深水海底管道维修方法研究

马 超，孙 锟，黄叶舟，陈晓东，孙首阳

(深圳海油工程水下技术有限公司， 广东 深圳 518067)

深水海底管道维修方法研究

马 超，孙 锟，黄叶舟，陈晓东，孙首阳

(深圳海油工程水下技术有限公司， 广东 深圳 518067)

基于荔湾3-1气田周边的油气田深水管道情况，分析深水环境因素对管道失效的影响。具体给出三种深水海管失效形式，并提出相应失效模式下的维修方法，着重介绍不同维修方法的维修流程和核心维修工具资源。在此基础上，分析不同方法的优缺点，并探讨它们在荔湾周边的应用可行性。螺栓型管卡维修和连接器在底维修可作为我国深水海管维修的重点发展方向。

深水管道；管道失效；管道维修；维修程序

0 引 言

随着荔湾3-1气田的建设和投产，我国深水管线铺设长度已超过100 km，而且以后随着番禺35-1/2、流花29-1等气田的开发，南海深水管道将获得快速发展，其完整性问题是不可忽视的。国外油气田作业公司以及相关工程公司已建立深水管道应急响应维修系统，例如美国墨西哥湾DW RUPE[1-2]、挪威Statoil公司建立的RPRS[3]等。美国Oil States公司提出了四种深水海管维修方式[4]，其中三种采用更换受损海管的方式，一种采用隔离的方式。美国Oceaneering公司开发出两种连接系统用于深水海管维修作业：垂直连接系统和水平连接系统[5]。意大利Saipem公司所建立的SiRCoS已在地中海和北海获得应用，可用于维修20～48英寸(1英寸=2.54 cm)的大直径管道[6]。国内在渤西油气田、惠州油田、涠洲油田等进行过多次海管维抢修作业，但作业水深都在300 m以内，满足不了荔湾周边等深水油气田(300～1 500 m水深)海底管道维修的需要。为了维护深水油气田的后期运营，有必要针对深水海底管道维修方法进行研究。本文基于荔湾3-1气田周边的深水油气田管道情况，结合深水环境因素，探讨了深水海管的失效形式和维修方法。

1 荔湾周边深水管道失效形式

海底管道的失效原因主要来源于三个方面：(1)自身因素，如管线自身材料缺陷、焊接质量缺陷、密封连接问题、防腐问题、管道附件老化问题等；(2)人为因素，如抛锚、拖网捕鱼等渔业活动、施工作业活动范围内和平台附近的坠落物撞击作用、水下机器人(ROV)作业影响等；(3)环境因素，如内部流体腐蚀和外部腐蚀、海底滑坡或滑塌、土体稳定性、波浪或潮流冲刷引起管线悬空、风浪和海流作用造成的疲劳破坏、地震、海啸等。下面就环境因素进行分析。

对于荔湾周边深水管道而言，腐蚀问题是不可避免的，而且随着服役时间的增长和铺设量的增加，海底管道失效概率将逐年增大，因此腐蚀问题是引起深水管道失效破坏的最重要原因。荔湾周边海底地形总体走向为东北-西南方向，在水深为190～1 400 m的管道路由上可能会经过海底峡谷、海底滑坡、古珊瑚礁、海底沙坡、断崖和陡坡等各种类型的海底地貌[7]。这些地貌区域一旦发生滑坡和塌陷，会导致管道表面出现坑洼或裂纹，甚至出现管线大漏和管道变形。荔湾周边管道路由区的土质[8]分为三类：(1)表层土体为极软黏性土，下部为珊瑚礁；(2)表层土体为松-中密砂，下部为坚硬土；(3)表土类型为松-中密砂，底质为非常软的高塑性黏土或粉土。其中第一类土体工程地质条件最好，第三类土体最差。砂质海床在波流或风暴潮作用下会发生淘蚀、液化现象。当海底管道铺设在这些不稳定的海床上时，一旦发生海床塌陷、滑动或冲蚀，管体将发生较大的变形。荔湾周边管道路由地区海底底流主要是内波流和潮流，其流速范围为0.05～0.45 m/s。底流会对管线下部土体产生冲刷造成管道悬空，海流经过悬跨管道时会在管道后部释放漩涡引起管道振动，进而导致疲劳破坏，其主要表现为穿孔小漏的形式。

基于以上分析，可将荔湾周边深水海管受损失效形式划分为以下三种类型：(1)穿孔小漏，为点漏或者小面积泄漏，没有大的机械变形；(2)管线大漏，损伤的海底管道长度大于一个管道直径，往往伴随着大量溢油现象；(3)管道变形，这种损伤不会造成海管泄漏，但会降低海管使用寿命，且较大的变形将使清管作业无法正常进行。

2 深水海管维修方法

对于穿孔小漏，由于表现为小面积泄漏，故可在受损管体外进行封堵，具体方法为管卡维修；而对于管线大漏和管道变形，由于失效面积较大，故采取切除局部受损管段并更换的方式[9-11]。表1概括了三种失效形式对应的维修方法。

管卡维修，即在受损管体外侧设置维修管卡，根据管卡固定形式可以分为两种：螺栓形式和焊接形式(见图1)。受损管段更换维修，根据自由管端和更换管段连接方式可以分为3种(见图2)：(1)连接器维修，膨胀弯短节两端安装机械连接器；(2)焊接维修，膨胀弯两端安装套筒进行焊接固定和密封；(3)螺栓管卡维修，膨胀弯两端安装螺栓型管卡实现维修。

表1 深水海管维修方法Table 1 Repair methods for deepwater pipeline

图1 螺栓形式和焊接形式管卡维修Fig.1 Repair with bolted or welded clamp

图2 连接器维修、焊接维修和螺栓管卡维修等受损管段更换维修方法Fig.2 Repair methods with pipe replacement by using connector, welding, and bolted clamp

2.1 管卡维修

螺栓形式管卡维修程序如下：(1)管线预调查，找到并确认管线受损位置；(2)下放提管架，提升受损管段，使其脱离海床[见图3(a)]；(3)吊机配合ROV实现维修管卡下放就位；(4)ROV操作维修管卡控制面板，完成维修管卡安装[见图3(b)]；(5)完成维修管卡的密封测试；(6)ROV操作提管架，将修复后的管段放回海床；(7)回收提管架和ROV等，完成修复工作。

维修所需的资源包括ROV支持船、维修管卡、维修管卡吊放工具、ROV吹泥泵、提管架等。其中维修管卡和提管架是核心维修作业工具。

美国Oil States 公司和QCS 公司已设计出适用于深水的维修管卡。图4所示为Oil States 公司的HydroTech维修管卡。它主要是通过大量的螺栓进行紧固，在管段外部创造一个高压密封的环境。这种维修管卡可分为两种类型：全结构型和非结构型。全结构型维修管卡用于那些存在结构强度隐患的管道维修情形。其适用的管径和内压范围为3英寸/68.95 MPa～48英寸/11 MPa(1英寸=2.54 cm)。

提管架(PLF)，一般为H型框架，用于提升管段脱离海床，适用于安装管卡、切割管道等作业情形。图5所示为美国Oceaneering公司开发的提管架。它重约11.6 t，垂直提升载荷最大为18 t，横向移动最大负载为9 t，管道夹具旋转角度最大为5°，最大适用海床坡度为5°。

图3 管卡维修程序示意图Fig.3 Illustration of clamp repair method

图4 HydroTech维修管卡Fig.4 HydroTech clamp

图5 Oceaneering公司提管架Fig.5 PLF from Oceaneering

2.2 连接器维修

连接器维修的一般程序如下：(1)管线预调查，找到并确认管线受损位置；(2)下放提管架，提升受损管段，使其脱离海床；(3)切割受损管段，并对自由切割管端进行涂层清除、打磨等处理作业；(4)ROV引导下放龙门维修基盘；(5)ROV操作完成夹具密封液压连接器与自由管端连接，并进行密封测试[见图6(a)]；(6)回收龙门框架，测量两个连接器轮毂之间的距离和方位，预制膨胀弯；(7)ROV引导下放连接器就位[见图6(b)]；(9)ROV操作完成连接器的连接；(10)连接器密封测试；(11)回收提管架和ROV等相关作业工具，完成修复。

维修所需的资源包括ROV支持船、提管架、ROV吹泥泵、管道切割工具、涂层清理工具、龙门维修基盘、连接器系统、水下测量工具等。其中提管架、管道切割工具、龙门维修基盘和连接器系统是核心维修工具。

图6 连接器维修程序示意图Fig.6 Illustration for connector repair method

深水管道切割工具主要用于ROV操作，实现受损管段的切割。如图7所示，美国Wachs公司的深水金刚石绳锯机可以水平或垂直切割海管，可用于3 000 m水深，能够切割管径为0.102～1.27 m的海管。

图7 Wachs公司深水金刚石绳锯机及其ROV控制面板Fig.7 Deepwater diamond wire saw from Wachs and its ROV control panel

在切除损坏的海底管道后，需使用外涂层和焊缝清除工具(CFRT)清除管线终端任何外涂层；如果管道结构是焊接缝合，还需将焊冠磨平，以便在管线外表面进行密封。如图8所示，美国Wachs公司的CPT-3 为可旋转ROV携带的涂层清除工具，适用管径12～24英寸。它包括一个C字架和两个开口卡子，沿海管轴向直接安放至海管。切割和开坡口模块采用一个立式铣床配备粗磨、切角工具及自动馈给装置。熔结环氧(FBE)清除模块配备一个砂轮以清除海管表面粉末涂料。焊缝清除模块配备楔形榫状切割器，以切除焊缝冠，之后自动反馈给铣床对海管进行坡口加工。

图8 CPT-3 涂层清除工具Fig.8 CPT-3 coating removal tool

龙门维修基盘集夹具密封液压连接器、弯管和套筒连接器轮毂为一体，同时为在切割受损管段后的自由管端处安装弯管提供结构支撑。如图9所示，在弯管两端分别是夹具密封液压连接器(GSHC)和垂直连接器轮毂。一旦夹具密封液压连接器和自由管端完成连接，龙门框架将回收到甲板。

连接器系统主要包括两部分：膨胀弯和两端的连接器。膨胀弯用于替代受损管段，需要测量水下切割管段长度便于预制。连接器主要用于实现自由管端和膨胀弯管端的密封连接。如图10所示，美国Oil States公司的夹具密封液压连接器是一种管道端部连接器，安装在自由管端，起结构连接节点的作用。套筒夹具用于承受管道轴向拉伸或压缩载荷，当外部载荷越大时，套筒夹具越紧。夹具密封连接器有一个密封系统，具有温度补偿作用。ROV通过面板激活密封机制并完成密封测试工作。其适用的管径和内压范围为3英寸/68.95 MPa～48英寸/11 MPa。

图9 龙门维修基盘Fig.9 Gantry sled

图10 夹具密封液压连接器Fig.10 Grip and seal hydraulic connector

2.3 焊接维修

受损管段更换焊接维修的一般程序如下：(1)管线预调查，找到并确认管线受损位置；(2)下放提管架，提升受损管段，使其脱离海床；(3)切割受损管段；(4)自由管端端部处理，包括清除管体外部涂层[见图11(a)]；(5)测量自由管端的距离，预制带有套筒的膨胀弯；(6)ROV引导下放膨胀弯就位；(7)膨胀弯和自由管段对中，预密封连接；(8)下放焊接机器人系统就位；(9)安装焊接机器人系统，完成熔化极气体保护焊(GMAW)填角焊接[见图11(b)]；(10)回收提管架和ROV等相关作业工具，完成修复。

图11 焊接维修程序示意图Fig.11 Illustration of welding repair

维修所需的资源包括ROV支持船、提管架、ROV吹泥泵、管道切割工具、涂层清理工具、膨胀弯、水下测量工具、焊接机器人系统等。其中管道切割工具、涂层清理工具、膨胀弯和焊接机器人是核心维修工具。

在挪威Statoil和Hydro公司共同研制开发的PRS系统中，采用GMAW填角焊接技术，在用于受损管段更换的膨胀弯两端安装套筒。如图12所示，套筒两端分别有双层的水密封介质，并沿管周均匀分布。ROV负责安装焊接室，并使套筒处于焊接室内部。焊接室充满气体，为焊接创造干式环境。焊接支持篮为焊接室提供电缆、动力和气体。

3 不同方法对比分析

将不同海管维修方法进行对比，如表2所示。

图12 套筒外观及焊接机器人水下作业Fig.12 Sleeve and welding performed by ROV

表2 深水海管维修方法对比Table 2 Comparision of pipeline repair methods

基于以上内容，总结各种方法特点如下：

(1) 管卡维修。特别适用于小面积管道损伤情形，其维修作业程序相对简单，所使用的工具相对较少；当用于大面积管道损伤情形时，可在膨胀弯两端安装两套管卡，尽管维修作业程序相对复杂、管卡成本高，但因便于ROV安装和进行密封测试，仍具有很好的发展潜力。管卡维修可为受损管段创造一个高压密封的外环境，因此能够对高压管道实现维修。全结构型维修管卡用于提高管道结构强度。螺栓型维修管卡可以实现快速安装，在深水管道维修领域具有很高的经济性。

(2) 连接器维修。用于更换的管段一般是膨胀弯短节，其两端装有连接器，实现自由切割管端和膨胀弯管端的密封连接，在一定程度上简化维修操作、便于安装。对于大直径的管线，不推荐使用连接器维修方法。服役时间长可能会使得管道结构强度不足，不利于连接器维修。若海底底流严重，会使得垂直膨胀弯发生涡激振动。膨胀弯短节的设计应能够承受高温高压管线所受的循环载荷，有一定的抗疲劳能力。海底地形坡度大会阻碍连接器在底维修的实施。

(3) 焊接维修。焊接密封质量好，但是随着水深的增加，水下焊接质量无法保证。大直径管线维修可使用焊接的方式。水下焊接主要是采用角焊方式，对接焊技术目前并不成熟。深水压力、海底地形、自动焊接机器人系统等因素严重制约深水焊接维修的发展。

4 结 语

总体来说，螺栓型管卡维修是一种合理的方式，能够满足深水管道一般性泄漏维修的需要；对于较为严重的海管失效模式，连接器在底维修可以作为一种有效手段；焊接维修方法则在技术上还有待进一步发展。未来我国可将螺栓型管卡维修和连接器在底维修作为重点发展方向。

在实际制订管道维修方案之前，必须调查获得相关详实资料，如受损管道资料、海底环境资料、气象资料、实施船舶资料等。另外，维修作业工具的设计和制造以及密封技术、管体外侧涂层清除和外敷技术、深水水下切割技术、水下可见性保障技术、修复后检测技术等均需要进行研究，并给出不同情形下的解决措施。

[1] Rebello A, Ayers R. DW RUPE: a low-capex deepwater pipeline repair system for the Gulf of Mexico[C].OTC, 2006:17772.

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[4] Oil States. Deepwater pipeline repair [OL]. http://www.oilstates.com/fw/main/Deepwater-Pipeline-Repair-460.html.

[5] Oceaneering. Diverless connection and repair systems. [OL]: http://www.oceaneering.com/pipeline-connection-repair-systems/diverless-pipeline-systems/diverless-connection-and-repairsystems.

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StudyonRepairMethodsforDeepwaterPipeline

MA Chao, SUN Kun, HUANG Ye-zhou, CHEN Xiao-dong, SUN Shou-yang

(COOECSubseaTechnologyCo.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong518067,China)

The special environment conditions of oil and gas fields near Liwan 3-1 are introduced with their adverse effects on pipelines, and three damage scenarios of deepwater pipeline for repairing damaged pipeline are listed. According to the damage scenarios, methods for repairing damaged pipeline in deep water are summarized with repair procedure and equipment, and those methods are compared. Finally, the application possibility of all methods for pipeline repair in deepwater field is analyzed. It is concluded that repair with bolted clamp or connector can be main repair methods for deepwater pipelines in China.

deepwater pipeline; damage scenarios of pipeline；pipeline repair; repair procedure

2015-05-22

国家科技重大专项(2011ZX05056-002-04)

孙锟(1990—)，男，硕士，主要从事船舶与海洋工程方面的研究。

TE973

A

2095-7297(2015)03-0168-07