一种免海水进入的柔性软管高效铺设技术

戚 蒿，陈大江，汪建明

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，广东 湛江 524057)



一种免海水进入的柔性软管高效铺设技术

戚 蒿，陈大江，汪建明

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，广东 湛江 524057)

以南海某气田软管安装项目为例，研制爆破膜、段间快速连接器和球型法兰连接器等软管铺设成套设备，并发明了一种采用注浆气囊跨越已有海底管线和免海水进入软管的高效铺设技术。采用该成套设备和高效铺设技术，不但可节省大量的海上软管铺设作业时间，提高软管铺设效率；而且可保护软管免受海水介质的腐蚀，提高软管的整体使用寿命。

柔性软管；成套设备；注浆气囊；免海水；铺设技术

在边际油田开发中，尽管单位长度柔性软管造价较高，但较钢管海管的最大优势在于对地形适应性好、防腐性能好、易铺设和可回收等特点[1]，在天气、海况允许的条件下，可以实现软管的连续铺设，从而节省大量的海上作业时间[2]。同时，可以采用软管代替部分立管和膨胀弯[3]。南海某气田项目两固定平台之间需铺设1条长约10 km、304.8 mm(12″)的大口径海底输气软管用于将井口平台的油气输送到中心平台进行处理，该软管结构示意见图1。

图1 软管结构示意

由于软管骨架层通常选用不锈钢材质，经模拟海水腐蚀试验得知：不锈钢材质在海水中的浸泡时间有限，否则会对软管的整体使用寿命产生影响。而且，骨架层结构为锁扣型式，成型后的骨架之间存在间隙，使得骨架与内压密封层之间会残存少量海水，虽然后续会进行软管清管、排水和干燥作业，但很难将海水置换干净。同时，由于该项目软管铺设时间被安排在天气海况较差的冬季进行，这就要求在允许的天气窗口内完成软管与立管的对接，软管段与段之间的连接，以及已有管线的交叉跨越等影响铺设效率的作业内容。

为了避免海水进入软管内对骨架层不锈钢材质的腐蚀影响，实现软管的免海水进入铺设作业，研制了一种免海水进入的爆破膜。同时，为了进一步提高软管的海上铺设效率，以及最大限度地减少潜水员的水下作业时间，研制了软管段间快速连接器和球型法兰连接器。

1 软管铺设成套设备的研制

1.1 爆破膜

在软管直管段铺设完成，与平台立管连接之前，常规的做法是将软管拖拉封头拆除，再将软管接头与立管对接，这样就会使得海水进入软管内。为了实现软管与立管对接时的免海水进入，设计了一种全通径拉脱式金属密封膜片，即爆破膜，见图2。

图2 爆破膜结构示意

其中，金属膜片通过熔极焊与八角垫焊接在一起。该爆破膜安装在硬管短节与软管接头之间，在软管与立管对接和锁紧后将金属膜片从立管内取出。

爆破膜的设计应满足如下技术要求。

1)承受水深所产生的静水水压而不致破裂。

2)为满足通球要求，在金属膜片四周设计环向刻槽(见图2)，使得拉脱后的爆破膜内径不得小于管道内径。

3)为便于拉脱后的金属膜片沿立管顺利拉出，收缩变形后的膜片应小于管道内径。

4)膜片的拉脱力小于20 kN。

1.2 软管段间快速连接器

由于软管在过驳和海上铺设期间经常发生打扭现象，同时，为了节省软管接头海上焊接和无损探伤检测时间，以及避免软管临时弃管时切断软管的问题出现，研制一种软管段间快速连接器，其主要组成见图3。

图3 段间快速连接器结构图

该连接器的结构特点是：连接器的2端对称，一侧管接头安装密封钢圈，以内六角螺钉及钢圈卡环固定，并在管接头凹槽内安装O形密封圈。2管接头的对接是以卡箍(2块对称)抱紧，通过拉伸器实现螺栓、螺母的紧固和预紧。安装完成后，利用O形密封圈进行背压密封，背压测试压力1.5 MPa，保压15 min；利用密封钢圈进行流道密封，测试压力15 MPa，保压1 h。

1.3 球型法兰连接器

海管连接器用于海底管道(膨胀弯、跨接管或软管)与水下结构设施(水下管汇或水下采油树)的连接。在水下结构设施的安装中，由于安装精度的误差问题，比如，水平度、艏向及位置等，导致海底管道与水下结构设施对接困难。同样，软管与立管对接时，由于立管弯头角度、法兰垂直度等安装误差或尺寸偏差问题，也会导致软管接头与立管法兰对接困难，容易造成水下法兰在管道偏差外应力作用下出现密封不严的问题，容易发生泄漏。

水下管道系统连接中的角度偏差不仅使得法兰连接不可靠，也使得水下施工困难。为了解决角度调整问题，保证长期使用及法兰密封设计[4]，同时，为了方便软管与立管的对接，减小潜水员的水下工作量，研制一种球形法兰连接器来实现软管接头角度的调节，调节角度范围为10°以内。该球形法兰连接器主要包括球体、球法兰、定位法兰、第一环密封面法兰、第二环密封面法兰、螺柱、花篮螺栓及调节螺栓等，见图4。

图4 球型法兰连接器结构

2 免海水进入软管高效铺设技术

以该气田项目2平台之间的软管铺设为例，介绍免海水进入的软管高效铺设方法。鉴于软管的起始端铺设、正常铺设、甩尾和弃管、拾管等施工工艺与常规的S-lay铺管船[5]所采用的S形铺设方法[6]类似，这里不再赘述。

2.1 采用注浆气囊跨越已有海底管线

海管跨越处理的常规方法是在新管线铺设前在原有管线2侧铺设混凝土压块，在混凝土压块2侧叠放沙袋，或者在已有管线上方安装钢结构保护装置[7]，在其上方铺设新管线。但新铺管线的实际路由与设计路由不可避免地会存在一定的偏差，使得基础处理的范围或钢结构保护装置的尺寸必须适当放大才能满足要求，无形中增加了海上工作量。传统的海管交叉跨越处理方法存在以下主要缺点。

1)需要专门动员作业船舶在新管线铺设前对交叉跨越点进行预处理，产生极大的作业成本。

2)由于每块混凝土压块都需要单独吊装安装，大量的混凝土压块吊装将会导致增加海上工作量。

3)混凝土压块吊装、海底安放中需要严格控制避免与原有管线磕碰，安全风险极大。

4)新铺软管需要精确控制确保从混凝土压块上跨越，难度较大。

针对海管交叉跨越技术作业时间长、成本高、风险大的缺点，设计和应用新型软管跨越技术，即软管在跨越已有海底管线前预先将注浆气囊绑扎于软管设计位置，注浆气囊随软管下放并准确放置于已有管线2侧，然后对气囊进行注浆，直至新铺软管与原有海管垂直间距在200～300 mm时停止注浆作业。

下面简要介绍采用注浆气囊跨越已有管线的施工步骤。

1)借助ROV观察软管着泥点位置，利用软管长度标记核实软管水中悬链线长度。

2)当软管着泥点与拟交叉跨越点的距离大于悬链线的长度时暂停铺设，工作人员于船艉操作平台上绑扎水下信标及回收绳，并记录信标绑扎点在软管上对应的刻度，比如，515 m。

3)启动铺设系统，软管继续下放，当软管上绑扎信标的位置着泥后，ROV打点标记信标位置。

4)定位人员核算信标与拟交叉跨越点的距离，比如，175 m。

5)使用船艉卷扬机回收信标(回收采用直接拉断信标固定绳方式)。

6)软管继续沿设计路由下放，待铺设至软管有680 m刻度标识时停止铺设，在680 m标识线的2侧绑扎注浆气囊(见图5)，在气囊2个端部绑扎浮球，使气囊下水时两端漂浮于软管之上，避免到达海底泥面将气囊端部压在软管下面。

图5 注浆气囊绑扎示意

7)注浆气囊绑扎完成后，继续软管铺设作业，如图6所示，ROV实时观察气囊水中姿态，在软管铺设过程中应保证着泥软管与已有管线垂直，否则，通过绞船微调铺设路由。

图6 注浆气囊随软管下放示意

8)当2个气囊着泥后，ROV解除注浆气囊固定及浮球绑扎绳，微调气囊位置并将气囊平摊放在泥面上，暂停作业。

9)施工船舶上开始注浆作业，ROV实时观察注浆气囊的状态，直至新铺软管与已有管线垂直间距满足要求后停止注浆作业。

10)ROV关闭气囊侧水下阀门，断开注浆管线快速接头，回收管线，交叉跨越施工作业完成，见图7。

图7 交叉跨越处理完成

2.2 免海水进入铺设技术

要实现软管的免海水进入，应在软管端头下水之前提前完成以下工作。

1)将爆破膜安装在硬管短节与软管接头法兰之间(见图8)，并通过螺栓拉伸器紧固。

图8 爆破膜安装示意

2)在平台立管顶部安装同孔注气排水密封装置，并预穿一根经过尼龙过塑的钢丝绳，以便与爆破膜上的牵拉钢丝绳连接。

3)连接平台工厂风与同孔注气排水装置，将立管内的海水排空，关闭装置上的阀门，保证立管内无海水进入。

4)在导管架陆地建造时，预先安装一套软管接头拖拉对接装置，该装置主要由导向滑轮组、牵拉钢丝绳、滑轮组固定支撑等组成。

下面以该气田平台侧立管与软管连接为例，简单介绍免海水进入软管施工工艺。

1)施工人员上平台将2根牵拉钢丝绳一端与平台上100 kN卷扬机连接，另一端与软管球形法兰连接器上的螺栓孔连接。

2)平台施工人员向立管内注淡水，使立管内水位与海水持平，潜水员下水拆除立管盲板法兰。

3)潜水员下水拆除球形法兰连接器法兰上的软管拖拉封头，启动卷扬机缓慢将软管末端牵拉至立管法兰处，见图9。

图9 软管牵拉示意

4)缓慢启动卷扬机，继续牵拉作业，潜水员采用扳手调节球形法兰连接器上的花篮螺栓，使球形法兰球面旋转调节并与立管法兰面平行对接；潜水员采用2根细螺栓进行法兰螺栓孔对接。

5)盲板拆除完毕后，平台施工人员向立管内注气，使立管内气压达到0.7 MPa，关闭注气阀，保持立管内压力，将海水从立管内排除。

6)在法兰对接过程中，预留钢丝绳连接空间，潜水员连接预留在立管中和爆破膜上的牵拉钢丝绳。

7)缓慢拉近立管法兰和球形法兰。

8)将所有螺栓穿入，并拧上螺母，螺栓顶面与球形法兰连接器侧法兰面距离以185 mm及72 mm交叉布置。

9)潜水员打开助浮气囊放气阀，将气囊内部的空气排掉，解除气囊与软管的绑扎固定，船上工作人员将气囊回收至船甲板。

10)潜水员安装液压螺栓拉伸器，螺栓上紧后拉力为286 kN。

11)拉紧螺栓时分3次上紧，第1、2次分别按50%、80%转矩紧固。第3次按顺时针依次上紧，按100%转矩紧固。

12)拆除液压拉伸器并回收，法兰连接完毕。

13)起动预安装在平台上的150 kN爆破膜牵拉绞车，缓慢将爆破膜片从立管内拉出(见图10)，确认软管内无残留部件，软管连接完成。

图10 爆破膜拉脱后的实物

3 结论

随着爆破膜、软管段间快速连接和球形法兰连接器等一系列软管铺设成套设备的成功研制，不仅实现了软管在整个铺设过程中的免海水进入作业，使得软管骨架层免受海水介质的腐蚀影响，保证了软管的整体设计寿命，而且极大提供了软管的海上铺设效率，降低了软管施工过程中的成本。同时，采用注浆气囊实现了新铺管线与水下已有管线的交叉跨越，不仅节省了交叉跨越点的预处理作业，而且降低了水泥压块或钢结构保护框架安装过程中碰撞已有管线的风险。经测算，与传统软管的铺设作业相比，免海水进入的柔性软管铺设技术至少节省了10天的海上作业时间。该项技术的成功应用可为后续类似软管铺设项目的实施提供一定的参考和借鉴。

[1] 陈海.国产海底软管在海上油气田的应用[J].石油机械，2016(5)：61-65.

[2] 闫嗣伶，杨中娜，李文晓，等.海底柔性管道技术研究[J].管道技术与设备，2012(1)：9-11.

[3] 赵冬岩.挠性软管在渤海海底管道的应用[J].中国海上油气(工程)，1994(4)：24-26.[4] 郎一鸣.国内创新水下球形法兰设计研究[J].海洋石油，2015(3)：84-88.

[5] 黄维平，曹静，张恩勇.国外深水铺管方法与铺管船研究现状及发展趋势[J].海洋工程，2011(1)：135-142.

[6] 王允，迟艳芬，魏中格，等.中深水海底管道S形铺设施工技术探讨[J].中国造船，2014(2)：342-351.

[7] 易涤非，邓欣，唐少华.一种新型海底管线跨越保护装置[J].广东造船，2014(5)：74-76.

A High-efficiency Unflooded Laying Technology of Flexible Pipe

QI Hao, CHEN Da-jiang, WANG Jian-ming

(CNOOC Energy Technology & Service-Oil Production Services Co., Zhanjiang Guangdong 524057, China)

Taking a flexible pipe laying project in a gas field of south China sea for instance, a set of laying complete equipment, such as rupture disk, segmental quick connector and spherical flange connector were developed to make the seawater-free ingress into the pipe and the laying of flexible pipe efficiently and securely. A high efficiency laying technology of flexible pipe was invented to crossing the existing pipeline by grouting airbags and to make the seawater-free ingress. Thw complete equipment and laying technology can save plenty of laying time, improve laying efficiency, prevent the flexible pipe from the corrosion of seawater medium and increase its entire service life.

flexible pipe; completed equipment; grouting airbag; unflooded; laying technology

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.025

2016-07-10

戚蒿(1982—)，男，硕士，工程师

U674.34

A

1671-7953(2016)05-0099-05

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋石油工程

E-mail:qihao@cnooc.com.cn