機(jī)械管卡在海底管道維搶修中的應(yīng)用

任躍龍* 杜應(yīng)軍 張宏強(qiáng)

（海洋石油工程股份有限公司）

海底管道腐蝕、機(jī)械損傷、穿孔泄漏等各種管道損傷層出不窮，據(jù)統(tǒng)計(jì)每1 000 km 管道每年出現(xiàn)的損傷和泄漏概率為2%[1-2]。機(jī)械管卡在海底管道內(nèi)/外腐蝕、輕微變形、穿孔泄漏等損傷修復(fù)工作中具有使用方便、快捷，所用船舶小、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，有著不可替代的作用。本文闡述了國(guó)產(chǎn)機(jī)械管卡（簡(jiǎn)稱“管卡”）在海底管道損傷修復(fù)中的作用及方法。本文闡述的機(jī)械修復(fù)方法適用于60 m 以內(nèi)水深的施工作業(yè)，且損傷點(diǎn)附近管道橢圓度及直度滿足卡具安裝要求。圖1 為2 種常用的國(guó)產(chǎn)機(jī)械管卡。

1 機(jī)械管卡修復(fù)范圍

國(guó)產(chǎn)機(jī)械管卡多用于管道泄漏點(diǎn)（包括腐蝕穿孔、機(jī)械損傷穿孔等）和缺陷點(diǎn)（包括因腐蝕造成的管壁金屬缺失、軸向或周向凹痕等）的修復(fù)工作[3]。機(jī)械管卡維修要求管道上安裝管卡段變形應(yīng)處于管卡精度允許范圍內(nèi)。

圖1 2種常用的國(guó)產(chǎn)機(jī)械管卡

2 機(jī)械管卡維修方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)流程

海底管道機(jī)械管卡維修方案設(shè)計(jì)前應(yīng)明確海底管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和施工環(huán)境參數(shù)。海底管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括管道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、安裝數(shù)據(jù)和檢測(cè)數(shù)據(jù)；施工環(huán)境參數(shù)包括施工海域水深、潮流及工程地質(zhì)條件。圖2為機(jī)械管卡維修方案設(shè)計(jì)流程。

圖2 機(jī)械管卡維修方案設(shè)計(jì)流程

2.2 海底管道缺陷點(diǎn)/漏點(diǎn)維修方案設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

海底管道缺陷點(diǎn)機(jī)械管卡的維修方案設(shè)計(jì)時(shí)需要參考以下資料：（1）海底管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括詳細(xì)設(shè)計(jì)、安裝設(shè)計(jì)以及管道鋪設(shè)完工資料；（2）海底管道鋪設(shè)打點(diǎn)記錄；（3）海底管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)；（4）海底管道外檢測(cè)數(shù)據(jù)；（5）海底管道路由圖；（6）施工海域環(huán)境參數(shù)。

根據(jù)上述資料來(lái)確定管道的相關(guān)數(shù)據(jù)，明確以下施工參數(shù)：（1）管道規(guī)格參數(shù)，如管道類(lèi)型、外徑、壁厚、材質(zhì)、水泥配重層及防腐層參數(shù)等；（2）管道運(yùn)行參數(shù)，如運(yùn)行壓力、流量和溫度等；（3）管道鋪設(shè)打點(diǎn)記錄信息，如管道鋪設(shè)時(shí)各焊縫的經(jīng)緯度坐標(biāo)；（4）管道內(nèi)檢測(cè)參數(shù)，如缺陷點(diǎn)尺寸、位置、腐蝕深度等；（5）管道外檢測(cè)參數(shù)，如管道實(shí)際路由、埋深、懸跨及管道附近的地形地貌等；（6）環(huán)境參數(shù)，如水深、潮流、涌浪和氣象等。

2.2.2 缺陷點(diǎn)定位

缺陷點(diǎn)定位方法如下：將管道內(nèi)檢測(cè)報(bào)告和管道鋪設(shè)打點(diǎn)記錄作為基礎(chǔ)資料，內(nèi)檢測(cè)報(bào)告中的管道編號(hào)應(yīng)和鋪設(shè)打點(diǎn)記錄中的管道編號(hào)一一對(duì)應(yīng)，從鋪設(shè)打點(diǎn)記錄中查找缺陷點(diǎn)的大地坐標(biāo)。圖3 為鋪設(shè)打點(diǎn)記錄結(jié)合內(nèi)檢測(cè)報(bào)告推算原理圖。

圖3 鋪設(shè)打點(diǎn)記錄結(jié)合內(nèi)檢測(cè)報(bào)告推算原理圖

2.2.3 泄漏點(diǎn)定位方法

泄漏點(diǎn)定位方法主要包括染色劑觀測(cè)法和氮?dú)庥^測(cè)法2 種。查找過(guò)程中應(yīng)參考《中華人民共和國(guó)海洋環(huán)境保護(hù)法》和《中華人民共和國(guó)海洋石油勘探開(kāi)發(fā)環(huán)境保護(hù)管理?xiàng)l例》，并根據(jù)《海洋工程設(shè)計(jì)手冊(cè)——海上溢油防治分冊(cè)》中的相關(guān)程序來(lái)開(kāi)展防溢油作業(yè)。

（1）染色劑觀測(cè)法

作業(yè)人員向管道內(nèi)注入染色劑，然后觀測(cè)船沿管道路由查找染色劑溢出位置，初步判定管道泄漏位置，該方法適用于查找輸油管道、混輸管道或輸水管道的泄漏點(diǎn)。

（2）氮?dú)庥^測(cè)法

作業(yè)人員向管道內(nèi)注入氮?dú)猓缓笥^測(cè)船沿管道路由查找氣泡逸出位置，初步判定管道泄漏位置，該方法適用于查找輸氣管道、泄漏點(diǎn)距離平臺(tái)較近的輸油或輸水管道。

2.2.4 施工設(shè)計(jì)

使用機(jī)械管卡修復(fù)管道損傷時(shí)涉及船舶就位、作業(yè)坑開(kāi)挖、涂層清理等工序，需要相應(yīng)的設(shè)備予以支持。圖4 為機(jī)械管卡修復(fù)施工流程圖。

圖4 機(jī)械管卡修復(fù)施工流程圖

船舶及主要設(shè)備材料選型情況如下：

（1）船舶選型

船舶選型需根據(jù)施工海域作業(yè)水深，施工季節(jié)及海況等條件確定。

a） 基本要求

該船舶類(lèi)型為起重船，船體長(zhǎng)度不小于50 m，船身寬度不小于15 m，可用的甲板面積不小于500 m2，甲板承載力不小于5 t/m2，其吊裝能力不應(yīng)小于100 t。

b） 錨泊能力要求

定位錨數(shù)量不少于6 個(gè)，定位錨機(jī)能力不小于15 t，定位錨能力不小于3 t，詳細(xì)參數(shù)應(yīng)根據(jù)船舶穩(wěn)性分析計(jì)算確定。

c） 安全救生設(shè)備及消防設(shè)備要求

安全救生設(shè)備應(yīng)配備齊全，主要包括救生筏、救生圈、拋繩設(shè)備等；消防設(shè)備也應(yīng)配備齊全，主要包括主消防泵、應(yīng)急消防泵等。

d） 居住艙室要求

居住艙室應(yīng)可允許居住30 人以上。

（2）主要設(shè)備選型

a） 開(kāi)挖設(shè)備

開(kāi)挖設(shè)備主要用于管道挖溝暴露及缺陷點(diǎn)位置作業(yè)坑定點(diǎn)開(kāi)挖。開(kāi)挖設(shè)備采用非接觸式噴沖挖溝機(jī)，開(kāi)挖作業(yè)能力不應(yīng)小于300 m3/h。

b） 高壓水涂層清理設(shè)備

高壓水涂層清理設(shè)備主要用于缺陷點(diǎn)位置管道表面涂層清理工作（如水泥配重層、3PE 防腐層等），工作壓力不小于1 100 MPa。

c） 超聲波測(cè)厚設(shè)備

超聲波測(cè)厚設(shè)備主要用于測(cè)量缺陷點(diǎn)位置管道壁厚，確定缺陷點(diǎn)位置及剩余壁厚，超聲波測(cè)厚設(shè)備的精度為0.01 mm。

d） 試壓設(shè)備

試壓設(shè)備主要用于管卡內(nèi)腔試壓，試壓介質(zhì)為淡水，試壓設(shè)備的量程需大于管道運(yùn)行壓力值，其精度可以達(dá)到0.01 MPa。

（3）機(jī)械管卡選型

目前國(guó)產(chǎn)機(jī)械管卡材質(zhì)多為16Mn；機(jī)械管卡防腐級(jí)別為FBE-400 μm，永久機(jī)械管卡焊接時(shí)需要犧牲陽(yáng)極，確保管卡壽命不小于管道使用壽命；機(jī)械管卡磅級(jí)應(yīng)和管道相同；密封橡膠設(shè)計(jì)壽命應(yīng)不小于25 年，并具備國(guó)家權(quán)威機(jī)構(gòu)提供的橡膠老化試驗(yàn)合格證書(shū)；機(jī)械管卡尺寸設(shè)計(jì)值需根據(jù)內(nèi)檢測(cè)報(bào)告中的缺陷點(diǎn)數(shù)量及相對(duì)位置確定。

（4）防腐材料選型

水下裸露管段使用高分子防腐材料；防腐材料類(lèi)型選取應(yīng)根據(jù)缺陷點(diǎn)具體情況及防腐材料特性確定；根據(jù)管道外徑、缺陷點(diǎn)及管卡安裝數(shù)量來(lái)計(jì)算防腐材料涂敷量；施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)進(jìn)行操作，確保防腐質(zhì)量。

2.3 機(jī)械管卡修復(fù)缺陷點(diǎn)程序

2.3.1 缺陷點(diǎn)查找確認(rèn)

施工船舶缺陷點(diǎn)上方拋錨就位后，開(kāi)展缺陷點(diǎn)的查找確認(rèn)工作，主要流程如下：a）使用開(kāi)挖設(shè)備挖溝暴露管道；b）潛水員在開(kāi)挖溝槽內(nèi)尋找缺陷點(diǎn)所在管段；c）在缺陷點(diǎn)位置定點(diǎn)開(kāi)挖作業(yè)坑，其尺寸應(yīng)滿足潛水員施工要求，圖7 為施工作業(yè)面開(kāi)挖尺寸；d）潛水員使用高壓水涂層清理設(shè)備清理缺陷點(diǎn)位置管道表面涂層，直至露出光管為止；e）潛水員應(yīng)采用近距離觀測(cè)的方法查找并確認(rèn)外腐蝕缺陷點(diǎn)位置及缺陷情況，并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)；f）潛水員應(yīng)使用超聲波測(cè)厚設(shè)備查找確認(rèn)內(nèi)腐蝕缺陷點(diǎn)位置及剩余壁厚，并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)；g）將實(shí)測(cè)的缺陷點(diǎn)位置和腐蝕深度等信息與內(nèi)檢測(cè)報(bào)告信息進(jìn)行對(duì)比，最終確認(rèn)缺陷點(diǎn)。

2.3.2 橢圓度及直度測(cè)量

潛水員使用橢圓度測(cè)量?jī)x對(duì)機(jī)械管卡密封位置進(jìn)行橢圓度測(cè)量，確保管卡密封部位的管道橢圓度誤差不超過(guò)管道外徑的1%。

潛水員使用水平尺對(duì)管卡安裝位置進(jìn)行直度測(cè)量。水平尺長(zhǎng)度不小于機(jī)械管卡總長(zhǎng)度，分別在管道圓周方向均勻選取4 個(gè)點(diǎn)（如時(shí)鐘0 點(diǎn)、3 點(diǎn)、6 點(diǎn)、9 點(diǎn)位置），使用水平尺貼合管道外壁檢查海管直度，管體與水平尺距離不應(yīng)超過(guò)1.5 mm。

2.3.3 機(jī)械管卡安裝

卡具安裝步驟如下：a）潛水員在安裝管卡的管段上做限位標(biāo)記；b）甲板人員為管卡配扣，使管卡處于打開(kāi)狀態(tài)；c）潛水員指揮船舶吊機(jī)將管卡調(diào)整至管道上方，使其上半部貼合管道上側(cè)面，使其端面緊貼限位標(biāo)記；d）潛水員確認(rèn)管卡安裝位置正確后，閉合管卡下半部分，并穿上全部螺栓；e）潛水員通過(guò)對(duì)稱擰緊原則，從中間向兩側(cè)擰緊螺栓，先使用棘輪扳手對(duì)螺栓進(jìn)行初步預(yù)緊，然后使用加力設(shè)備（如液壓扳手、液壓拉伸器等）對(duì)螺栓對(duì)稱均勻加力，直到管卡閉合后的軸向間隙達(dá)到使用說(shuō)明書(shū)中的間隙標(biāo)準(zhǔn)為止。圖5 為螺栓預(yù)緊加力順序示意圖。

圖5 螺栓預(yù)緊加力順序示意圖

2.3.4 機(jī)械管卡試壓

機(jī)械管卡安裝完成后，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行壓力試驗(yàn)，驗(yàn)證安裝的有效性，具體步驟如下：a）潛水員將試壓軟管連接到機(jī)械管卡的試壓孔上；b）甲板人員使用試壓泵向管卡內(nèi)注水升壓。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)壓力選取標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合缺陷情況及管卡設(shè)計(jì)參數(shù)確定試壓壓力，穩(wěn)壓時(shí)間為30 / min；c）在穩(wěn)壓過(guò)程中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，若壓降小于4‰，說(shuō)明試壓合格；d）試壓合格后，潛水員回收試壓軟管，封堵試壓孔。

2.3.5 防腐處理

機(jī)械管卡安裝完成后，需對(duì)其兩側(cè)的裸露管段進(jìn)行防腐處理。防腐材料的涂敷步驟如下：a）甲板人員根據(jù)使用說(shuō)明書(shū)調(diào)制防腐材料；b）潛水員將已調(diào)制的防腐材料均勻涂敷在裸露管段上。

2.3.6 機(jī)械管卡保護(hù)

維修作業(yè)完成后，在作業(yè)坑內(nèi)用沙袋填滿管卡的四周，以便保護(hù)管卡的安全。管卡保護(hù)作業(yè)完成后，潛水員進(jìn)行檢查和潛水錄像，施工作業(yè)結(jié)束。

2.4 機(jī)械管卡修復(fù)泄漏點(diǎn)程序

2.4.1 泄漏點(diǎn)查找

（1）染色劑觀測(cè)法

使用染色劑觀測(cè)法查找泄漏點(diǎn)位置，施工步驟如下：a）作業(yè)人員在平臺(tái)端向管道內(nèi)注入染色劑；b）調(diào)查船沿著管道路由尋找染色劑在海面上的溢出位置；c）發(fā)現(xiàn)溢出位置后，立即根據(jù)《海洋工程設(shè)計(jì)手冊(cè) —— 海上溢油防治分冊(cè)》第四章節(jié)的溢油污染應(yīng)急處置程序開(kāi)展溢油防治工作；d）發(fā)現(xiàn)染色劑即可確定管道泄漏的初步位置，施工船舶在該位置拋錨就位；e）施工船舶就位后，使用開(kāi)挖設(shè)備挖溝暴露管道；f）潛水員沿著管道查找染色劑溢出位置；g）潛水員根據(jù)染色劑溢出位置判斷疑似泄漏點(diǎn)位置；h）潛水員在疑似漏點(diǎn)位置定點(diǎn)開(kāi)挖作業(yè)坑；i）潛水員清理疑似泄漏點(diǎn)的管道表面涂層，最終確定泄漏點(diǎn)位置。

（2）氮?dú)庥^測(cè)法

氮?dú)庥^測(cè)法查找泄漏點(diǎn)位置，施工步驟如下：a）作業(yè)人員在平臺(tái)端向管道內(nèi)注入氮?dú)?；b）調(diào)查船沿著管道路由尋找氣泡逸出位置；c）發(fā)現(xiàn)氣泡逸出位置即可確定管道泄漏的初步位置，施工船舶在該位置拋錨就位；d）后續(xù)步驟同染色觀則法的步驟e）～步驟i）。

2.4.2 管道試壓

使用機(jī)械管卡修復(fù)泄漏點(diǎn)的施工步驟與修復(fù)缺陷點(diǎn)步驟相同，兩者的不同之處在于管道試壓步驟。管道存在泄漏點(diǎn)，所以機(jī)械管卡安裝完成后管卡內(nèi)腔和管道內(nèi)部連通。對(duì)管線進(jìn)行整體試壓時(shí)時(shí)，緩慢分步提升管道內(nèi)壓力，潛水員檢查管卡狀態(tài)，當(dāng)壓力升高至生產(chǎn)壓力后進(jìn)行穩(wěn)壓，穩(wěn)壓過(guò)程中壓降小于4‰，且管卡狀態(tài)良好，說(shuō)明管卡安裝成功。

當(dāng)管道上存在多處泄漏點(diǎn)時(shí)，應(yīng)將機(jī)械管卡全部安裝完成后再對(duì)管線進(jìn)行整體試壓。

3 結(jié)論

機(jī)械管卡是針對(duì)管線內(nèi)外腐蝕、腐蝕穿孔、外力造成的穿孔泄漏等情況而研制的，能夠?qū)芫€進(jìn)行有效保護(hù)，且對(duì)施工資源要求較低，大大提高了施工效率，降低了整體工程造價(jià)，在海底管道應(yīng)急修復(fù)中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。