用于雙金屬?gòu)?fù)合管涂敷的管端保護(hù)裝置研究

武占文，賈 振，王長(zhǎng)懷，張振東，芮 東

海油發(fā)展珠海管道工程有限公司，廣東珠海 519090

隨著海洋油氣資源開發(fā)的持續(xù)深入，油氣開采逐漸向深海、高溫、高腐蝕環(huán)境延伸，更為復(fù)雜的服役環(huán)境對(duì)海底油氣輸送管道性能提出了愈加嚴(yán)苛的要求。針對(duì)深水油氣田高溫高腐蝕性油氣介質(zhì)（CO2、H2S含量高），常規(guī)的碳鋼管和低合金鋼管無法滿足耐蝕性要求，國(guó)內(nèi)外普遍使用兼具高強(qiáng)度與優(yōu)異耐蝕性的雙金屬?gòu)?fù)合管進(jìn)行高溫高腐蝕性油氣的輸送[1-5]。雙金屬?gòu)?fù)合管是由基管（碳鋼）和內(nèi)襯管（不銹鋼或耐蝕合金） 兩部分組成，其中基管主要起到承壓和支撐作用，用以保障管道各項(xiàng)力學(xué)性能，內(nèi)襯管能夠提高管道耐蝕性能，保證管道的服役壽命。近年來雙金屬?gòu)?fù)合管制造技術(shù)得到了大量的研究和推廣[6-10]，但雙金屬?gòu)?fù)合管的外涂敷及相關(guān)保護(hù)技術(shù)專業(yè)性研究和開發(fā)相對(duì)較少。

不同于常規(guī)的低碳合金鋼管，雙金屬?gòu)?fù)合管的內(nèi)襯不銹鋼對(duì)異種金屬接觸較為敏感，在潮濕的大氣環(huán)境下內(nèi)襯不銹鋼與碳鋼或鑄鐵等材料接觸會(huì)發(fā)生電偶腐蝕，形成內(nèi)襯管鐵離子污染，損傷內(nèi)壁鈍化膜，進(jìn)而嚴(yán)重破壞復(fù)合管的耐蝕性。并且結(jié)構(gòu)獨(dú)特的雙金屬?gòu)?fù)合管節(jié)點(diǎn)焊接工藝較為復(fù)雜，對(duì)于管端U型坡口的幾何尺寸精度要求很高[11-12]。目前，現(xiàn)有的管端保護(hù)裝置已無法滿足雙金屬?gòu)?fù)合管的管端保護(hù)要求。近年來在海底管道外防腐和“鋼套鋼”保溫管涂敷施工中，復(fù)合管內(nèi)襯不銹鋼的鐵離子污染和坡口損傷質(zhì)量事故時(shí)有發(fā)生，這不僅給后續(xù)復(fù)合管內(nèi)襯表面的再鈍化和坡口修復(fù)帶來很大工作量，同時(shí)也給雙金屬?gòu)?fù)合管的服役帶來極大的質(zhì)量隱患和安全風(fēng)險(xiǎn)。

本研究根據(jù)雙金屬?gòu)?fù)合管的防腐和保溫涂敷管端保護(hù)要求，結(jié)合復(fù)合管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研發(fā)了適用于防腐噴砂除銹和“鋼套鋼”保溫管穿管施工的兩種管端保護(hù)裝置，并對(duì)兩種管端保護(hù)裝置的使用效果進(jìn)行工程應(yīng)用評(píng)價(jià)。

1 雙金屬?gòu)?fù)合管外涂敷管端保護(hù)要求

1.1 噴砂除銹作業(yè)的管端保護(hù)要求

在鋼制管道防腐在線拋丸除銹施工中，鋼砂、丸磨料是引起雙金屬?gòu)?fù)合管內(nèi)襯鐵離子污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)，利用保護(hù)裝置對(duì)復(fù)合管的管端進(jìn)行有效封堵保護(hù)是保證復(fù)合管內(nèi)襯不被污染的主要措施。針對(duì)結(jié)構(gòu)獨(dú)特的雙金屬?gòu)?fù)合管，管端封堵保護(hù)裝置不僅要滿足鋼砂、丸磨料封堵要求，還需確保管端保護(hù)裝置在管端安裝牢固，對(duì)復(fù)合管內(nèi)襯無污染/坡口損傷。

海洋油氣輸送用雙金屬?gòu)?fù)合管管端U型坡口如圖1所示，對(duì)坡口結(jié)構(gòu)和尺寸精度要求較高，見圖2。

圖1 雙金屬?gòu)?fù)合管管端U型坡口

圖2 雙金屬?gòu)?fù)合管U型坡口結(jié)構(gòu)和尺寸要求

本研究根據(jù)復(fù)合管管端封堵保護(hù)要求，在管端封堵保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)中采用管外套筒和管內(nèi)支撐安裝結(jié)構(gòu)。

1.2 “鋼套鋼”保溫管穿管作業(yè)的保護(hù)要求

雙金屬?gòu)?fù)合管的U型坡口尺寸較為精密，并且坡口端部凸出的內(nèi)襯不銹鋼極易受到磕碰損傷，在“鋼套鋼”保溫管施工中，雙金屬?gòu)?fù)合管作為內(nèi)管需要進(jìn)行穿管作業(yè)，采用常規(guī)的叉車頂推時(shí)極易對(duì)復(fù)合管的坡口直接造成碰傷。為保證雙金屬?gòu)?fù)合管在“鋼套鋼”保溫管穿管施工中坡口的質(zhì)量，需研制專用的坡口保護(hù)裝置。

本研究根據(jù)復(fù)合管U型坡口的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在坡口保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)中采用管端抱持結(jié)構(gòu)。

2 雙金屬?gòu)?fù)合管管端封堵裝置

2.1 裝置結(jié)構(gòu)

雙金屬?gòu)?fù)合管管端封堵裝置的結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 雙金屬?gòu)?fù)合管管端封堵裝置結(jié)構(gòu)

主要包括圓筒形的保護(hù)罩和內(nèi)部配套的傘骨結(jié)構(gòu)撐張系統(tǒng)。保護(hù)罩的罩底中部穿滑桿，保護(hù)罩外端的滑桿端部為把手。把手與保護(hù)罩之間的滑桿上套設(shè)有壓簧，可為內(nèi)部撐張系統(tǒng)提供張力?；瑮U位于保護(hù)罩內(nèi)的端部設(shè)置十字形的鉸鏈支座，鉸鏈支座的各分支均通過鉸鏈連接撐張桿。各撐張桿的桿部均通過鉸鏈連接支撐桿，各支撐桿的另一端均通過鉸鏈連接固定鉸支座，各固定鉸支座分別與鉸鏈支座的分支相對(duì)應(yīng)，由此整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)成可撐張的傘骨結(jié)構(gòu)。

為保障保護(hù)罩對(duì)管端的封堵效果和快捷安裝，將保護(hù)罩的內(nèi)徑設(shè)計(jì)為復(fù)合管外徑加4 mm，保護(hù)罩圓筒長(zhǎng)度為140 mm。管端封堵保護(hù)裝置各結(jié)構(gòu)組件鋼級(jí)均為不低于Q345碳鋼。保護(hù)罩的罩底內(nèi)側(cè)固定設(shè)置環(huán)形橡膠墊圈，用以防止保護(hù)罩對(duì)管端U型坡口產(chǎn)生損傷。撐張桿的末端固定設(shè)置有橡膠墊片，保證封堵裝置對(duì)復(fù)合管的內(nèi)襯不造成污染。

2.2 工作原理

如圖3（a） 所示，將管端封堵裝置對(duì)著雙金屬?gòu)?fù)合管管端，推動(dòng)把手?jǐn)D壓把手與保護(hù)罩罩底之間的壓簧，使滑桿向雙金屬?gòu)?fù)合管移動(dòng)，通過鉸鏈支座帶動(dòng)鉸鏈支座4個(gè)分支上的撐張桿端部前移，各支撐桿一端與撐張桿、另一端與與保護(hù)罩罩底內(nèi)側(cè)的各固定鉸支座鉸接，從而帶動(dòng)各撐張桿一起收攏，這時(shí)將保護(hù)罩套裝于雙金屬?gòu)?fù)合管管端。當(dāng)保護(hù)罩罩底上的橡膠墊圈頂壓在雙金屬?gòu)?fù)合管坡口時(shí)，松開把手，壓簧的張力將推動(dòng)滑桿向保護(hù)罩外移動(dòng)，通過滑桿驅(qū)動(dòng)支撐桿和撐張桿組成的傘骨結(jié)構(gòu)向外張開，撐張桿一端的橡膠墊將支撐于雙金屬?gòu)?fù)合管的內(nèi)壁，通過橡膠墊與雙金屬?gòu)?fù)合管內(nèi)壁之間的摩擦力，使本裝置牢固套裝在雙金屬?gòu)?fù)合管管端，在鋼管進(jìn)行在線拋丸除銹時(shí)實(shí)現(xiàn)管端的有效封堵。

2.3 工程應(yīng)用

近年來，我國(guó)南海深水油氣田開發(fā)力度持續(xù)加大，雙金屬?gòu)?fù)合管在南海大型深水油氣田管道建設(shè)項(xiàng)目中的用量逐漸增多。為保障深水油氣管道整體涂敷質(zhì)量和海上焊接效率，復(fù)合管管端封堵裝置在東方13-2高欄支線項(xiàng)目（準(zhǔn)457 mm×15.9 mm+3 mm）、流花29-2項(xiàng)目（準(zhǔn)219.1 mm×14.3 mm+3 mm）大型涂敷項(xiàng)目防腐施工中進(jìn)行了工程應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明：該封堵裝置能夠?qū)ψ鳂I(yè)線上的鋼管管端進(jìn)行全面封堵保護(hù)，有效地防止了拋丸除銹過程中鋼砂、丸磨料進(jìn)入雙金屬?gòu)?fù)合管內(nèi)部，保證復(fù)合管內(nèi)襯層不受污染，而且整體結(jié)構(gòu)輕便，安裝拆卸方便。雙金屬?gòu)?fù)合管管端封堵裝置實(shí)物如圖4所示。

圖4 管端封堵裝置現(xiàn)場(chǎng)照片

3 雙金屬?gòu)?fù)合管坡口保護(hù)裝置

3.1 裝置結(jié)構(gòu)

雙金屬?gòu)?fù)合管坡口保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由呈C型結(jié)構(gòu)的上鎖緊半環(huán)和下鎖緊半環(huán)構(gòu)成，兩個(gè)半環(huán)的內(nèi)徑略大于雙金屬?gòu)?fù)合管的外徑，材質(zhì)均為強(qiáng)度高于X65的鋼材。上、下鎖緊半環(huán)的一端通過旋轉(zhuǎn)軸活動(dòng)連接，另一端相對(duì)應(yīng)地設(shè)置有閉合壓板，閉合壓板之間通過螺栓連接。上、下鎖緊半環(huán)的內(nèi)部設(shè)置對(duì)稱的坡口保護(hù)凸臺(tái)，其臺(tái)面凸出高度一般為雙金屬?gòu)?fù)合管外層碳鋼管厚度的2/3，確保管端內(nèi)層不銹鋼復(fù)合層懸置于穿管主體裝置內(nèi)腔中。為便于現(xiàn)場(chǎng)安裝，上、下鎖緊半環(huán)還分別設(shè)置對(duì)稱的把手。

圖5 雙金屬?gòu)?fù)合管坡口保護(hù)裝置

3.2 工作原理

當(dāng)此管端坡口保護(hù)裝置安裝到雙金屬?gòu)?fù)合管管端時(shí)，上、下鎖緊半環(huán)通過閉合壓板和鎖緊螺栓能夠?qū)㈦p金屬?gòu)?fù)合管管端牢固的夾持和包裹，并且坡口保護(hù)凸臺(tái)直接作用于雙金屬?gòu)?fù)合管的基管（外層碳鋼管） 管端坡口，雙金屬?gòu)?fù)合管內(nèi)襯層管端被放置于上、下鎖緊半環(huán)內(nèi)部。此裝置安裝在復(fù)合管管端后，可利用叉車等動(dòng)力機(jī)具直接頂推進(jìn)行“鋼套鋼”保溫管穿管作業(yè)，能夠避免復(fù)合管管端坡口損傷，保證管端坡口質(zhì)量。

3.3 工程應(yīng)用

雙金屬?gòu)?fù)合管管端坡口保護(hù)裝置已在文昌19-1N&8-3E產(chǎn)能釋放項(xiàng)目（保溫內(nèi)管D168 mm×14.3mm+3 mm）、潿洲6-1/6-8/12-1B海底管道更換項(xiàng)目（保溫內(nèi)管D168 mm×14.3 mm+3 mm）的雙金屬?gòu)?fù)合管“鋼套鋼”保溫管施工中進(jìn)行了工程應(yīng)用，工程應(yīng)用結(jié)果表明：此坡口保護(hù)裝置能夠有效保護(hù)雙金屬?gòu)?fù)合管內(nèi)襯層的坡口端面，確保復(fù)合管坡口在保溫穿管時(shí)不受穿管頂推機(jī)械損傷，保證雙金屬?gòu)?fù)合管“鋼套鋼”保溫管坡口質(zhì)量。雙金屬?gòu)?fù)合管坡口保護(hù)裝置實(shí)物見圖6，現(xiàn)場(chǎng)穿管工程應(yīng)用情況見圖7。

圖6 坡口保護(hù)裝置

圖7 現(xiàn)場(chǎng)穿管工程應(yīng)用

4 結(jié)束語

根據(jù)雙金屬?gòu)?fù)合管防腐和保溫施工要求，結(jié)合雙金屬?gòu)?fù)合管管端坡口結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研發(fā)了復(fù)合管管端封堵裝置和管端坡口保護(hù)裝置，能夠在拋丸除銹和“鋼套鋼”保溫管穿管施工中對(duì)復(fù)合管管端進(jìn)行有效封堵以及坡口保護(hù)，避免除銹作業(yè)對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管的內(nèi)襯污染和坡口損傷，顯著提高了雙金屬?gòu)?fù)合管的防腐和保溫施工質(zhì)量及效率。該系列裝置的成功研發(fā)和工程應(yīng)用對(duì)國(guó)內(nèi)雙金屬?gòu)?fù)合管涂敷技術(shù)水平的提升具有重要意義。