海底管道內(nèi)襯復(fù)合軟管修復(fù)技術(shù)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

劉海超 金磊 杜曉杰(中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452)

0 引言

海底管道是油氣田平臺(tái)間物流聯(lián)系的樞紐，是海上油田開(kāi)發(fā)流體輸送的主要方式。中海油現(xiàn)有300余條，超6000 km的海底管道，每年都在新建新的管道。其中超期服役的管線或即將到達(dá)服役期限的管道超過(guò)30條。海底管道一旦失效，后果十分嚴(yán)重。對(duì)于失效海管的維修，不論是采取打卡子或者直接更換失效管線，維修成本都很大。

1 內(nèi)襯復(fù)合軟管修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

內(nèi)襯復(fù)合軟管(簡(jiǎn)稱內(nèi)襯管)修復(fù)技術(shù)即在原有管道內(nèi)襯入一層復(fù)合軟管，從而達(dá)到延長(zhǎng)海管壽命，修復(fù)原有管道的目的。內(nèi)襯管內(nèi)層材料有較好耐腐蝕性，能夠顯著降低因腐蝕造成海底管道泄漏的風(fēng)險(xiǎn)；內(nèi)壁光滑，不易結(jié)蠟、結(jié)垢，與鋼管相比輸送效率更高。內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)海上施工比較方便，無(wú)需動(dòng)用大型施工機(jī)具和鋪管船，大大節(jié)省安裝費(fèi)用；還可利用原有管道路由，減少對(duì)海洋環(huán)境的影響，不需要申請(qǐng)海域使用證、環(huán)評(píng)等工程環(huán)節(jié)，大大節(jié)省時(shí)間。運(yùn)用內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)，海管將不再使用緩蝕劑和防垢劑，極大節(jié)省海管后期的運(yùn)維成本。

2 內(nèi)襯管的結(jié)構(gòu)

內(nèi)襯管可以用于原油、生產(chǎn)水、柴油、天然氣等的運(yùn)輸，一般包括三層，分別是內(nèi)層、中間層和外層。內(nèi)層材料可以為T(mén)PU、PVDF和PPS等材料，主要起密封的作用；中間層(增強(qiáng)層)材料一般為芳綸，此種材料拉伸強(qiáng)度大，安裝過(guò)程中可以承擔(dān)拉力，服役過(guò)程中可以承受輸送介質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)壓；外層材料可以為PE或TPU等耐摩擦材料，安裝過(guò)程中可以保護(hù)內(nèi)襯管不受損壞，安裝完成后外層就不起作用了。軟管的三層結(jié)構(gòu)通過(guò)硫化工藝處理后粘接在一起(見(jiàn)圖1)。

圖1 內(nèi)襯管結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)輸送介質(zhì)的壓力，可以選擇不同編制結(jié)構(gòu)的中間層(增強(qiáng)層)。中間層是經(jīng)線與緯線形成的環(huán)形結(jié)構(gòu)，經(jīng)線承受縱向拉伸，緯線承受內(nèi)部輸送介質(zhì)的壓力。增強(qiáng)復(fù)合軟管的強(qiáng)度，可以通過(guò)增加受力纖維數(shù)量和降低經(jīng)線和緯線之間的編織角度來(lái)提高復(fù)合軟管的承壓能力[1]。另外，為了增強(qiáng)復(fù)合軟管的強(qiáng)度，可以采用斜紋組織結(jié)構(gòu)。

3 內(nèi)襯管修復(fù)技術(shù)的施工程序

3.1 海管清管檢查及干燥

對(duì)海管進(jìn)行清管，檢查管線是否存在可能對(duì)纜繩及內(nèi)襯管穿插造成不利影響的尖銳突出物。必要時(shí)可以采用內(nèi)窺鏡進(jìn)行全線檢查。管線清洗時(shí)采用壓縮空氣為介質(zhì)推動(dòng)專(zhuān)業(yè)清管器進(jìn)行管道內(nèi)部清洗，并進(jìn)行吹掃和干燥。

3.2 纜繩穿插

纜繩穿插采用清管球拖帶的方式進(jìn)行。穿插之前需采用法蘭將發(fā)球筒與立管連接，用軟管將打壓設(shè)備和發(fā)球筒連接。將纜繩和清管球連接后，打開(kāi)發(fā)球筒盲板，塞入清管球，關(guān)上盲板，開(kāi)始通球。收球筒收到清管球后，通球停止。打開(kāi)收球筒盲板，將纜繩和內(nèi)襯管的拖拉接頭連接。準(zhǔn)備內(nèi)襯管的穿插。

3.3 內(nèi)襯管的穿插

內(nèi)襯管的穿插方式一般采用U型變形模式，穿插之前需要將管線壓成U型，壓縮后的內(nèi)襯管外部纏繞一層專(zhuān)用膠帶，其作用是保持軟管U型狀態(tài)，提高軟管的通過(guò)性。

兩個(gè)平臺(tái)的作業(yè)人員協(xié)同作業(yè)，建立可靠的通訊連接。一個(gè)平臺(tái)的人員負(fù)責(zé)放管作業(yè)，沿管線路由設(shè)置人員對(duì)放管作業(yè)進(jìn)行檢查，防止管材受損。另一個(gè)平臺(tái)的人員負(fù)責(zé)纜繩牽引作業(yè)，在牽引過(guò)程中需監(jiān)控牽引力變化，最大牽引力不得超過(guò)軟管安全許用應(yīng)力，防止內(nèi)襯壓力過(guò)大。纜繩牽引和放管同時(shí)進(jìn)行，牽引和放管速度匹配一致，以大約8～10m/min的平穩(wěn)速度完成內(nèi)襯管的穿插，直到軟管到達(dá)目的平臺(tái)。靜置軟管一段時(shí)間，以觀察內(nèi)襯管的回彈情況。尤其注意的是內(nèi)穿插過(guò)程中內(nèi)襯管與鋼絲繩連接處必須安裝萬(wàn)能旋轉(zhuǎn)拖拉頭，以釋放拖拉過(guò)程中鋼絲繩與內(nèi)襯管傳遞的扭矩，防止局部扭矩集中造成內(nèi)襯管發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

3.4 內(nèi)襯管端部接頭安裝

將不再回彈的內(nèi)襯管切斷，在兩端安裝端部接頭。采用短接將內(nèi)襯管的端部接頭和原海管端面的法蘭固定在一起。

3.5 內(nèi)襯管的膨脹貼合

將打壓設(shè)備與內(nèi)襯管的端部接頭連接，打壓，使整條管線的內(nèi)襯管膨脹并與海管內(nèi)壁貼合，直到壓力達(dá)到1bar，且壓降符合規(guī)定的要求。

3.6 內(nèi)襯管的水壓試驗(yàn)

內(nèi)襯管安裝完成后，用海水對(duì)內(nèi)襯管進(jìn)行水壓試驗(yàn)，壓力為海管工作壓力的1.5倍，壓力以1bar/min的速度增至試驗(yàn)壓力的50%，并保壓15min，然后以1bar/min的速度增至測(cè)試壓力的80%，并保壓30min，再以0.5bar/min的速度增壓至測(cè)試壓力的90%，保壓60min，最后以0.5bar/min的速度增至測(cè)試壓力，經(jīng)過(guò)4h的穩(wěn)定期后，并保持24h，以確保內(nèi)襯管沒(méi)有泄漏現(xiàn)象。試壓合格后，用柔軟的泡沫球清除海水，并用氮?dú)膺M(jìn)行吹掃。

3.7 內(nèi)襯管的試運(yùn)行及運(yùn)行

用短接將內(nèi)襯管和原立管上端的法蘭連接。必要時(shí)可以采用可檢測(cè)泄漏的環(huán)形密封墊，以確保短接接口不會(huì)泄漏。按照規(guī)定的程序進(jìn)行新管線的試運(yùn)行和運(yùn)行。

可以通過(guò)內(nèi)檢測(cè)或者排氣系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)襯管的運(yùn)行情況。雖然內(nèi)襯管的滲透性很低，但是內(nèi)襯管與海管之間還是會(huì)存在壓力，如果壓力過(guò)大，則導(dǎo)致內(nèi)襯管的坍塌。通風(fēng)孔焊接在海管立管的測(cè)試短節(jié)上面，放空點(diǎn)與壓力表與泄放閥點(diǎn)連接，建議一個(gè)月進(jìn)行一次放氣。

內(nèi)襯管進(jìn)行清管時(shí)，建議使用密度小于等于3 lb/ft3的泡沫球或者裸露的泡沫球。

4 內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)在國(guó)外的發(fā)展

2011年，IFL技術(shù)(inField liner)由馬來(lái)西亞石油公司及腐蝕防護(hù)協(xié)會(huì)(APS)提出來(lái)，最初是為了解決SRB對(duì)海管造成的內(nèi)腐蝕，此后內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)在馬來(lái)西亞石油公司得到廣泛的應(yīng)用[2]。在API 15S[3]的基礎(chǔ)上，形成了IFL技術(shù)的規(guī)范及相應(yīng)的產(chǎn)品檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，后來(lái)在此基礎(chǔ)上形成了API 17[4-7]的一系列從設(shè)計(jì)到運(yùn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2013年夏天，馬石油成功完成內(nèi)襯管的海上安裝(Petronas’s Samarang油田，8吋混輸管線，工作壓力10bar,工作溫度36℃，長(zhǎng)度約2000m，海管運(yùn)行年限超過(guò)35年)，2014年，又有4條內(nèi)襯管投入運(yùn)行，目前安裝內(nèi)襯管管線已達(dá)到10條。所運(yùn)行的內(nèi)襯管，內(nèi)層是Solvay公司生產(chǎn)的PVDF，中間層是Dupont公司生產(chǎn)的凱夫拉纖維，外層是BASF公司生產(chǎn)的TPU。目前國(guó)外內(nèi)襯管的主要生產(chǎn)商是德國(guó)的Radlinger，海上施工技術(shù)是由IFL在中東和馬來(lái)西亞的公司進(jìn)行提供。

5 內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展

目前國(guó)內(nèi)有較多廠家生產(chǎn)內(nèi)襯管產(chǎn)品，比如五行科技股份有限公司、江蘇愛(ài)索新材料科技有限公司等，這些產(chǎn)品主要應(yīng)用在陸地油氣集輸管線、城市燃?xì)?、熱力管網(wǎng)、輸水管線等領(lǐng)域。

2010年9月塔河油田首次應(yīng)用內(nèi)穿插修復(fù)技術(shù)對(duì)腐蝕穿孔嚴(yán)重的5km集輸管線進(jìn)行修復(fù)。2012年12月對(duì)運(yùn)行超過(guò)兩年的修復(fù)管道進(jìn)行斷管取樣與檢測(cè)，內(nèi)襯管與原鋼管結(jié)合緊密，未發(fā)生溶漲、變形等失效現(xiàn)象[8]。2017年11月，內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)在單井集輸管道應(yīng)用，修復(fù)至今單井生產(chǎn)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)運(yùn)行正常，未發(fā)生因管徑縮小導(dǎo)致回壓高和管道泄漏污染事件[9]。

雖然內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)只應(yīng)用在陸地油田，但是對(duì)海底管道用內(nèi)襯管的內(nèi)層材料的選擇已經(jīng)深入研究，并取得了一定的成果。Legrand，J.F.研究了PVDF的性能，具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性[10]，同時(shí)氟原子的極化率很低，所以PVDF具有極強(qiáng)的絕緣性。PVDF的耐候性好，可抵抗紫外線與核輻射，并且對(duì)大多數(shù)氣體與液體的滲透性低。卓震研究了PVDF在工業(yè)中的應(yīng)用，具有良好的耐化學(xué)腐蝕性、耐高溫性、耐氧化性、耐候性等突出特點(diǎn)，對(duì)各種油品有著很好的阻隔性和耐滲透性，可用于管道襯里，特別適用于有機(jī)溶劑中混有硫酸、硝酸氯氣等化合物的場(chǎng)合[11]。熱塑性聚氨酯，由于嵌段及合成方式的不同，分為耐水型聚氨酯及耐油型聚氨酯兩種。劉洋子健研究了耐水解熱塑型聚氨酯的合成及其性質(zhì)，以4,4′-二苯基甲烷二異氰酸酯、聚醚二元醇、1,4-丁二醇、二官能度蓖麻油為主要原料合成了耐水解性能良好，高強(qiáng)度，高伸長(zhǎng)的熱塑型聚氨酯。朱勇等[13]研究了耐油耐候聚氨酯熱塑性彈性體及其制備方法，他們運(yùn)用大分子多元醇，大分子紫外穩(wěn)定劑、異氰酸酯、小分子擴(kuò)鏈劑、抗氧化劑、水解穩(wěn)定劑、催化劑合成了耐油耐候的熱塑型聚氨酯彈性體，合成的聚氨酯不僅在接觸汽油、柴油、航空煤油后能夠長(zhǎng)期保持良好的機(jī)械性能，而且對(duì)油品無(wú)污染，油品膠質(zhì)含量低；經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期油品浸泡后，仍然具有良好的耐候特性，耐紫外光輻射性能不受影響。

目前內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)已經(jīng)在馬來(lái)西亞石油的海管使用了將近十年，但是在國(guó)內(nèi)還未有應(yīng)用。目前中海油集團(tuán)公司已經(jīng)意識(shí)到內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)在降低原油生產(chǎn)成本方面的巨大優(yōu)勢(shì)，因此不斷加大投資力度，并且已經(jīng)立了科研項(xiàng)目，力爭(zhēng)在內(nèi)襯管設(shè)計(jì)制造及內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用上有所突破。

6 結(jié)語(yǔ)

內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)是一種解決短距離海底管道內(nèi)腐蝕的有效辦法，在中海油有廣闊的應(yīng)用前景。為此，十四五期間應(yīng)加大內(nèi)襯管設(shè)計(jì)制造的研發(fā)力度，積極推動(dòng)內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)在海底管道的應(yīng)用，掌握內(nèi)襯修復(fù)的相關(guān)核心技術(shù)，為國(guó)家的能源安全作出貢獻(xiàn)。