几种典型海底管道修复技术

第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集405几种典型海底管道修复技术江锦，马洪新，秦立成（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）摘要：海底管道由于其运行环境的特殊性，风险大，失效概率高。一旦出现泄漏，不仅造成油田生产中断，海洋环境污染，更会对下游终端用户的正常生产和生活造成不利影响。针对不同的损伤形式、管道结构和所处海域位置，所采取的管道抢修方案也各不相同。本文以渤西外输天然气管道项目为例，介绍抛锚致管道破裂情况的抢修技术；以惠州双层保温管道修复项目介绍较深海域海底管道更换修复及补强修复技术；以崖城13-1至香港外输天然气管道改线项目（潜在项目）为例，介绍海底管道不停产修复技术。通过三个典型项目案例，系统介绍海底管道维修技术，总结项目实施中的经验教训，对建立海底管道应急抢修系统提出建议。关键词：海底管道；抢修；开孔封堵；应急系统海底管道在海洋石油生产中发挥着重要作用，将平台与平台，平台与陆地，平台与FPSO（浮式生产储油装置）连成一个有机整体，担负原油外输、化学药剂输送、注水等重要任务。目前中海油系统内建成海底管道4000多公里，既有平台间管道，也有长距离外输管道，担负着年产5000万吨的重要任务。海底管道由于其运行环境的特殊性，运行的风险更大，失效概率更高。一旦出现泄漏，不仅造成油田生产中断，海洋环境污染，更会对下游终端用户的正常生产和生活造成不利影响。如2007年涠洲油田W12-1至W11-4原油管道腐蚀，油田停产近200d；2007年东方1-1登陆管道爆裂，气田停产，致使下游化肥厂和居民用气紧张，造成极其不良的社会影响。我国自1995年以来各种海底管道事故导致海洋石油产量损失累计达213万吨，直接维修费用超过20亿（数据来于2008年5月有限公司管道完整性管理第一季度工作会）。造成海底管道损伤的因素主要来自两个方面：环境因素和人为因素。环境因素主要包括腐蚀和有机物损坏、波浪或潮流形成的冲刷和悬空，波浪的水动力、沉积物液化产生的浮力、台风等；人为因素主要包括设计施工质量问题、不法分子盗油、锚等重物的撞击和刮扯、生产操作失误和人类海洋开发等。统计分析自1995年以来发生的28起海底管道事故（事件），造成管道事故的昀大因素（占47%）是腐蚀，第二因素是抛锚、拖网等海事活动（占32%），恶劣环境及路由造成的管道事故占7%。尽管腐蚀造成管道泄露事件，但是大部分的污染事件（污染体积）和生产损失是由于抛锚等第三方海事活动造成的管道破损。随着海底管道保有量和海底管道在役时间的逐年增加，自2007年以来，海底管道事故（事件）呈多发态势，尤其是2007年发生了3件重大管道事故，2008年发生大小管道事件多达10起。海底管道事故分析32%47%7%7%7%抛锚、拖网等第三方破坏腐蚀恶劣路由环境海洋开发冲突施工缺陷近15年发生的海底管道事故0246810121995199619971998199920002001200220032004200520062007200820092010图1海底管道事故原因统计图2近15年海底管道事故统计作者参加了2002年以后发生的多条海底管道事故抢修工作，并在2008年负责惠州19-2油田120m水深海底管道抢修工作。期间经历的海底管道事故既有腐蚀造成的管道泄漏，也有船舶抛锚造成的管道破损，也有港航施工造成的管道断裂。发生事故的管道既有较深海域平台间管道（水深120m），也有登陆段浅水区域管道（水深4m）。针对不同的损伤形式、管道结构形式和所处海域位置，所采取的管道抢修方案也各不相同。本文以以渤西外输天然气管道项目为例，介绍抛锚致管道破裂情况的抢修技术；以惠州双层保温管道修复项目介绍较深海域海底管道更换修复及补强修复技术；以崖城13-1至香港外输天然气管道改线项目（潜在项目）为例，介绍海底管道不停产修复技术。通过三个典型项目案例，系统介绍海底管道维修技术，总结项目实施中的经验教训，对建立海底管道应急抢修系统提出建议。第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集4061海底管道维修技术及典型案例针对具体的海底管道损伤形式，可以采取管卡堵漏、复合材料补强、管段更换（停产更换或不停产更换）三种主要手段。根据不同作业水深，又可分为潜水修复技术和ROV修复技术。在特定情况下还需要借助于常压干式舱、高压干式舱等特殊手段来建立实施平台。1.1管段更换修复方案渤西外输天然气管道是12″单层配重管道，2008年1月由于船舶起锚造成管道破损，见图3。由于破损较为严重，管线暂停运行。根据潜水员的水下调查结果，破损面积较大，且裂口极不规整，不具备安装封堵管卡和安装补强套件条件，昀终采用水下湿式更换管段修复方案。图3管道破损情况提升焊接法是将破损管段水下切除，利用工程船舷吊将切割后的管端分别提升至作业线，在水面进行管段焊接或法兰焊接后在水下进行管段回接。将海底管道提升至水面进行法兰焊接，解决了水下焊接法兰面的难点，同时改变了必须从国外购置机械连接器等关键备件的局面，是浅水区域海底管道抢修的昀佳方法。鉴于此条管道停产后仍然残留有大量天然气，不利于焊接安全，因此采用水面焊接法兰后在水下安装更换管段（长7644mm）。提升法修复海底管道作业程序如下：1）管线挖沟作业。根据模拟计算结果，确定海底管道提升后的着泥点距离，利用挖沟机沿管道路由开挖，以满足起管作业所需管道暴露长度要求。2）海管切割作业。吹泥作业结束后，采用水下冷切割将损伤管段整体切除。3）提升管道焊接法兰。根据海底管道提升计算报告，将浮袋和舷吊分别布置到位，按照提升程序交替提升3个吊点，将管端提升至作业线，进行法兰焊接，焊接检验合格后，按照提升逆向操作将此端海管下放至海底。采取同样步骤完成另外管端提升和法兰焊接。4）更换管段水下测量。精确高效的水下测量是顺利完成海底管道修复水下对接的关键工序，即海管法兰之间相对空间位置和方位角的测量，根据这些参数在施工船甲板上放样，准确地预制出所要预制的更换管段，保证水下对接工作顺利完成。5）水下对接。根据水下测量两法兰面间距和角度进行更换段预制，结合实际更换长度可分两段或多段进行预制。昀终由潜水员完成替换管段连接工。浮袋舷吊作业线切除破损管段海底管道焊接法兰图4水下切除破损管段图5起管作业更换段水下对接图6替换管段水下对接对于深水海底管道修复或大管径海底管道修复，采用提升焊接方法的风险和费用都会随水深和管径的增加而加大，对于水深超过30m的情况则需要动用具备铺管作业线大型铺管船等特殊作业船舶。而对第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集407此情况下的海底管道修复采用水下机械连接器更换管段的施工方法是昀科学的方法选择，适用于各种水深环境下的海底管道修复，在水深小于50米海域借助于常规空气潜水进行水下修复作业，对于水深处与50m至300m海域可以借助于饱和潜水完成修复，对于更深海域作业则可以通过特殊设计的机械连接器和ROV作业来实现。2007年涠洲11-4至涠洲12-1海底管道抢修工程在45m水深海域利用机械连接器完成损伤管段更换。对于特殊路由无法满足起管道作业，并且机械连接器资源不可用的情况下，可以采用常压干式舱或高压干式舱建立干式焊接环境，在海底完成法兰焊接，然后再进行更换管段水下回接。该方案在2007年东方1-1登陆天然气管道抢修项目中成功实施。1.2双层保温管道修复技术2008年HZ19-2/3两条海底管道相继出现泄漏，造成平台停产。在整个修复过程中，HZ19-2管道发现外管漏点4处，HZ19-3管道发现外管漏点1处。采取管段更换和管道补强相结合的修复方案，以动力定位船作为海上施工平台，利用ROV进行漏点检测和管道切割作业，饱和潜水完成更换管段水下对接和管道补强。此条管道修复具有很强的代表性，整个修复过程中涉及了管段更换、管卡封堵和管道补强三种技术，是首次在120m水深海域利用ROV完成水下切割等工作。图7惠州油田管道腐蚀穿孔1）更换管段修复方案由于昀终漏点位置出现在锚固件附近,不能满足管卡安装空间要求，因而只能采用更换管段修复方案。即先用ROV搭载的钻石线切割机切断管线，再用环向切割机在切口两端各切下一段外管，安装好机械连接器后，再连接预制膨胀弯。连接器后，再连接预制膨胀弯。修复原理如下：切除受损段，将海管两端清理打磨干净；在管道的两个切割端分别安装机械连接器；依据测量结果进行膨胀弯预制，昀后由饱和潜水员完成水下对接；图8水下切除破损管段图9替换管段水下对接2）管卡封堵修复方案惠州19-2海底管道漏点是由介质腐蚀造成，且从外观上看管道没有发生变形，因此在整个修复过程中优先考虑管卡封堵方案，以期能在昀短时间内恢复生产。管卡封堵方案基于ROV作业方式，首先ROV完成水下作业面开挖和清理工作，搭载冷切割机完成外管剥离，昀终完成管卡就位和锁紧。由ROV搭载水下冲吸泥设备在切割点位置开挖作业面。清理破损海管及海管切割点位置附近泥面，其作业面应满足管道冷切割机作业空间需求。外管剥离；ROV搭载纵向切割分别在外管时钟3点位置和9点位置纵向切割1250mm。更换环向切割机分别在两端进行环向切割，剥离外管。由于泄露原油压缩保温层，往往造成内外管不同心，所以在切割过程中要注意切割深度的控制，确保将外管切穿，但不能伤及内管。将永久修复卡具/标准临时封堵卡具吊至待修复的管线上；上紧卡具的密封及锁紧装置；对完成修复的管段用沙袋回填；管线修复完成。第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集408图10轴向切割及纵向切割图11管卡封堵3）高分子材料补强修复方案对于新出现的3号、4号和5号漏点的修复方案改为高分子材料补强修复策略，以满足未来2年的管道运行。该方案作业效率高，但受制于管道系统设计，外管承受压力能力较低，因此必须保持在较低的运行压力下生产。图12高分子材料补强作业1.3不停产修复技术水下不停产修复技术借鉴于陆地油气管道不停产修复技术及方案，主要是针对发生变形海底管道或泄漏后已经临时封堵的海底管道进行有计划修复。2009年针对广州港拟扩建航道与崖城13-1至香港天然气外输管线（总长778km，为28″单层配重管道）交叉进行过不停产改线可行性研究，为保障香港中华电力龙鼓滩发电厂发电燃气需求，拟采用双封双堵方案将跨越航道管线路由挖沟至-28.5m。拟建管线支路中间段平行原天然气管线并相距100m，拟建管线支路完成后，去除两端点之间的原管线，通过膨胀弯将新旧管线连接。不停产改线程序如下：首先进行吹泥作业，使管线暴露出泥面。其中在机械三通的装置要吹泥至管线悬空1m（距管底），以便安装机械三通；在机械三通安装位置清除水泥配重层和防腐层，露出金属面。D点A点B点119管线埋深1.5m埋深由3m渐变至1.5m5901507474航道顶宽航道底宽伶仃航道原天然气管道改建管道3024005202412管线埋深为泥面以下5mR1500单位：米100M1点M2点C点管线埋深1.5m埋深由3m渐变至1.5m原天然气管道方向79°590150R1500119N1点N2点F1点E1点F2点E2点埋深至少3m真北2m9m5m2m防腐层管线防腐层水泥配重层图13管道改线路由图14涂层清理安装四个机械三通和三文治阀。四个机械三通处的管线开孔。临时旁通管线的管径选择管线管径的1/2，即临时旁通管线的管径是14″。三文治阀关闭开孔机水平面水平面图15开孔作业图16连接临时旁通安装封堵机。在两个机械三通之间的管段上开两个孔，放空这段管线内的天然气。第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集409放下堵塞放下堵塞打开三文治阀打开三文治阀水平面1m3m开孔放空天然气水平面图17安装封堵机图18残留天然气放空使用冷切割设备切除管段，管段的切割长度为10m，包括两个用于放空天然气的孔。水下清理法兰机械连接器安装位置处的水泥配重层和防腐层，以便安装法兰机械连接器。废弃管线水平面3m1m切割长度10m法兰机械连接器水平面图19水下切除中间管段图20机械连接器安装预制膨胀弯。膨胀弯甲板预制后，先进行水上试压，试压合格后，将其吊至水下进行安装，并分别对接膨胀弯的两端的法兰，完成新旧管线的连