深水海管無潛機(jī)械連接維修技術(shù)

柳宇， 曲有杰， 黃海濱， 楊盛， 陳俊友

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳518067）

0 引 言

2005年，美國墨西哥灣在卡特里娜颶風(fēng)影響下發(fā)生102起油氣管線損壞事件。2006年，英國BP公司在美國阿拉斯加的油氣管道泄漏事件為當(dāng)?shù)貛砹藝?yán)重的災(zāi)難損失[1]。隨著我國海洋石油開發(fā)逐漸挺進(jìn)深水，深水海管鋪設(shè)長度不斷增加，管道破損泄漏的概率將逐漸增大，如何保障油氣管道安全輸送，是深水管道維修技術(shù)需要解決的問題。因此，需盡快開展深水海管維修技術(shù)研究，為我國深水油氣田開發(fā)保駕護(hù)航。

1 深水海管損壞類型及維修方式

根據(jù)海管的損傷程度、受損點(diǎn)所處位置及受損點(diǎn)周邊海床環(huán)境，可將海管損傷分為以下幾種：小泄漏、靠近鋼懸鏈立管的大泄漏、靠近管交叉處的大泄漏、大泄漏（海床斜坡角大于5°處發(fā)生管線大損壞）、短彎曲變形、長彎曲變形等。綜合考慮海管維修系統(tǒng)的能力、作業(yè)支持資源能力（例如船舶、吊機(jī)、潛水資源及水下機(jī)器人（ROV））等受限因素，表1列出海底管線可能出現(xiàn)的損壞類型及可供選擇的維修方式[2-3]。

目前國際上針對(duì)深水海管維修多采用海底維修模式，海底維修模式可根據(jù)海管受損程度分為夾具維修和管段更換維修，通常夾具維修用于管道小泄漏維修，管段更換維修用于海管大泄漏維修。管段更換維修包括以下兩種：1）海管機(jī)械連接維修，即利用機(jī)械連接器對(duì)海管破損段進(jìn)行整體更換回接的維修方法；2）海管水下焊接維修，即采用水下焊接技術(shù)進(jìn)行海管破損段更換焊接維修，這兩種維修方式中，海管機(jī)械連接維修有較多的工程應(yīng)用實(shí)例。對(duì)于海管機(jī)械連接維修可根據(jù)水深及是否有潛水資源參與可分為有潛機(jī)械連接維修和無潛機(jī)械連接維修。在深水海管維修中由于潛水資源無法參與，故只能采用無潛機(jī)械連接維修。根據(jù)更換的管段的端口面與海床是否垂直，無潛機(jī)械連接維修可分為垂向跨接管回接維修和水平膨脹彎回接維修[1]。

表1 海管損壞類型和可選維修方式

2 垂向跨接管回接維修

垂向跨接管回接由英國BP公司研發(fā)，是最早的深水海管維修技術(shù)，技術(shù)方案主要涉及垂向跨接管、彎轂組塊、彎轂管、導(dǎo)向架、龍門吊架、提管架等設(shè)施，如圖1所示。該技術(shù)主要特點(diǎn)是通過垂向跨界管進(jìn)行連接，最終完成海管回接，該技術(shù)可適用于管徑16～28 in海管的維修，但存在海上施工周期長、垂向跨接管的穩(wěn)性容易受自然環(huán)境影響、相對(duì)壽命較短等缺點(diǎn)。如圖2所示，垂向跨接管回接維修作業(yè)程序[4]如下：

1)檢查漏點(diǎn)，并進(jìn)行海管隔離和清管；2）下放提管架至管段漏點(diǎn)兩側(cè)，操作提管架將管道提離海床；3）在預(yù)切管段上系上回收索具，便于切管后回收破損管段；4）切除破損管段，并回收至海上；5）下放導(dǎo)向架至切管終端；6）下放彎轂組塊及龍門吊架至海底就位；7）將彎轂管水平機(jī)械連接器連接至切管終端；8）將彎轂管鎖緊在彎轂組塊上，之后回收龍門吊架和提管架至海上；9）在海管另一側(cè)切管終端重復(fù)上述步驟5）～8）；10）進(jìn)行垂向跨接管測(cè)量、建造和安裝。

圖1 垂向跨接管回接

圖2 垂向跨接管回接作業(yè)

3 水平膨脹彎回接維修

水平膨脹彎回接維修可根據(jù)膨脹彎與海管的連接接頭形式分為以下3類：1）水下膨脹彎+螺栓夾具回接；2）水下膨脹彎+雙向密封接頭回接；3）水下法蘭回接。下文將就這3類情況分別進(jìn)行介紹。

3.1 水下膨脹彎+螺栓夾具回接技術(shù)

水下膨脹彎+螺栓夾具回接技術(shù)由英國BP公司研發(fā)，技術(shù)方案主要涉及膨脹彎、螺栓夾具（如圖3）、提管架等設(shè)施（如圖4）。該技術(shù)可適用管徑10～24 in海管維修，不適用于大管徑和超長膨脹彎水下回接[1,5]。如圖5所示，垂向跨接管回接作業(yè)程序：

1)檢查漏點(diǎn)，并進(jìn)行海管隔離和清管；2）下放提管架至管段漏點(diǎn)兩側(cè)，操作提管架將海管提離海床；3）在預(yù)切管段上系上回收索具，切除破損管段，并回收至海上；4）ROV在切管端口進(jìn)行封堵，對(duì)管道端口面進(jìn)行處理并進(jìn)行膨脹彎測(cè)量；5）完成膨脹彎預(yù)制，重新調(diào)整提管架位置，下放膨脹彎和螺栓夾具就位；6）啟動(dòng)螺栓夾具緊固螺栓，完成膨脹彎兩側(cè)螺栓夾具安裝；7）下放海管和膨脹彎至海底就位，并回收提管架。

圖3 膨脹彎螺栓夾具

圖4 膨脹彎+螺栓夾具回接

圖5 膨脹彎+螺栓夾具回接作業(yè)

3.2 水下膨脹彎+雙向密封接頭回接技術(shù)

3.2.1 水下膨脹彎+雙向密封接頭（預(yù)裝）回接

水下膨脹彎+雙向密封接頭（預(yù)裝）由Oil States公司研發(fā)，是垂向跨接管回接技術(shù)的升級(jí)版本，技術(shù)方案主要涉及膨脹彎、雙向密封接頭（如圖6）、對(duì)管架、提管架等設(shè)施（如圖7）。該技術(shù)主要特點(diǎn)是膨脹彎通過2個(gè)預(yù)裝在膨脹彎兩端的雙向密封接頭，來完成與海管的回接作業(yè)，該技術(shù)方案操作相對(duì)簡(jiǎn)單，海上施工周期較短，該技術(shù)可適用于管徑6～20 in海管的維修，但存在雙向密封接頭質(zhì)量較大的問題，預(yù)安裝在膨脹彎上時(shí)受自重影響會(huì)造成膨脹彎兩端承受較大的力，不利于膨脹彎吊裝下放，故不適用于大管徑海管回接[5]。

圖6 雙向密封接頭

圖7 膨脹彎+雙向密封接頭（預(yù)裝）回接

3.2.2 水下膨脹彎+雙向密封接頭（后裝）回接

為了滿足大管徑海管回接需求，Oil States公司提出了水下膨脹彎+雙向密封接頭（后裝）方案，該技術(shù)主要特點(diǎn)是將雙向密封接頭設(shè)置在接頭安裝框架的接頭安裝模塊上（如圖8、圖9），與膨脹彎管段分開安裝，在進(jìn)行海管回接時(shí)，可將膨脹彎管段先下放至海底安裝位置就位，然后利用提管架、接頭安裝框架配合分別完成雙向密封接頭在回接點(diǎn)海管側(cè)和膨脹彎側(cè)的連接，該技術(shù)方案可適用于管徑最大達(dá)48 in的海管維修，并適用于超長膨脹彎水下回接，但該方案對(duì)膨脹彎海床就位安裝誤差要求較高。如圖10所示，水下膨脹彎+雙向密封接頭（后裝）回接作業(yè)程序如下：

圖8 接頭安裝模塊

圖9 接頭安裝框架

圖10 膨脹彎+雙向接頭（后裝）回接作業(yè)

1)下放膨脹彎至海底安裝區(qū)就位；2） 在海管和膨脹彎回接點(diǎn)#1 兩側(cè)分別下放提管架就位，然后下放接頭安裝框架至回接點(diǎn)#1就位；3） 操 作 回 接點(diǎn)#1 海管側(cè)提管架和接頭安裝框架海管側(cè)的抱管爪，將海管提離海床，然后啟動(dòng)接頭安裝框架的接頭安裝模塊，將雙向密封接頭裝入回接點(diǎn)#1海管側(cè)；4）操作回接點(diǎn)#1膨脹彎側(cè)提管架和接頭安裝框架膨脹彎側(cè)的抱管爪，將膨脹彎提離海床，然后啟動(dòng)接頭安裝框架的接頭安裝模塊，將雙向密封接頭裝入回接點(diǎn)#1膨脹彎側(cè)；5）待雙向密封接頭完成回接點(diǎn)#1海管側(cè)和膨脹彎側(cè)安裝后，操作回接點(diǎn)#1海管側(cè)提管架、膨脹彎側(cè)提管架和接頭安裝框架的抱管爪，將回接點(diǎn)#1及雙向密封接頭下放至海床；6）將提管架和接頭安裝框架挪位至回接點(diǎn)#2側(cè)就位，重復(fù)上述步驟3）～5），直至完成回接點(diǎn)#2雙向密封接頭安裝，并順利下放至海床；7）完成膨脹彎回接，回收提管架和接頭安裝框架至海上。

3.3 水下法蘭回接技術(shù)

水下法蘭回接是深水海管機(jī)械連接回接技術(shù)的重要形式，國外對(duì)于水下回接技術(shù)的研究已經(jīng)非常深入，以美國Sonsub公司為代表的國外公司已具備非常專業(yè)的水下法蘭回接作業(yè)能力和裝備（如圖11）。該技術(shù)的特點(diǎn)是更換的膨脹彎通過水下法蘭與海管進(jìn)行連接，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，海上施工周期短，該技術(shù)可適用于最大管徑為24 in的海管維修，海管維修成本相對(duì)更經(jīng)濟(jì)，應(yīng)用較為廣泛。以下以Sonsub公司水下BRUTUS系統(tǒng)為例，說明水下法蘭回接作業(yè)程序[6]：

1)在海管和膨脹彎回接點(diǎn)#1兩側(cè)分別下放提管架就位，然后啟動(dòng)提管架，將回接點(diǎn)#1兩側(cè)的海管和膨脹彎分別提起，進(jìn)行回接點(diǎn)#1法蘭的粗對(duì)接；2）下放管道接應(yīng)工具和軸線對(duì)準(zhǔn)工具至回接點(diǎn)#1兩側(cè)就位，然后通過管道接應(yīng)工具和軸線對(duì)準(zhǔn)工具進(jìn)行法蘭對(duì)孔和拉近；3）啟動(dòng)螺栓庫和螺母庫進(jìn)行螺栓安裝和拉伸，然后回收管道接應(yīng)工具和軸線對(duì)準(zhǔn)工具；4）操作提管架將#1兩側(cè)海管和膨脹彎下放至海床；5）將提管架、管道接應(yīng)工具和軸線對(duì)準(zhǔn)工具挪位至回接點(diǎn)#2，重復(fù)上述步驟2）～4）直至完成回接點(diǎn)#2回接作業(yè)，并順利下放至海床；6）回收提管架至海上。

4 結(jié) 語

深水海管無潛機(jī)械連接技術(shù)是深水海管維修技術(shù)中最為成熟的維修方法，該技術(shù)作業(yè)過程中受外界環(huán)境因素的影響較小，可適用于各種復(fù)雜的海底環(huán)境，因而研究深水海管無潛機(jī)械連接維修技術(shù)對(duì)于保障我國深水油氣管道安全運(yùn)營有著十分重要的意義，但無潛機(jī)械連接技術(shù)的成功實(shí)施離不開一系列的深水海管應(yīng)急維修系統(tǒng)和裝備的配合（如提管架、對(duì)管架、海管密封接頭、海管法蘭組對(duì)及螺栓安裝裝置等），我國在深海無潛機(jī)械連接回接技術(shù)和裝備方面目前才處于起步階段，與國外存在較大的差距，應(yīng)加強(qiáng)深水海管水下維修相關(guān)裝備與技術(shù)的研發(fā)，以推進(jìn)我國深水海管維修能力的提升。