圖片對(duì)比中可以看到，實(shí)際操作中使用電動(dòng)工具打磨的方法進(jìn)行表面處理只能達(dá)到St3等級(jí)，無(wú)法進(jìn)行環(huán)氧底漆的涂刷，只能采用低等級(jí)的瀝青類涂附材料。而且打磨后的表面清潔度及殘留銹蝕程度參差不齊，完全依賴于作業(yè)工人的技術(shù)水平責(zé)任心，也為節(jié)點(diǎn)涂附質(zhì)量埋下隱患。因此迫切需要引進(jìn)先進(jìn)的噴砂設(shè)備來取代傳統(tǒng)的動(dòng)力工具打磨的表面處理方式[8]。

圖6 噴砂除銹后Sa2.5級(jí)金屬表面和St3等級(jí)金屬表面的對(duì)照Fig.6 Comparison of Sa2.5 and St3 surface after blasting

采用噴砂工作站和熱縮帶安裝工作站則遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于自動(dòng)焊接的時(shí)間，熱縮帶安裝站更是僅需2min即可完成。效率的提高是傳統(tǒng)動(dòng)力工具打磨和噴槍加熱不可比擬的。因此可以得出結(jié)論： 通過采用先進(jìn)的噴砂和中頻加熱設(shè)備，能夠極大提高海管節(jié)點(diǎn)涂覆的質(zhì)量和速度。

4 結(jié) 語(yǔ)

國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)手工補(bǔ)口工藝對(duì)工人技術(shù)要求較高，效率較低，在較大生產(chǎn)量的情況下，可能產(chǎn)生質(zhì)量安全隱患。將新型密閉自動(dòng)除銹、中頻加熱配合機(jī)械化補(bǔ)口流水作業(yè)的技術(shù)應(yīng)用在海洋石油工程防腐補(bǔ)口領(lǐng)域，保證了表面處理、預(yù)熱、收縮、回火等質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)的可控性和穩(wěn)定性。多工位流水作業(yè)極大提高了鋪管船工作效率，能為海上油氣開發(fā)節(jié)省大量成本。目前我國(guó)海底管道已基本實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)口技術(shù)自動(dòng)化，剔除了人為因素的干擾，機(jī)械化補(bǔ)口技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用將為我國(guó)海上油氣管道輸送提供安全保障，確保海底管道長(zhǎng)時(shí)間的服役要求。

[1] Paris P C, Erdogan F.A critical analysis of crack propagation laws [J]. Journal of Basic Engineering, 1963,85(4)： 528.

[2] 相政樂，王銘浩，賈振. 國(guó)外管道防腐涂敷中的化學(xué)預(yù)處理工藝[J].石油工程建設(shè)，2013，39(1)： 6.

Xiang Zheng-le, Wang Ming-hao, Jia Zhen. The chemical pre-treatment in pipeline anticorrosion coating [J]. Petroleum Engineering Construction, 2013,39(1)： 6.

[3] 羅鋒，王國(guó)麗，竇鵬，等.管道熱收縮帶補(bǔ)口失效原因分析及相關(guān)對(duì)策研究[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2012，23(1)： 11.

Luo Feng, Wang Guo-li, Dou Peng, et al. The failure analysis and strategy study of heat shrink sleeve of pipeline field joint coating [J]. Petroleum Planning and Design, 2012,23(1)： 11.

[4] 陳洪源，劉玲莉，趙君，等.三層PE管道熱收縮帶失效原因[J].管道與防護(hù)，2010，31(2)： 154.

Chen Hong-yuan, Liu Ling-li, Zhao Jun, et al. The failure analysis of 3LPE heat shrink sleeve [J]. Protection on Oil & Gas Pipeline, 2010,31(2)： 154.

[5] 潘紅麗，王洪濤，蔡培培，等.熱收縮帶補(bǔ)口加熱機(jī)具的研制[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2010，29(5)： 373.

Pan Hong-li, Wang Hong-tao, Cai Pei-pei, et al. Development of heating equipment for heat shrink sleeve in field joint coating [J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2010,29(5)： 373.

[6] 葉春艷，董斌，周號(hào)，等.熱收縮帶中頻加熱補(bǔ)口施工技術(shù)[J].石油工程建設(shè)，2012，38(5)： 49.

Ye Chun-yan, Dong Bin, Zhou Hao, et al. The technology of intermediate frequency heating for heat shrink sleeve [J] Petroleum Engineering Construction, 2012,38(5)： 49.

[7] 王林章.中頻感應(yīng)加熱在管道外補(bǔ)口中的應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)，1987，13(1)： 21.

Wang Lin-zhang. The application of intermediate frequency heating in field joint coating of pipeline [J]. Petroleum Engineering Construction, 1987,13(1)： 21.

[8] 周武德.3PE管道補(bǔ)口極化處理技術(shù)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，30(3)： 213.

Zhou Wu-de. The polarization treatment technology of field joint coating for 3PE pipeline [J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2011,30(3)： 213.

ApplicationofNewFieldJointCoatingProcesstoSubseaPipelineLaying

LIU You-li, XIONG Rui, YUAN Ju-yang, HONG Sen

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

The traditional field joint coating (FJC) is applied by manual process, which shows low efficiency and affects the long-term reliability due to the unstable quality for heat shrinkable sleeve (HSS). Since the manual FJC was unsatisfying, more advanced equipment emerged. The practice from project shows that the FJC installation machinery could accomplish the automation of blast cleaning, preheating, shrinking and post heating, which guarantees the quality of the HSS and reduces the cost of offshore installation.

ubsea pipeline; field joint coating; heat shrinkable sleeve

2017-04-07

劉有利(1982—)，男，碩士，工程師，主要從事防腐設(shè)計(jì)方面的研究。

TE973；TE53

A

2095-7297(2017)03-0168-05