海底復(fù)合軟管新型接頭

龐樹民，唐建華，王 琳，曲 杰

（1.中海石油技術(shù)檢測有限公司，天津 300452；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程分公司，天津 300452；3.中國船級社海工審圖中心，天津 300384）

海底復(fù)合軟管新型接頭

龐樹民1，唐建華2，王 琳3，曲 杰2

（1.中海石油技術(shù)檢測有限公司，天津 300452；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程分公司，天津 300452；3.中國船級社海工審圖中心，天津 300384）

傳統(tǒng)的復(fù)合軟管內(nèi)脹外扣接頭型式在較大口徑、較高壓力的情況下，其連接強度明顯不足；扣壓過程中容易對接頭和軟管本身造成一定的損傷，需要對接頭金屬進(jìn)行冷變形加工，這對接頭金屬的強度、硬度、延展性等提出了較高的要求，嚴(yán)重限制了金屬材料的選擇。這就要求設(shè)計一種新型軟管接頭。文章介紹了新型注膠接頭的結(jié)構(gòu)和靜壓爆破試驗結(jié)果，表明該接頭型式滿足壓力、密封性、防腐性和可靠性等各方面的要求。

海底管道；復(fù)合軟管；注膠接頭；防腐性能；密封性能

0 引言

在海洋石油開采工程中，海底管道將海上油氣田、儲油設(shè)施或陸上終端連接成一個有機(jī)的整體，使海上生產(chǎn)設(shè)施的各個環(huán)節(jié)通過管道形成相互關(guān)聯(lián)、相互協(xié)調(diào)作業(yè)的生產(chǎn)操作系統(tǒng)。

隨著海上油氣田的不斷開發(fā)，管道輸送工藝已被廣泛應(yīng)用于海洋石油工業(yè)。全世界已經(jīng)有超過175 000 km的海底管道，這個長度相當(dāng)于地球周長的4.4倍，墨西哥灣最深的海底管道的工作深度達(dá)到了2 743 m，挪威最長的海底管道長度達(dá)到了120 km[1]。

隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，軟管技術(shù)發(fā)展迅速，軟管在動力性能、地形適應(yīng)性、抗腐蝕、安裝等方面的優(yōu)勢越來越明顯，越來越多的油田開發(fā)采用軟管來代替鋼管。

復(fù)合軟管是由鋼材及塑料組成的復(fù)合管，主要用于海底的原油或天然氣輸送。根據(jù)不同的外部環(huán)境 （耐壓）、所需輸送的流體特性 （耐腐蝕）和輸送條件 （耐溫），可選擇不同的管材層結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料[2]。

軟管的應(yīng)用首先面臨的問題是如何將軟管與平臺連接，因而需要設(shè)計新型軟管接頭，在保證強度和密封性的前提下，軟管的復(fù)合材質(zhì)采用通常的金屬材質(zhì)，便于安裝法蘭或進(jìn)行焊接等操作。

1 復(fù)合軟管接頭的新型式

1.1 現(xiàn)有復(fù)合軟管接頭的問題

（1）傳統(tǒng)的扣壓方式依靠接頭金屬的冷變形，擠壓復(fù)合軟管的包覆層和內(nèi)襯層，通過復(fù)合軟管的形變滿足連接強度要求。當(dāng)口徑和壓力增大時，為了獲得更大的連接強度，需要相應(yīng)加大扣壓量，導(dǎo)致接頭金屬內(nèi)部容易產(chǎn)生裂紋等損傷；同時復(fù)合軟管的包覆層與內(nèi)襯層產(chǎn)生破壞，給復(fù)合軟管后期使用埋下安全隱患。而且當(dāng)輸送壓力和復(fù)合軟管口徑達(dá)到一定程度時，將超出扣壓接頭的能力范圍，加大扣壓量已不能滿足設(shè)計要求。

（2）傳統(tǒng)的扣壓方式接頭密封性是通過扣壓過程中復(fù)合軟管的彈性形變使接頭與復(fù)合軟管緊密接觸，產(chǎn)生密封效果，但這種密封結(jié)構(gòu)的密封效果十分有限，無法滿足高壓輸送要求，而且在管道長期運行過程中，復(fù)合軟管的壓縮量無法得到后續(xù)補充。隨著時間推移，該結(jié)構(gòu)的密封性會越來越差，以致產(chǎn)生嚴(yán)重后果，造成重大的人員、財產(chǎn)和生態(tài)損失。

（3）在傳統(tǒng)的扣壓方式中，接頭金屬需要較大的塑性變形，這對接頭金屬的強度、硬度、延展性等有較高的要求，限制了金屬材料的選擇范圍，導(dǎo)致大量防腐性能較好的合金材料無法應(yīng)用?？蹓航宇^往往需要實施額外的防腐措施，增加了施工難度和管道的后期維護(hù)費用，也增加了管道的運行風(fēng)險。

（4）傳統(tǒng)的扣壓接頭的內(nèi)脹塊需提前置入，其尺寸需稍小于復(fù)合軟管內(nèi)徑，但是無論如何優(yōu)化仍或多或少存在縮徑現(xiàn)象，給管道的輸送量造成影響，也給通球掃線帶來一定的困難。

鑒于以上原因，需要設(shè)計一種新的接頭方式，既可以獲得較高的連接強度，又能保證密封性，同時在防腐、通球等日常運行維護(hù)方面更加方便。

1.2 新型注膠接頭結(jié)構(gòu)方案 （見圖1）

1.2.1 新型接頭的強度和可靠性

通過焊接將注膠接頭直接與復(fù)合軟管金屬承拉層連接在一起，使二者之間具有較高的連接強度；向注膠接頭空腔內(nèi)注入大量的環(huán)氧樹脂，通過環(huán)氧樹脂的固化，使注膠接頭與復(fù)合軟管組成一個整體，為注膠接頭提供足夠的連接強度。在這個過程中不需要像傳統(tǒng)的扣壓接頭那樣進(jìn)行冷變形操作，可避免接頭產(chǎn)生塑性變性和裂紋；另外也不需要扣壓操作，避免了復(fù)合軟管的內(nèi)襯管和包覆層形變。這就保證了復(fù)合軟管和接頭的完整性，顯著提高了總體可靠性。

1.2.2 新型接頭的密封性

在接頭前端設(shè)計環(huán)形空腔，在空腔內(nèi)放入Y型密封圈，通過擰緊高強度螺栓，使Y型密封圈產(chǎn)生初始變形，具有初始密封效果；當(dāng)復(fù)合軟管內(nèi)部充滿高壓輸送介質(zhì)時，高壓介質(zhì)就會進(jìn)一步壓縮Y型密封圈，使密封效果得到進(jìn)一步提高，且輸送介質(zhì)壓力越高，Y型密封圈的密封效果越好。通過選擇合適的Y型密封圈制作材料，其承受的最大密封壓力可達(dá)100 MPa以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前中國石油行業(yè)涉及的最大壓力。

1.2.3 新型接頭的防腐性

注膠接頭在安裝過程中無扣壓方式，只涉及到焊接這種常規(guī)方式，這將大大拓寬材料的選擇范圍?？梢愿鶕?jù)輸送介質(zhì)的成分、溫度和所處海域的海況等綜合考慮，通過選擇不同的防腐材料，使接頭自身滿足不同的防腐要求，避免了安裝陽極等額外的防腐工作量，降低了施工費用、施工風(fēng)險和運營風(fēng)險。

1.2.4 新型接頭的其他優(yōu)點

新型接頭沒有內(nèi)脹過程，可以使接頭內(nèi)徑和復(fù)合軟管內(nèi)徑設(shè)計制作得完全相同，這不但避免了接頭縮徑對整條管道輸送量的影響，而且方便了日后的通球清掃工作，避免了因縮徑產(chǎn)生卡球現(xiàn)象。

同時，新型接頭在設(shè)計上可以預(yù)留很大的空腔，方便日后設(shè)計安裝排氣閥、通電裝置、監(jiān)測裝置等，而且這些裝置都可以安裝在接頭外套內(nèi)部，避免施工過程對它們造成損壞。

2 注膠接頭試驗

2.1 注膠接頭靜壓試驗

截取一段復(fù)合軟管，兩端安裝上新型注膠接頭，根據(jù)API 17B-2002“Recommended Practice for Flexible Pipe”要求，通過高壓水泵向軟管中緩慢注水加壓，當(dāng)壓力大于設(shè)計壓力的1.3倍時關(guān)閉接頭兩端的閥門，通過壓力傳感器記錄24 h內(nèi)軟管內(nèi)部壓力變化情況，以此驗證新型接頭密封性能[3-4]。

2.1.1 測試方案

（1）試件兩端用接頭封堵，將其中一端連接閥門，再接高壓注水管道，另一端接上閥門及壓力表。

（2）將試件平置在支架上，試件兩端允許自由伸長，測量并記錄下打壓前試件的長度，用π尺測量打壓前試件兩端及試件中段處的外徑，標(biāo)記測量點的位置。

（3）安裝壓力表，并用管道連接試件與加壓泵，如圖2所示。

（4）打開放氣閥門放氣，同時向管內(nèi)注水，直到有水冒出，并排放約10 min，保證軟管內(nèi)的氣體全部排凈，以避免保壓時由于氣體存在引起的壓力不穩(wěn)。

（5）關(guān)閉放氣閥門，對試件內(nèi)部進(jìn)行打壓，隨著壓力的升高，觀察設(shè)備和軟管有無泄漏。逐步加壓到32 MPa以上 （≥設(shè)計壓力×1.3）。

（6）保持壓力穩(wěn)定，根據(jù)API 17B規(guī)范，穩(wěn)壓持續(xù)期至少24 h。

（7）對壓力表24 h內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，檢查試樣是否有漏水、鼓包現(xiàn)象，測量并記錄打壓后試件的長度以及試件兩端和中段打壓后的外徑。

（8）測試結(jié)束后開始泄壓，泄壓從打壓泵端開始，泄壓要緩慢進(jìn)行，否則容易引起軟管的變形。

（9）泄壓后測量并記錄打壓后試件的長度、兩端及中段打壓后的外徑。

2.1.2 測試結(jié)果

圖3為2010年10月8日至10日的試驗曲線。D 152 mm （6 in）22 MPa復(fù)合軟管安裝新型接頭后在32MPa（≥設(shè)計壓力×1.3）壓力條件下維持24h，壓力下降0.6 MPa，壓降為1.89%，小于閥門關(guān)閉前壓力的4%；伸長16.1 mm，伸長率為1.20%。復(fù)合軟管無破壞、無泄漏，接頭無變形和損壞，滿足API規(guī)范要求，證明新型接頭密封性能良好。

2.2 爆破試驗

截取一段復(fù)合軟管，兩端安裝上新型注膠接頭，通過高壓水泵向軟管不停地注水加壓，直到軟管破壞為止，根據(jù)API規(guī)范要求，軟管的破壞壓力應(yīng)大于設(shè)計壓力的3倍，以此驗證復(fù)合軟管及接頭的強度[3-4]。

2.2.1 試驗過程

（1）測量試驗用管的內(nèi)徑、外徑、長度等參數(shù)，用焊接好的接頭完成扣壓。

（2）通過三通和轉(zhuǎn)換接頭連接壓力表和閥門，并用管道將試件與加壓泵連接。

（3）將試件放置在挖好的溝槽中，測量并記錄打壓前試件的長度。用π尺測量打壓前試件兩端及試件中段處的外徑，標(biāo)記測量點的位置，如圖4所示。

（4）打開放氣閥門放氣，同時向管內(nèi)注水，直到有水冒出，并排放約10min，排凈軟管內(nèi)的氣體。

（5）關(guān)閉放氣閥門，對試件內(nèi)部進(jìn)行打壓，隨著壓力的升高，觀察設(shè)備和軟管有無泄漏。逐步緩慢加壓，直到試件破壞為止。結(jié)束打壓，記錄試件破壞時壓力表的讀數(shù)。

（6）測量并記錄試件的長度以及試件兩端和中段處的外徑。

2.2.2 試驗結(jié)果

表1為爆破試驗壓力數(shù)據(jù)，圖5為壓力隨時間的變化曲線。

表1 爆破試驗壓力數(shù)據(jù)

試驗結(jié)果表明，D 152 mm復(fù)合軟管注膠接頭爆破壓力均達(dá)到66 MPa以上，而且都是軟管本體發(fā)生爆破，接頭完好無損，證明新型注膠接頭強度性能良好，超過軟管本體，滿足設(shè)計要求。

3 存在的問題及解決方案

（1）金屬增強層通過焊接的方式與接頭連接，為了使金屬增強層的每根扁鋼都能起到很好的連接作用，需要使每根扁鋼獨立與接頭連接，這就要求接頭空腔有較大的空間；另外，為提供足夠的強度，需要有足夠厚度的環(huán)氧樹脂，這也需要接頭空腔有足夠大的體積。這些都造成新型注膠接頭體積過大，給新型接頭的生產(chǎn)上盤、安裝鋪設(shè)造成了一定的困難。

（2）在新型接頭的制作過程中需要安裝的部件較多，而且這些部件無法提前組裝；許多根扁鋼都要和接頭進(jìn)行獨立焊接；接頭內(nèi)部的環(huán)氧樹脂還需要進(jìn)行長時間的固化。這些都造成了新型接頭制作時間過長，一旦在海上施工過程中出現(xiàn)問題，將嚴(yán)重影響施工工期，產(chǎn)生大量額外費用。

（3）該新型接頭應(yīng)用于柔性立管時，與復(fù)合軟管接觸的根部容易產(chǎn)生過度的彎曲，需要增加抗彎裝置才能作為柔性立管接頭應(yīng)用。

[1]周俊.深水海底管道S型鋪管形態(tài)及施工工藝研究 [D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[2]APISPEC 17J-2002，Specification for Unbonded Flexible Pipe[S].

[3]ISO/DIS 13628-2-2004，F(xiàn)lexible Pipe Systems for Subsea and Marine Application[S].

[4]API RP 17B-2002，Recommended Practice for Flexible Pipe[S].

[5]DNV-OS-F101-2002，Submarine Pipeline Systems[S].

New Type Joint of Subsea Flexible Pipes

PANG Shu-min（CNOOC Technology Inspection Co.， Ltd.， Tianjin 300452， China），TANG Jian-hua，WANG Lin，et al.

It shows that the connection strength of a traditional internal expanding and external buckling joint is obviously insufficient to larger caliber pipe and at higher pressure.The joint and flexible pipe themselves get certain damage in the process of buckling,so it needs to process joint metal with the cold deformation approach,which demands higher intensity,hardness and ductility of the metal,and seriously limits the metal material selection.It not only increases the production cost of the joints,but also brings new problems to anticorrosion of the joints.So it needs to design a new type of joint.This paper introduces the structure ofa new glue injected joint and its static pressure blasting test,and shows that this type joint meets the requirement for pressure,sealing,anticorrosion and reliability,etc.

subsea pipeline;composite flexible pipe;glue injected joint;anticorrosion performance;seal performance

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.04.005

龐樹民 （1961-），男，天津人，高級工程師，1982年畢業(yè)于吉林工業(yè)大學(xué)工程機(jī)械專業(yè)，從事海洋石油管道設(shè)計工作。

2011-08-21；

2012-04-24