海底管道修复技术及我国的发展状况

2015-04-12陈社鹏谷风涛

化工装备技术 2015年5期

陈晨陈社鹏谷风涛

（中国石油天然气管道局国内事业部）（中国石油天然气管道应急抢险中心）

0 引言

海底管道是海上油气田开发和建设的重要组成部分，它是油、气集输和外输的最主要的方式。随着世界海洋能源的快速发展，海洋开发也日趋频繁，从1954年Brown&Root公司在美国墨西哥湾铺设世界上第一条海底管道以来，世界各国铺设的海底管道总里程已达十几万公里。而我国海底油气管道的发展仅有20多年的历史，目前我国海底管道已超过4.0×103km[1]。从我国海洋石油2015年的远景规划来看，海洋能源的开发将是我国能源战略的重要方向。1973年我国首次在山东黄岛采用浮游法铺设了3条500 m从系泊装置至岸上的海底输油管道。自那时至今，我国海底管道大部分已进入了服役中后期，事故频发已经危及海底管道的运行安全。本文主要从海底管道维抢修技术方面阐述海底管道的失效形式和修复方法。

1 海底管道修复技术现状

海底管道维抢修技术对于我国还比较陌生的时候，国外已经是非常成熟的技术了。以PLIDCO公司，TDW Offshore Services AS公司，Wachs Subsea公司，OCEANEERING公司等为代表的国外专业化公司，其技术水平已经发展至千米级深水维修阶段，已经从潜水员辅助维修发展至水下无人维修系统。

在我国，随着海洋油气资源的不断开发，油气管道的安全运行也日渐被重视，发展我国自主产权的海底油气管道维抢修技术和装备已迫在眉睫。“十五”863计划 “渤海大油田勘探开发关键技术”重大专项研制的 “水下干式管道维修系统”在渤海成功进行了海上试验。该系统是由海洋石油工程股份有限公司联合上海交通大学、中国石油大学（北京）、北京石油化工学院和哈尔滨工程大学五家单位进行联合研发的，目前只能在60 m以内水深进行管道维修研究及施工作业，与国外先进技术相比还有很大的差距。 “十二五”期间中国石油天然气管道局进军蓝色海洋管道市场，并不断研究和开发海洋管道维抢修技术和装备。图1为中国石油天然气管道局自主开发的海底管道抢修卡具和机械式封堵三通。

图1 海底管道抢修卡具和机械式封堵三通

2 海底管道分类

海底管道可按多种方式进行分类。

按照输送方式划分：海底输油管道，海底输气管道，海底油气混输管道，海底输水管道。

按海底管道的结构划分：双重保温管，单层管道。

按工作范围划分：油气集输管道，油气外输管道。

3 海底管道损伤的原因

据相关资料统计，海底管道出现损伤、泄漏的概率为0.2% （按每年每1000 km管道发生损坏的概率统计）[3]。自1973年我国建设首条海底管道至今，大部分海底油气管道已经步入了服役中后期，管道因内外腐蚀、地质灾害及第三方破坏等因素影响，其损坏率有逐年递增的趋势。表1为1998～2012年我国海底管道泄漏事故的统计。

由表1和相关文献资料可将管道受损原因大致归纳为6个方面：

（1）管线在路由选择和设计时不合理，导致了管线在施工中遭到损坏，这种损坏往往并没有被及时发现。此外，管线材料的内在缺陷在当时未被发现，但在后来的管线运行过程中逐渐暴露出来，也是造成管线损坏的原因。

表11998 ～2012年我国海底管道泄漏事故统计[10]

（2）海底管道的路由位置正好处于海上作业施工点或航道处，由于工程施工、船舶抛锚、拖网捕鱼等作业造成了海底管道的刮伤、砸伤。

（3）管线周围的土体受到海流的长期冲刷，造成埋设管线露出海床，并可能形成长的悬跨段，给管线安全运行造成危害。

（4）海面上航船等抛下的物体，也可能撞击到管道，使得管道局部受力过大，造成管体破坏。

（5）海底管道输送的介质通常都具有一定的腐蚀性，长期输送这样的介质会造成管道内腐蚀。此外，海洋环境因素也会造成管道外腐蚀。管道内外腐蚀的共同影响，更易造成管道的腐蚀破坏。

（6）管内介质的流动会造成管体轻微振动。管线长期受到这种振动影响，会使管体周围土质变松，再加之海流冲刷，就极易产生管道悬跨或管道浮出管沟的现象。

4 水下破损管道的修复方法

由于海底管道所处环境的特殊性，难免造成各种各样的损坏。要修复损坏的管道或管道上的缺陷，需要根据管道损坏或缺陷的情况和作业能力来选择合适的修复技术。一般情况下海底管道维修方式可分为如下几种：钢套袖修复法、外卡修复法、套筒修复法、机械连接器修复法、机械式三通维修法、法兰修复法、水下焊接修复法等[2-5]。

4.1 钢套袖修复法

钢套袖修复法一般分为焊接式钢套袖和机械式钢套袖两种。焊接式钢套袖修复法是采用与原管道相同型号、分为两个半圆形的钢套将其套在破损管道表面，然后采用焊接的方式焊接半圆形钢套，并在钢套和管道间的缝隙填充密封材料，见图2。机械式钢套袖与焊接式钢套袖类似，也是分为两个半圆形钢套，不同之处是机械式钢套袖采用螺栓紧固上下半圆形钢套，将其紧固在受损管道的外表面，并在钢套内表面和管道外表面之间的间隙中填塞密封材料，见图3。这种修复方式操作简便，管道可不停输，也无需管道断管作业。但由于焊接式钢套袖方法涉及水下焊接作业，水下焊接质量难以保证，因此只适用于修复管道小面积的腐蚀以及对浅水管道的修复。

图2 焊接式钢维修套

图3 螺栓连接式钢维修套

4.2 外卡具修复法

外卡具修复法是在海底管道泄漏部位安装堵漏卡具，卡具主要由上下壳体、液压机构、密封机构及端塞组成。施工时，通过安装在卡具上的液压机构将上下壳体张开，由潜水员牵引至管道维修处并扣在需修复的管段上，采用液压扳手将上下壳体连接螺栓拧紧，两侧的端塞螺栓采用液压扳手拧紧，保证卡具的轴向和环向密封条达到密封要求，最终达到管道设计运行要求。外卡具修复主要用于修复泄漏较小的管道，卡具形式如图4所示。

图4 海底管道抢修卡具

4.3 连接器修复法

连接器修复法可按照连接器的类别不同分为法兰连接器修复法和机械三通修复法。

4.3.1 法兰连接器修复法

法兰连接器修复法是将原有管道进行机械断管后，在管端安装法兰连接器，同时在更换管段端部预先焊接法兰，替换管段采用法兰连接的方式与原管道上的法兰连接器进行机械式连接，达到修复的目的。

法兰连接器修复法的主要步骤如下：切割破损管段后，将法兰连接器安装到管端，再安装拉紧螺栓，然后通过螺栓拉伸器将螺栓拧紧。法兰连接器上的凹槽受到力的作用，与管道外表面接触，并使管道壁产生塑性变形，形成整体密封。安装好法兰连接器后，再安装替换管段。法兰分为标准法兰、旋转法兰和球形法兰。其中标准法兰适用于水面管道维修，旋转法兰和球形法兰适用于海底管道维修，见图5。

图5 法兰连接器及法兰连接器的安装

法兰连接器修复法适用于大面积管道破损的维修、长距离管道更换；可在水下调节安装角度和方向，更加适宜于水下换管以及管道同轴度难以保证时的维修；作业过程比较简单，潜水人员可进行操作，简便易行。缺点是：由于全部采用非焊接形式，易产生机械密封不严、微泄漏等现象。

4.3.2 机械式三通修复法

机械式三通修复法按照工艺来说，应归类于水下不停输或者停输开孔封堵修复工艺。机械式三通与水下开孔机和封堵器配合使用，即可达到修复管道的目的。机械式三通和陆地管道不停输封堵工艺使用的三通功能一致，区别在于机械式三通是通过螺栓紧固和密封机构共同作用使其固定在管道上的，而陆地管道不停输封堵采用的三通是直接焊接在管道上的。为了使得机械式三通便于在水下安装，在设计过程中采用了液压机构，使其能够在水下自由打开和闭合，横向和环向密封设计和端部卡瓦设计使得机械式三通使用更加安全。机械式三通的结构如图6所示。

4.4 水下焊接修复法

水下焊接修复法是在水下切割破损管段，并对管道切口端部进行机械处理，完成修复短节与原管道的对口，再将处理后的管端与替换管段进行对口焊接，焊口作防腐处理，最终完成修复工作。

水下焊接修复法分为湿式焊接法、局部干式焊接法和干式焊接法。此外，还有水下摩擦叠焊修复法、等离子焊修复法等[6-7]。

图6 机械式三通结构

4.4.1 水下湿式焊接法

水下湿式焊接法施工时，设备置于海水环境中，电弧与水之间没有隔离措施，电弧仅依靠焊条在焊接作业过程中产生的气体来保护，焊接质量难以控制，效率低，可靠性相对较差。

随着我国水下焊接技术的不断发展，近年来已经开发出了应用于水下焊接的专用焊条，进一步推动了水下湿式焊接技术朝着操作简便、成本低廉、施工作业简单的方向进一步发展。

4.4.2 水下局部干式焊接法

与水下湿式焊接法不同，水下局部干式焊接法是将焊接部位周围局部范围内的水用人工方法排除，形成局部气室，焊弧将被保护在这个区域内，而焊接所需设备和人员则处在海水中。

4.4.3 水下干式焊接法

水下干式焊接法是将施焊部位区域水排出，形成 “干”式环境，之后再进行焊接操作。依据周围压力的不同，通常可以分为干式高压焊接法和干式常压焊接法两种。

（1）水下干式常压焊接是 “干”式环境，压力为常压状态，此种状态便于潜水员进行焊接作业，焊接质量与陆地相同，适合于浅水管道的修复。

（2）水下干式高压焊接在最近几年发展较快，研究此项技术较早的是北京石油化工学院，其在水下高压焊接方面取得了一定成果。水下高压焊接法是一种效率较高的水下管道维修方法，尤其对于深水海底管道的维修具有一定优势，目前各国都在进行相关方面的研究和应用。

5 修复方法的选择

在深海海底管道维修中，一般将管道损坏长度小于其管径，且不危及管道整体结构的损坏称为管道小损坏。例如，由于管道的局部腐蚀或管道焊接缺陷而造成的裂纹或小孔泄漏。相对于管道小损坏而言，管道受损长度大于其管径，一般称为管道大损坏。

管道维修一般应根据管道损坏程度、维修系统能力及作业支持船舶的综合能力等因素选择合适的维修方法。此外，还需考虑海底管道的基本参数（管径、设计压力、壁厚、管道形式）、水深、海底埋设深度、破坏位置、临时性的还是永久性的维修措施、维修作业时间的长短、现有的维修技术和维修设备以及维修成本等。表2为Joseph Killeen等列举出的海底管道可能出现的几种损坏情况，以及可以选择的相应维修方式。