深水海管无潜机械连接维修技术

柳宇， 曲有杰， 黄海滨， 杨盛， 陈俊友

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳518067）

0 引 言

2005年，美国墨西哥湾在卡特里娜飓风影响下发生102起油气管线损坏事件。2006年，英国BP公司在美国阿拉斯加的油气管道泄漏事件为当地带来了严重的灾难损失[1]。随着我国海洋石油开发逐渐挺进深水，深水海管铺设长度不断增加，管道破损泄漏的概率将逐渐增大，如何保障油气管道安全输送，是深水管道维修技术需要解决的问题。因此，需尽快开展深水海管维修技术研究，为我国深水油气田开发保驾护航。

1 深水海管损坏类型及维修方式

根据海管的损伤程度、受损点所处位置及受损点周边海床环境，可将海管损伤分为以下几种：小泄漏、靠近钢悬链立管的大泄漏、靠近管交叉处的大泄漏、大泄漏（海床斜坡角大于5°处发生管线大损坏）、短弯曲变形、长弯曲变形等。综合考虑海管维修系统的能力、作业支持资源能力（例如船舶、吊机、潜水资源及水下机器人（ROV））等受限因素，表1列出海底管线可能出现的损坏类型及可供选择的维修方式[2-3]。

目前国际上针对深水海管维修多采用海底维修模式，海底维修模式可根据海管受损程度分为夹具维修和管段更换维修，通常夹具维修用于管道小泄漏维修，管段更换维修用于海管大泄漏维修。管段更换维修包括以下两种：1）海管机械连接维修，即利用机械连接器对海管破损段进行整体更换回接的维修方法；2）海管水下焊接维修，即采用水下焊接技术进行海管破损段更换焊接维修，这两种维修方式中，海管机械连接维修有较多的工程应用实例。对于海管机械连接维修可根据水深及是否有潜水资源参与可分为有潜机械连接维修和无潜机械连接维修。在深水海管维修中由于潜水资源无法参与，故只能采用无潜机械连接维修。根据更换的管段的端口面与海床是否垂直，无潜机械连接维修可分为垂向跨接管回接维修和水平膨胀弯回接维修[1]。

表1 海管损坏类型和可选维修方式

2 垂向跨接管回接维修

垂向跨接管回接由英国BP公司研发，是最早的深水海管维修技术，技术方案主要涉及垂向跨接管、弯毂组块、弯毂管、导向架、龙门吊架、提管架等设施，如图1所示。该技术主要特点是通过垂向跨界管进行连接，最终完成海管回接，该技术可适用于管径16～28 in海管的维修，但存在海上施工周期长、垂向跨接管的稳性容易受自然环境影响、相对寿命较短等缺点。如图2所示，垂向跨接管回接维修作业程序[4]如下：

1)检查漏点，并进行海管隔离和清管；2）下放提管架至管段漏点两侧，操作提管架将管道提离海床；3）在预切管段上系上回收索具，便于切管后回收破损管段；4）切除破损管段，并回收至海上；5）下放导向架至切管终端；6）下放弯毂组块及龙门吊架至海底就位；7）将弯毂管水平机械连接器连接至切管终端；8）将弯毂管锁紧在弯毂组块上，之后回收龙门吊架和提管架至海上；9）在海管另一侧切管终端重复上述步骤5）～8）；10）进行垂向跨接管测量、建造和安装。

图1 垂向跨接管回接

图2 垂向跨接管回接作业

3 水平膨胀弯回接维修

水平膨胀弯回接维修可根据膨胀弯与海管的连接接头形式分为以下3类：1）水下膨胀弯+螺栓夹具回接；2）水下膨胀弯+双向密封接头回接；3）水下法兰回接。下文将就这3类情况分别进行介绍。

3.1 水下膨胀弯+螺栓夹具回接技术

水下膨胀弯+螺栓夹具回接技术由英国BP公司研发，技术方案主要涉及膨胀弯、螺栓夹具（如图3）、提管架等设施（如图4）。该技术可适用管径10～24 in海管维修，不适用于大管径和超长膨胀弯水下回接[1,5]。如图5所示，垂向跨接管回接作业程序：

1)检查漏点，并进行海管隔离和清管；2）下放提管架至管段漏点两侧，操作提管架将海管提离海床；3）在预切管段上系上回收索具，切除破损管段，并回收至海上；4）ROV在切管端口进行封堵，对管道端口面进行处理并进行膨胀弯测量；5）完成膨胀弯预制，重新调整提管架位置，下放膨胀弯和螺栓夹具就位；6）启动螺栓夹具紧固螺栓，完成膨胀弯两侧螺栓夹具安装；7）下放海管和膨胀弯至海底就位，并回收提管架。

图3 膨胀弯螺栓夹具

图4 膨胀弯+螺栓夹具回接

图5 膨胀弯+螺栓夹具回接作业

3.2 水下膨胀弯+双向密封接头回接技术

3.2.1 水下膨胀弯+双向密封接头（预装）回接

水下膨胀弯+双向密封接头（预装）由Oil States公司研发，是垂向跨接管回接技术的升级版本，技术方案主要涉及膨胀弯、双向密封接头（如图6）、对管架、提管架等设施（如图7）。该技术主要特点是膨胀弯通过2个预装在膨胀弯两端的双向密封接头，来完成与海管的回接作业，该技术方案操作相对简单，海上施工周期较短，该技术可适用于管径6～20 in海管的维修，但存在双向密封接头质量较大的问题，预安装在膨胀弯上时受自重影响会造成膨胀弯两端承受较大的力，不利于膨胀弯吊装下放，故不适用于大管径海管回接[5]。

图6 双向密封接头

图7 膨胀弯+双向密封接头（预装）回接

3.2.2 水下膨胀弯+双向密封接头（后装）回接

为了满足大管径海管回接需求，Oil States公司提出了水下膨胀弯+双向密封接头（后装）方案，该技术主要特点是将双向密封接头设置在接头安装框架的接头安装模块上（如图8、图9），与膨胀弯管段分开安装，在进行海管回接时，可将膨胀弯管段先下放至海底安装位置就位，然后利用提管架、接头安装框架配合分别完成双向密封接头在回接点海管侧和膨胀弯侧的连接，该技术方案可适用于管径最大达48 in的海管维修，并适用于超长膨胀弯水下回接，但该方案对膨胀弯海床就位安装误差要求较高。如图10所示，水下膨胀弯+双向密封接头（后装）回接作业程序如下：

图8 接头安装模块

图9 接头安装框架

图10 膨胀弯+双向接头（后装）回接作业

1)下放膨胀弯至海底安装区就位；2） 在海管和膨胀弯回接点#1 两侧分别下放提管架就位，然后下放接头安装框架至回接点#1就位；3） 操 作 回 接点#1 海管侧提管架和接头安装框架海管侧的抱管爪，将海管提离海床，然后启动接头安装框架的接头安装模块，将双向密封接头装入回接点#1海管侧；4）操作回接点#1膨胀弯侧提管架和接头安装框架膨胀弯侧的抱管爪，将膨胀弯提离海床，然后启动接头安装框架的接头安装模块，将双向密封接头装入回接点#1膨胀弯侧；5）待双向密封接头完成回接点#1海管侧和膨胀弯侧安装后，操作回接点#1海管侧提管架、膨胀弯侧提管架和接头安装框架的抱管爪，将回接点#1及双向密封接头下放至海床；6）将提管架和接头安装框架挪位至回接点#2侧就位，重复上述步骤3）～5），直至完成回接点#2双向密封接头安装，并顺利下放至海床；7）完成膨胀弯回接，回收提管架和接头安装框架至海上。

3.3 水下法兰回接技术

水下法兰回接是深水海管机械连接回接技术的重要形式，国外对于水下回接技术的研究已经非常深入，以美国Sonsub公司为代表的国外公司已具备非常专业的水下法兰回接作业能力和装备（如图11）。该技术的特点是更换的膨胀弯通过水下法兰与海管进行连接，操作相对简单，海上施工周期短，该技术可适用于最大管径为24 in的海管维修，海管维修成本相对更经济，应用较为广泛。以下以Sonsub公司水下BRUTUS系统为例，说明水下法兰回接作业程序[6]：

1)在海管和膨胀弯回接点#1两侧分别下放提管架就位，然后启动提管架，将回接点#1两侧的海管和膨胀弯分别提起，进行回接点#1法兰的粗对接；2）下放管道接应工具和轴线对准工具至回接点#1两侧就位，然后通过管道接应工具和轴线对准工具进行法兰对孔和拉近；3）启动螺栓库和螺母库进行螺栓安装和拉伸，然后回收管道接应工具和轴线对准工具；4）操作提管架将#1两侧海管和膨胀弯下放至海床；5）将提管架、管道接应工具和轴线对准工具挪位至回接点#2，重复上述步骤2）～4）直至完成回接点#2回接作业，并顺利下放至海床；6）回收提管架至海上。

4 结 语

深水海管无潜机械连接技术是深水海管维修技术中最为成熟的维修方法，该技术作业过程中受外界环境因素的影响较小，可适用于各种复杂的海底环境，因而研究深水海管无潜机械连接维修技术对于保障我国深水油气管道安全运营有着十分重要的意义，但无潜机械连接技术的成功实施离不开一系列的深水海管应急维修系统和装备的配合（如提管架、对管架、海管密封接头、海管法兰组对及螺栓安装装置等），我国在深海无潜机械连接回接技术和装备方面目前才处于起步阶段，与国外存在较大的差距，应加强深水海管水下维修相关装备与技术的研发，以推进我国深水海管维修能力的提升。