DPRS在深水海管維修中的應用

陳俊友，馬秦鋒，柳宇，李晶，李剛，肖清軍，姚輝

（深圳海洋工程技術服務有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

根據(jù)墨西哥灣深水海管泄漏事故統(tǒng)計，平均每5 a發(fā)生1起深水海管受損事故。自20世紀80年代到目前為止，世界上已發(fā)生8起深水海管受損事故。隨著越來越多的深水油氣田投產以及深水海管服役年限的增加，發(fā)生事故的概率也在逐年加大[1]。

近年來我國深水海底油氣田開發(fā)逐漸進入高峰期，流花16-2深水油田、流花29-1深水氣田及陵水17-2深水氣田也已投產，國內深水投產海底管線長度也將逐漸增加，深水海管維修潛在需求已經(jīng)非常明確。隨著深水開發(fā)的逐漸加大，海油工程公司對深水海管維修也逐漸加大重視并參與“十二五”重大專項關于深水海管維修的科學研究，對深水海管維修技術有一定的積累。2017年該公司利用國撥資金購置一套深水海管維修專用裝備（Deepwater Pipeline Repair System，簡稱DPRS）。

本文以國內首套DPRS裝備為研究對象，介紹其設備組成和功能，在此基礎上對該套DPRS裝備在深水海管維修中的具體應用進行闡述。

1 深水海管維修技術現(xiàn)狀

深水海管維修技術研究始于20世紀80年代，經(jīng)過30多年的發(fā)展，在深水海管應急維修方面形成了較為系統(tǒng)的技術方案和專業(yè)裝備體系。經(jīng)過對目前國際上比較成熟的深水海管維修技術進行研究，主要分為以下幾種[2-3]。

1.1 水下基盤維修技術

水下基盤維修技術是最早的深水海管維修技術。該技術主要特點是需要預制水下連接基盤，通過跨接管進行連接，完成維修；海上施工周期長，且跨接管容易受自然環(huán)境影響，相對壽命較短；可適用管徑為12～28 in等（如圖1）。

圖1 水下基盤維修

1.2 水下接頭維修技術

水下接頭維修技術是基盤維修技術的升級版本，該技術主要特點是更換的海管通過兩個雙向密封接頭連接，完成維修；操作相對簡單，海上施工周期較短；可適用管徑范圍為6～20 in；需要購置特殊的雙向密封接頭，該接頭質量較大，海管維修完后還需進行懸空處理，不適用于大管徑的深水海管應急維修（如圖2）。

圖2 水下接頭維修技術

1.3 水下焊接維修技術

水下焊接維修技術由挪威國油海管應急基地研發(fā)，主要用于歐洲大陸西北的北海海域深水海底管道維修；該技術特點是更換的海管通過水下干式焊接進行連接，完成維修；操作復雜，設備費用昂貴，主要用于30～48 in大管徑的深水海管維修；整體維修費用較高（如圖3）[4]。

圖3 水下干式焊接

1.4 水下法蘭維修技術

水下法蘭維修技術特點是更換的海管通過水下法蘭進行連接，完成維修；操作相對簡單，海上施工周期短，可適用管徑范圍為6～30 in;需購置機械連接器，海管維修成本相對更經(jīng)濟，應用較為廣泛，本文所述DPRS在深水海管維修中采用的就是水下法蘭維修技術（如圖4）。

圖4 水下法蘭維修技術

2 DPRS介紹

本文介紹的深水海管維修設備（Deepwater Pipeline Repair System，簡稱DPRS）由挪威4C Solution公司生產制造，其主要由海管提升系統(tǒng)、海管切割及表面清理設備、機械連接器安裝設備、海管法蘭組對及螺栓安裝設備和海管檢測工具組成[5-7]。

2.1 海管提升系統(tǒng)

海管提升系統(tǒng)由海管提升架和對接導向架組成（如圖5）。

圖5 海管提升架（左）和對接導向架（右）

海管提升架的主要功能是將受損海管提離海床進行維修作業(yè)，最大作業(yè)水深為2000 m，適用于6～30 in的海管，最深可以將埋于海床淤泥下1.5 m的海管提起，其主要作業(yè)參數(shù)如表1所示。

表1 海管提升架作業(yè)參數(shù)

對接導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，并為海管精切割、管端開坡口、海管機械連接器安裝、膨脹彎安裝、法蘭組對、螺栓庫安裝及液壓拉伸等作業(yè)提供作業(yè)平臺，同時可以給相關作業(yè)設備提供通信、液壓的橋接。

2.2 海管切割及表面清理系統(tǒng)

海管切割設備由切割鋸安裝框架和鉆石線切割鋸組成（如圖6）?？梢宰湓趯訉蚣苌蠈?～30 in的海管進行精切割。

圖6 海管切割設備

海管涂層及焊縫清理設備（如圖7）利用高壓水射流清除海管表面涂層以及采用機械打磨方式清理海管縱焊縫，以便后續(xù)機械連接器的安裝。最大作業(yè)水深2000 m，最大涂層清理厚度100 mm，海管表面清理光潔度SA2.0。

圖7 海管涂層及焊縫清理設備

海管端口清理設備（如圖8）用于在海管端口上進行開坡口，形成一過渡面以方便后續(xù)海管機械連接器平緩插入海管端口，該海管端口清理設備需配合深水海管機械連接器和海管坡口機安裝框架一起使用。最大作業(yè)水深為2000 m，覆蓋6～30 in的海管，并適用于碳鋼、不銹鋼、哈氏合金、鎳基合金和超級雙相不銹鋼材質海管。

圖8 海管端口清理設備

2.3 海管機械連接器安裝設備

海管機械連接器安裝設備（如圖9）是海管機械連接器的載具，可以攜帶海管機械連接器安裝于對接導向架上，由對接導向架驅動將海管機械連接器裝入海管管端，并為液壓拉伸后的海管機械連接器進行螺栓緊固，完成海管機械連接器在海管管端的安裝。

圖9 海管機械連接器安裝設備

2.4 海管法蘭組對及螺栓安裝設備

海管法蘭組對及螺栓安裝設備（如圖10）可攜帶海管法蘭螺栓庫安裝于對接導向架上，完成海管機械連接器與膨脹彎的法蘭組對、螺栓庫安裝及液壓拉伸作業(yè)。

圖10 海管法蘭組對及螺栓庫安裝設備

2.5 海管檢測工具

海管檢測工具包含一套海管直線度測量儀和一套海管橢圓度測量儀（如圖11），用于檢測海管管端的直線度和橢圓度是否滿足海管機械連接器安裝的要求。最大作業(yè)水深為2000 m，覆蓋6～30 in海管，直線度測量精度為0.5 mm，橢圓度測量精度為0.1 mm。

圖11 海管直線度測量儀（左）和海管橢圓度測量儀（右）

3 DPRS在深水海管維修中的應用

DPRS在深水海管維修中采用水下法蘭維修技術，通過切除受損管段，在海管兩端安裝海管機械連接器與更換的海管膨脹彎用法蘭進行連接完成維修，下面將按照圖12所示作業(yè)流程介紹DPRS在深水海管維修中的應用。

圖12 DPRS作業(yè)流程

深水檢測維修船舶航行至事故現(xiàn)場；下放水下機器人（Remote Operated Vehicle，簡稱ROV）入水，調查受損管線事故情況，確定具體受損位置；深水海管維修海上作業(yè)時需3臺ROV，1臺ROV搭載ROV撬塊，1臺ROV搭載高壓水噴射單元，1臺ROV協(xié)助作業(yè)；調查周圍狀況，障礙物清理；確定海管掩埋狀態(tài)，對海管進行吸泥；確定切割位置，在切割點位置吸泥；吊機下放鉆石線切割鋸；ROV監(jiān)控下放過程；ROV操作切割鋸安裝至海管上，進行粗切割作業(yè)；吊機下放吊帶，ROV協(xié)助將吊帶安裝至海管上，吊機回收海管；ROV引導吊機將防沉板導向吊橋放至海管上，然后下放防沉板至導向吊橋上；ROV拔出防沉板上的鎖銷，回收導向吊橋；下放提管架，沿著防沉板上的導向柱，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，提升海管至作業(yè)高度；吊機下放海管涂層及焊縫清理設備至海管附近；連接高壓水泵輸出的高壓水管至支持模塊，繼而連接至清理設備上；ROV利用機械手抓起水泥涂層清理設備并安裝至海管上；ROV操作清理設備進行涂層清理工作；完成涂層清理后，進行海管縱焊縫打磨；海管直線度及橢圓度測量結果滿足海管機械連接器安裝要求后，下放提管架放低海管；吊機下放對接導向架至防沉板；將提管架和對接導向架上的液壓系統(tǒng)管路相連，ROV再對接導向架的控制面板，同時操作提管架和對接導向架提升海管；下放切割設備及輔助框架，沿著導向柱下放至對接導向架；ROV操作切割設備，進行海管精切割；重復上述動作，切割另一側海管；回收切割的海管管段；下放端口清理設備，對切割端面進行處理；下放機械連接器及安裝框架至對接導向架；ROV操作對接導向架，利用對接導向架上的滑軌，將機械連接器與海管組對（如圖13）。

圖13 海管機械連接器安裝

ROV操作機械連接器安裝框架上的控制面板，張緊螺栓；ROV操作機械連接器，進行密封和壓力測試；回收連接器安裝框架，安裝另一側機械連接器；根據(jù)膨脹彎測量結果預制膨脹彎，并運至現(xiàn)場下放至對接導向架上（如圖14）。

圖14 膨脹彎吊裝

ROV操作對接導向架上的滑軌，進行法蘭組對；將法蘭螺栓及張緊裝置安裝至框架上，并下放至對接導向架；將螺栓及螺帽安裝至法蘭上；螺栓安裝到位后，操作螺栓上的張緊器進行張緊；擰緊法蘭螺母；完成法蘭螺栓張緊后，回收法蘭螺栓及張緊裝置框架；將海管下放至海床，待海管試壓成功后，回收提管架，對接導向架、防沉板等工具，完成維修（如圖15）。

圖15 完成海管維修

4 結語

與其他深水海管維修技術相比，水下法蘭維修技術適用范圍更廣，對裝備要求較低，施工周期較短，整體維修費用較低。水下法蘭維修技術目前國內尚無類似的應用案例，相關技術與國外存在較大的差距，應加強DPRS裝備技術及施工技術研究，為我國深水油氣田開發(fā)運營保駕護航。