DPRS在深水海管维修中的应用

2022-12-21陈俊友马秦锋柳宇李晶李刚肖清军姚辉

机械工程师 2022年12期

陈俊友，马秦锋，柳宇，李晶，李刚，肖清军，姚辉

（深圳海洋工程技术服务有限公司，广东深圳 518067）

0 引言

根据墨西哥湾深水海管泄漏事故统计，平均每5 a发生1起深水海管受损事故。自20世纪80年代到目前为止，世界上已发生8起深水海管受损事故。随着越来越多的深水油气田投产以及深水海管服役年限的增加，发生事故的概率也在逐年加大[1]。

近年来我国深水海底油气田开发逐渐进入高峰期，流花16-2深水油田、流花29-1深水气田及陵水17-2深水气田也已投产，国内深水投产海底管线长度也将逐渐增加，深水海管维修潜在需求已经非常明确。随着深水开发的逐渐加大，海油工程公司对深水海管维修也逐渐加大重视并参与“十二五”重大专项关于深水海管维修的科学研究，对深水海管维修技术有一定的积累。2017年该公司利用国拨资金购置一套深水海管维修专用装备（Deepwater Pipeline Repair System，简称DPRS）。

本文以国内首套DPRS装备为研究对象，介绍其设备组成和功能，在此基础上对该套DPRS装备在深水海管维修中的具体应用进行阐述。

1 深水海管维修技术现状

深水海管维修技术研究始于20世纪80年代，经过30多年的发展，在深水海管应急维修方面形成了较为系统的技术方案和专业装备体系。经过对目前国际上比较成熟的深水海管维修技术进行研究，主要分为以下几种[2-3]。

1.1 水下基盘维修技术

水下基盘维修技术是最早的深水海管维修技术。该技术主要特点是需要预制水下连接基盘，通过跨接管进行连接，完成维修；海上施工周期长，且跨接管容易受自然环境影响，相对寿命较短；可适用管径为12～28 in等（如图1）。

图1 水下基盘维修

1.2 水下接头维修技术

水下接头维修技术是基盘维修技术的升级版本，该技术主要特点是更换的海管通过两个双向密封接头连接，完成维修；操作相对简单，海上施工周期较短；可适用管径范围为6～20 in；需要购置特殊的双向密封接头，该接头质量较大，海管维修完后还需进行悬空处理，不适用于大管径的深水海管应急维修（如图2）。

图2 水下接头维修技术

1.3 水下焊接维修技术

水下焊接维修技术由挪威国油海管应急基地研发，主要用于欧洲大陆西北的北海海域深水海底管道维修；该技术特点是更换的海管通过水下干式焊接进行连接，完成维修；操作复杂，设备费用昂贵，主要用于30～48 in大管径的深水海管维修；整体维修费用较高（如图3）[4]。

图3 水下干式焊接

1.4 水下法兰维修技术

水下法兰维修技术特点是更换的海管通过水下法兰进行连接，完成维修；操作相对简单，海上施工周期短，可适用管径范围为6～30 in;需购置机械连接器，海管维修成本相对更经济，应用较为广泛，本文所述DPRS在深水海管维修中采用的就是水下法兰维修技术（如图4）。

图4 水下法兰维修技术

2 DPRS介绍

本文介绍的深水海管维修设备（Deepwater Pipeline Repair System，简称DPRS）由挪威4C Solution公司生产制造，其主要由海管提升系统、海管切割及表面清理设备、机械连接器安装设备、海管法兰组对及螺栓安装设备和海管检测工具组成[5-7]。

2.1 海管提升系统

海管提升系统由海管提升架和对接导向架组成（如图5）。

图5 海管提升架（左）和对接导向架（右）

海管提升架的主要功能是将受损海管提离海床进行维修作业，最大作业水深为2000 m，适用于6～30 in的海管，最深可以将埋于海床淤泥下1.5 m的海管提起，其主要作业参数如表1所示。

表1 海管提升架作业参数

对接导向架主要用于配合海管提升架提升海管以及固定海管管端，并为海管精切割、管端开坡口、海管机械连接器安装、膨胀弯安装、法兰组对、螺栓库安装及液压拉伸等作业提供作业平台，同时可以给相关作业设备提供通信、液压的桥接。

2.2 海管切割及表面清理系统

海管切割设备由切割锯安装框架和钻石线切割锯组成（如图6）。可以坐落在对接导向架上对6～30 in的海管进行精切割。

图6 海管切割设备

海管涂层及焊缝清理设备（如图7）利用高压水射流清除海管表面涂层以及采用机械打磨方式清理海管纵焊缝，以便后续机械连接器的安装。最大作业水深2000 m，最大涂层清理厚度100 mm，海管表面清理光洁度SA2.0。

图7 海管涂层及焊缝清理设备

海管端口清理设备（如图8）用于在海管端口上进行开坡口，形成一过渡面以方便后续海管机械连接器平缓插入海管端口，该海管端口清理设备需配合深水海管机械连接器和海管坡口机安装框架一起使用。最大作业水深为2000 m，覆盖6～30 in的海管，并适用于碳钢、不锈钢、哈氏合金、镍基合金和超级双相不锈钢材质海管。

图8 海管端口清理设备

2.3 海管机械连接器安装设备

海管机械连接器安装设备（如图9）是海管机械连接器的载具，可以携带海管机械连接器安装于对接导向架上，由对接导向架驱动将海管机械连接器装入海管管端，并为液压拉伸后的海管机械连接器进行螺栓紧固，完成海管机械连接器在海管管端的安装。

图9 海管机械连接器安装设备

2.4 海管法兰组对及螺栓安装设备

海管法兰组对及螺栓安装设备（如图10）可携带海管法兰螺栓库安装于对接导向架上，完成海管机械连接器与膨胀弯的法兰组对、螺栓库安装及液压拉伸作业。

图10 海管法兰组对及螺栓库安装设备

2.5 海管检测工具

海管检测工具包含一套海管直线度测量仪和一套海管椭圆度测量仪（如图11），用于检测海管管端的直线度和椭圆度是否满足海管机械连接器安装的要求。最大作业水深为2000 m，覆盖6～30 in海管，直线度测量精度为0.5 mm，椭圆度测量精度为0.1 mm。

图11 海管直线度测量仪（左）和海管椭圆度测量仪（右）

3 DPRS在深水海管维修中的应用

DPRS在深水海管维修中采用水下法兰维修技术，通过切除受损管段，在海管两端安装海管机械连接器与更换的海管膨胀弯用法兰进行连接完成维修，下面将按照图12所示作业流程介绍DPRS在深水海管维修中的应用。

图12 DPRS作业流程

深水检测维修船舶航行至事故现场；下放水下机器人（Remote Operated Vehicle，简称ROV）入水，调查受损管线事故情况，确定具体受损位置；深水海管维修海上作业时需3台ROV，1台ROV搭载ROV撬块，1台ROV搭载高压水喷射单元，1台ROV协助作业；调查周围状况，障碍物清理；确定海管掩埋状态，对海管进行吸泥；确定切割位置，在切割点位置吸泥；吊机下放钻石线切割锯；ROV监控下放过程；ROV操作切割锯安装至海管上，进行粗切割作业；吊机下放吊带，ROV协助将吊带安装至海管上，吊机回收海管；ROV引导吊机将防沉板导向吊桥放至海管上，然后下放防沉板至导向吊桥上；ROV拔出防沉板上的锁销，回收导向吊桥；下放提管架，沿着防沉板上的导向柱，下放至指定位置；ROV指引提管架坐入防沉板后，回收提管架索具；ROV操作提管架上的控制面板，提升海管至作业高度；吊机下放海管涂层及焊缝清理设备至海管附近；连接高压水泵输出的高压水管至支持模块，继而连接至清理设备上；ROV利用机械手抓起水泥涂层清理设备并安装至海管上；ROV操作清理设备进行涂层清理工作；完成涂层清理后，进行海管纵焊缝打磨；海管直线度及椭圆度测量结果满足海管机械连接器安装要求后，下放提管架放低海管；吊机下放对接导向架至防沉板；将提管架和对接导向架上的液压系统管路相连，ROV再对接导向架的控制面板，同时操作提管架和对接导向架提升海管；下放切割设备及辅助框架，沿着导向柱下放至对接导向架；ROV操作切割设备，进行海管精切割；重复上述动作，切割另一侧海管；回收切割的海管管段；下放端口清理设备，对切割端面进行处理；下放机械连接器及安装框架至对接导向架；ROV操作对接导向架，利用对接导向架上的滑轨，将机械连接器与海管组对（如图13）。

图13 海管机械连接器安装

ROV操作机械连接器安装框架上的控制面板，张紧螺栓；ROV操作机械连接器，进行密封和压力测试；回收连接器安装框架，安装另一侧机械连接器；根据膨胀弯测量结果预制膨胀弯，并运至现场下放至对接导向架上（如图14）。

图14 膨胀弯吊装

ROV操作对接导向架上的滑轨，进行法兰组对；将法兰螺栓及张紧装置安装至框架上，并下放至对接导向架；将螺栓及螺帽安装至法兰上；螺栓安装到位后，操作螺栓上的张紧器进行张紧；拧紧法兰螺母；完成法兰螺栓张紧后，回收法兰螺栓及张紧装置框架；将海管下放至海床，待海管试压成功后，回收提管架，对接导向架、防沉板等工具，完成维修（如图15）。