內襯修復海洋管道安裝過程與拖拉受力分析

袁志達，王佐強，章仲怡，胡偉，康學君，張曉靈，郭宇禮

中海油能源發(fā)展股份有限公司清潔能源分公司，天津 300452

自1980 年起，我國開始開發(fā)開采海洋油氣資源，目前，已有300 多條、超過6 000 km 的海底管道用于油氣輸運，且每年還有一定數(shù)量的新建管道[1]。盡管近些年來柔性復合軟管在海洋油氣開發(fā)中有一定的應用，但目前服役的海底油氣管道還是以碳鋼管為主。在管道的設計階段，考慮一定的腐蝕余量，可以適當增加壁厚；采用耐腐蝕鋼或不銹鋼復合管，或者增加防腐涂層以及采取犧牲陽極等方式來預防和減緩腐蝕現(xiàn)象對鋼管的安全運行的影響。在管道的運維階段，一般則通過加注緩釋藥劑、殺菌藥劑等來延緩和抑制腐蝕，但效果有限。無論采取哪種措施，碳鋼管在服役使用期間，腐蝕問題是普遍且不可避免的現(xiàn)象。如果腐蝕嚴重，將會引起管道的油氣泄漏，甚至引起海洋環(huán)境污染和油田的停產(chǎn)。對少量的管道穿孔泄漏，可以采取水下打卡箍方式來進行維修。但如果管道腐蝕嚴重，則只能鋪設新的替代管道，以維持油田的生產(chǎn)，花費巨大。對已腐蝕的鋼管，風送涂料擠涂技術是一種較成熟的防腐治理技術，在陸地油氣田和市政燃氣等管道中有著較廣泛的應用[2-7]。但由于存在較大的施工風險因素，如發(fā)生擠涂裝置卡堵、涂料凝固等，在海上油氣田的管道防腐治理中，鮮有應用案例。近些年發(fā)展的柔性內襯管技術，是延緩海洋油氣管道腐蝕、延長管道使用壽命的一種新技術[1]，具有施工速度快、不占用大型施工船舶、成本低等優(yōu)點，并在馬來西亞石油公司的海底管道中得以首次應用[8-9]。因此，本文重點介紹柔性內襯管在海洋油氣管道中的施工過程及拖拉受力特點。

1 柔性增強型內襯修復技術

作為一種內襯技術，聚乙烯（polyethylene，PE）內襯管產(chǎn)品在修復較平直油氣管道領域有較廣泛應用。但對于存在較大角度彎頭的管道，由于PE 內襯管自身剛度較大，很難實現(xiàn)穿插過彎或者在彎管處存在較大的應力集中現(xiàn)象，導致PE 內襯管容易過早的失效[10-12]。

柔性加強型內襯管技術尤其對存在彎頭的海洋管道是另一種解決碳鋼管內腐蝕問題的切實有效的方法。如圖1 所示，這種內襯管一般由3 層結構組成，分別為防腐內層、柔性編織加強層和外層。內層主要為防腐層，根據(jù)輸送介質條件的不同，可以采用聚乙烯（PE）、熱塑性聚氨酯彈性體(thermoplastic polyurethanes,TPU）或者聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride,PVDF）等高分子材料，從而到達耐酸、耐高溫、防滲透等目的；中間加強層可采取芳綸或滌綸纖維編織而成，主要起抵抗環(huán)向內壓、抵抗安裝時的徑向拖拉力的作用；外層為耐磨層，主要為防止安裝和使用過程中內襯管與被修復鋼管間的磨損，可以采用PE或TPU 材料[13-14]。

圖1 加強型內襯管結構

采用這種柔性加強內襯設計技術，可以在實現(xiàn)鋼管防腐、延壽功能的同時，又具有較好的柔性和較大的抗內壓與抗拉強度，既可單獨承壓又可與被修復鋼管復合使用，且能一次連續(xù)修復數(shù)公里管道并適應多個90°彎管。因此，與重新鋪設海底管道的方案相比，柔性加強型內襯管為海底管道修復行業(yè)提供了一個技術可行、快速與經(jīng)濟的選擇。

在內襯管修復鋼管實施過程中，需要將內襯管在被修復鋼管中拖拉就位，以實現(xiàn)安裝修復功能。對存在較多彎頭的海洋油氣管道，內襯管的拖拉就位是整個安裝過程中最具挑戰(zhàn)性的關鍵步驟，準確預測拖拉力是一項十分重要的前提工作。Barsoum等[13]采用ABAQUS 軟件對內襯管在鋼管中的拖拉受力進行了模擬分析，指出摩擦系數(shù)尤其彎頭處的摩擦系數(shù)對拖拉力大小有較大的影響。

2013 年，阿聯(lián)酋腐蝕防護系統(tǒng)公司（APS）采用其內襯管專利產(chǎn)品為馬來西亞石油公司Samarang油田的一條即將到達35 a 設計使用壽命的8 吋輸油海管進行了成功修復[8-9]。

隨后幾年，馬來西亞石油公司采用APS IFLTM內襯管專利產(chǎn)品，總共修復了10 余條腐蝕嚴重的海管，總共節(jié)約上億美元的費用。圖2 為馬來西亞石油公司采用內襯管修復海底管道時的一張現(xiàn)場施工照片（圖片來源于www.worldpipelines.com）。

圖2 馬來西亞石油公司內襯管修復施工現(xiàn)場

2 內襯管安裝施工過程

在確定了對已腐蝕鋼管進行柔性加強型內襯修復技術方案后，則需對管道的路由，兩端平臺特點，管道的管徑、壁厚、腐蝕情況、輸送介質等進行詳細的調研，以便作為設計輸入條件進行內襯管的設計與制造。同時，內襯管的施工承包方需會同業(yè)主單位及軟管提供商，制定出詳細的內襯管施工方案以及相應的機具準備工作。內襯管海上安裝施工涉及多種設施設備，主要包括內襯管卷盤的運輸、平臺吊裝與就位及相應的卷盤固定裝備，海底管道的清管、排水與干燥作業(yè)以及檢驗檢測裝備，內襯管的拖拉穿插作業(yè)所需的裝置裝備，內襯管的接頭安裝裝備，內襯管的通球檢測及試壓裝備等。因此，在施工方案的編制中，必須考慮到所有需要的裝備及規(guī)格參數(shù)的選取標準。概括而言，內襯管的安裝過程主要包括以下幾個重要步驟。

1）對被修復管道的清洗

作為內襯修復施工的開始點，在正式管道修復前，需要對被修復管道進行清管作業(yè)，對管道內的異物、結蠟、結垢等進行清除。通過管道清管作業(yè)，在確認管道內部滿足內襯管修復要求后，將管道內部殘留液體排干，進行干燥并達到相應的技術要求標準。

2）對海管兩端的切割截斷及法蘭焊接

綜合考慮后續(xù)內襯管拖拉穿插作業(yè)的可行性與便利性，在管道兩端所在平臺合適處，確定被修復管道切割截斷位置。此外，連接接頭的法蘭應焊接到被截斷的管道兩端。步驟1）和步驟2）可參見圖3。

圖3 被修復管道清洗與切割

3）內襯管拖拉輔助裝置的安裝

內襯管的拖拉力一般情況下達到幾噸到幾十噸的量級，靠人力拖拉很難實現(xiàn)，因此，一般需要采用絞車等拖拉裝備進行拖拉（絞車布置于拖拉端）。此外，為保證拖拉的順暢及內襯管的安全性，現(xiàn)場須安裝一定的內襯管導向裝置，參見圖4。如果平臺空間有限，也可以將拖拉絞車布置在施工船舶上。

圖4 安裝拖拉輔助設施

4）內襯管折U、裝船運輸與就位

生產(chǎn)出的內襯管帶出廠前，先儲存在儲運滾筒上。需要在運輸至海上進行安裝前，將軟管過駁至運輸船上的安裝滾筒，同時將內襯管折U，使內襯管由扁平狀態(tài)變?yōu)閁 型，同時內襯管外面纏繞專用膠帶，以便于穿插拖拉作業(yè)。

5）管道兩端平臺的施工準備

將運輸船舶上的內襯管安裝滾筒吊至拖拉起始端的平臺合適位置并進行固定。如果平臺沒有足夠的空間和合適的位置，則需要將滾筒放置在船舶上，因此實際項目的船舶要求需要根據(jù)現(xiàn)場平臺的情況確定。步驟4）和步驟5）過程模擬參見圖5 。

圖5 內襯管壓U 并過駁裝船

6）牽引和拖拉繩的穿插

如果被修復管道較短、拖拉力較小，牽引繩和拖拉繩則可以采用同一繩索進行，可選擇較輕的尼龍繩。但如果被修復管道較長、拖拉力較大，則拖拉繩須采用鋼絲繩，而牽引繩采用較輕質的尼龍繩。對較輕質的尼龍牽引繩，其穿插可通過發(fā)球筒將連接到清管球上的牽引繩從管道的一端打到另一端，完成牽引繩在管道中的貫穿。之后，再將牽引繩連接拖拉繩，進行倒繩拖拉，實現(xiàn)拖拉繩在管道中的貫穿，參見圖6。

圖6 安裝牽引繩和拖拉繩

7）內襯管的拖拉

拖拉繩在管道中貫穿就位后，即可將拖拉繩通過可自由旋轉的拖拉頭連接內襯管進行拖拉作業(yè)，旋轉頭可釋放拖拉過程中內襯管自身產(chǎn)生的扭矩，最大限度地防止內襯管在管道內穿插時發(fā)生扭轉。在拖拉過程中，要控制拖拉速度，保持內襯管與拖拉繩的受力均勻性，拖拉速度可控制在10 m/min 以下，并在拖拉過程中監(jiān)控拖拉力，防止因意外情況出現(xiàn)(如拖拉頭過彎時被卡住)拖拉力急劇上升的情況，參見圖7。

圖7 拖拉內襯管

8）內襯管漲開與接頭安裝

內襯管穿插入管道后，兩端切割并插入封堵盲板（或氣囊），通過向內襯管內充氣的方式，將內襯管外面纏繞膠帶脹開，以便被壓U 后的內襯管恢復到圓形，并且貼緊到管道內壁。之后，再把專用的內襯管接頭裝配上，起到固定內襯管以及密閉且連通后續(xù)鋼管的作用，參見圖8。

圖8 漲開內襯管與安裝接頭

9）試壓與管線恢復

內襯管兩端加裝接頭后，根據(jù)原鋼管的運行壓力進行1.5 倍原壓力保壓測試。測試合格驗收后對整條管線進行恢復，完成內襯管的修復作業(yè)，參見圖9。

圖9 試壓并恢復管線

3 內襯管拖拉受力數(shù)值模型

如前文所述，在整個內襯管的安裝施工過程中，穿插拖拉過程是十分重要的一個環(huán)節(jié)。在安裝施工前，須對內襯管的拖拉作業(yè)所需拖拉力進行詳細的計算，以選定合適的拖拉絞車、拖拉繩、測力計等設備以及評估內襯管與被修復管道在拖拉過程中的結構強度安全性。本章給出一種能計算內襯管在被修復管道中拖拉力的計算模型，以指導施工設計和實施。

3.1 拖拉數(shù)值模型

如前文所述，內襯管在被拖拉進入被修復管道前，先對管體進行壓U 型處理，從而使其處于折疊狀態(tài)。這樣做的目的是為了使內襯管在鋼管中更容易被穿插牽拉。盡管內襯管自身彎曲剛度較小，但經(jīng)壓U 折疊后，管體側向剛度會有所增加。因此，內襯管在被修復鋼管中被拖拉時，所產(chǎn)生的拖拉力除由內襯管自重引起的其與被修復管道管壁之間的摩擦力外，還需考慮過彎管段時，由于內襯管體自身側向彎曲而產(chǎn)生的與被修復管道壁間的接觸摩擦力。本文使用OrcaFlex 軟件提供的管中管接觸摩擦理論[15]，建立一段含3 段直管、2 段彎管的內襯管與被修復鋼管的接觸摩擦數(shù)值模型，來分析內襯管在被修復鋼管中的拖拉過程與受力特點，數(shù)值模型如圖10 所示。模型中被修復鋼管外徑0.219 m，內徑0.2 m,內襯管直徑0.07 m，彎管段的半徑為5 倍的管徑。表1列出了鋼管各管段的長度，整體鋼管模型的長度為32 m。

表1 內襯管拖拉模型鋼管各段長度表

圖10 OrcaFlex 內襯管拖拉受力模型

圖10 所示的分析模型中，由直管段與彎管段組成的鋼管兩端固定約束，待穿插內襯管長度與鋼管長度一致，且預置于1 個支撐結構上，忽略內襯管與該支撐結構間的摩擦作用。鋼管內部預置拖拉繩，拖拉繩一端連接拖拉絞車，另一端連接待穿插內襯管前端。拖拉繩與內襯管均與鋼管建立接觸摩擦關系。絞車回收速度設為0.1 m/s。通過這樣的模型設置，以實現(xiàn)內襯管通過拖拉繩由拖拉絞車拖拉，從鋼管右端下部進入，直至到達鋼管左端部，內襯管全部穿插拖拉進行入鋼管的模擬。

很明顯，內襯管與鋼管間的摩擦系數(shù)對拖拉力的大小有顯著影響，摩擦系數(shù)越大，則拖拉力越大[13]。在實際工程中，為準確預估拖拉力值，須提前對摩擦系數(shù)進行試驗標定，且通過采用涂抹潤滑油的方式來減小摩擦系數(shù)，從而減小摩擦力。參考相關研究[13]，內襯管與鋼管間的摩擦系數(shù)假定為0.3。如前所述，內襯管經(jīng)壓U 折疊后，管體側向彎曲剛度會有所增加，須調查內襯管體側向彎曲剛度對拖拉力的影響。本研究重點考察了內襯管3 種不同側向彎曲剛度對拖拉受力的影響，3 種內襯管的特性見表2。

表2 3 種內襯管特性表

3.2 拖拉力數(shù)值結果分析

3.2.1 內襯管拖拉受力特點

考察內襯管被拖拉處（左側端點）的受力時程，可以得出在整個拖拉過程中，內襯管被拖拉至鋼管內部不同位置時的拖拉力特點。圖11 給出3 種內襯管的整個拖拉力時程變化。

圖11 3 種內襯管在鋼管中拖拉力時程

從圖11 中可以看出，對所有3 種內襯管，在拖拉過程中，當內襯管拖拉至平管和豎直管段時，拖拉力緩慢提升；但在彎管段，拖拉力均有陡升的現(xiàn)象（參見60～80 s、170～190 s 時間區(qū)間的拖拉力）。造成拖拉力具有這樣特點的原因可解釋如下：當內襯管在管道中被拖拉時，在水平管段時，拖拉力的提升是由于隨著進入管道的內襯管長度增加，相應的摩擦力增大造成的；在豎直管段時，隨著進入長度的增加，相應的內襯管重量增大，拖拉力也相應地增大。從拖拉力時程還可以看出，在水平管段和豎直管段，拖拉力增大的梯度是不同的，豎直管段的梯度大于水平管段。但當內襯管被拖拉經(jīng)過彎管段時，由于鋼管彎管段對內襯管有較大的反作用接觸力（簡單的靜力關系，參見圖12），因此，造成相應的摩擦力在彎管段劇增，即拖拉力陡增。根據(jù)以上對內襯管拖拉受力特點的分析可知：在水平段和豎直段，摩擦力主要由重力產(chǎn)生；而在彎管處，彎管的反作用力較大。對無側向彎曲剛度的內襯管A，我們可以手工計算得到的拖拉力的大小。通過圖11可以看出，對內襯管A，手算得到的內襯管拖拉力與軟件模型結果吻合良好。

圖12 具有一定側向彎曲剛度的內襯管過彎管段時與鋼管的接觸關系示意

此外，如果內襯管具有一定的側向彎曲剛度，拖拉力還需克服由于內襯管彎曲過彎所產(chǎn)生的接觸壓力而引起的額外摩擦力。從圖12 中明顯可以看出，側向彎曲剛度越大，所需的拖拉力越大。圖13 給出了3 種不同彎曲剛度的內襯管被拖拉經(jīng)過彎管段2 時，內襯管與鋼管的接觸關系模擬結果。其中，紫色線段表示鋼管與內襯管發(fā)生接觸部分鋼管的中心軸線；而白色點表示內襯管與鋼管發(fā)生接觸部分，即內襯管的接觸單元節(jié)點。可以看出，對于內襯管A，由于沒有側向彎曲剛度，在過彎時，管體貼合在彎管段2 的內弧上以及水平管段1 的下側管壁，內襯管軸向與鋼管軸向呈基本平行狀態(tài)。而對于內襯管B 和C，由于管體具有一定的側向彎曲剛度，在豎直管段有一部分管體接觸鋼管的右側管壁；在水平管段1，則有一部分接觸鋼管的上側管壁，內襯管軸線與鋼管軸線呈交叉狀態(tài)，同時，管體側向彎曲剛度越大，則接觸長度越大，接觸摩擦力越大。

圖13 3 種內襯管過彎管段2 時與鋼管的接觸關系（t=190 s）

3.2.2 內襯管沿管長的軸向力特點

通過對內襯管拖拉受力數(shù)值模擬，還可以得到不同拖拉時刻內襯管沿管長的軸向力分布。圖14 給出將整段內襯管拖拉入鋼管內的時刻（t=320 s），內襯管沿管長的軸向力分布情況。從圖14 可以看出，內襯管拖拉入鋼管后，從鋼管入口到出口，內襯管的軸向力是逐漸增大的，且在過彎段處，由于鋼管的彎管段對內襯管的接觸反作用力較大，內襯管軸力呈現(xiàn)陡增的特點。這與拖拉力時程曲線中，過彎管段時拖拉力陡增是一致的。同時，由于受內襯管側向彎曲剛度的影響，在彎管段的兩側，內襯管與鋼管壁產(chǎn)生較大的接觸壓力，引起軸向摩擦力的局部增大（參見圖14 中虛線圓圈中，內襯管B 與C 軸向力的局部增大）。

圖14 拖拉就位時刻3 種內襯管沿管長軸向力分布

根據(jù)計算分析得到的內襯管被拖拉就位后的軸力分布特點，建議在實際拖拉施工時，內襯管在拖拉就位后、安裝接頭前，需要靜置一段時間，使其軸向內力盡可能在自身材料彈性收縮作用下，有一個逐步消除的過程，從而避免在安裝接頭后的服役期內，存在較大的軸向內應力而影響其使用壽命。

4 結論

內襯管修復技術作為解決碳鋼管內腐蝕并延長既有腐蝕鋼管壽命的有效方法之一，必將會在海洋油氣管道的修復工程中得以廣泛應用。本文介紹了內襯管修復施工過程，并重點給出了計算分析內襯管拖拉受力方法并討論了拖拉力的特點和影響因素等，結論與建議如下：

1)內襯管在海洋管道修復拖拉時，需克服內襯管與鋼管之間的摩擦力以及自重等。

2）本文采用OrcaFlex 軟件，建立了一種能模擬內襯管在被修復鋼管中拖拉受力的模型，可以計算得出所需拖拉力大小，并考察內襯管被拖拉過程軸向力特點等。

3）由于彎管段的存在使得拖拉力在彎管處出現(xiàn)陡增的現(xiàn)象，且內襯管自身的彎曲剛度對拖拉力陡增影響明顯。所以，對存在較多彎管段的管道，拖拉力較大，拖拉會較困難。

4）對存在較多彎管段的海洋油氣管道進行內襯管穿插修復時，須仔細計算所需拖拉力值，采取必要措施，保證拖拉作業(yè)的順利完成。

5）內襯管拖拉就位后，在安裝接頭前，須靜置一段時間，以消除由于拖拉引起的內應力。