強(qiáng)潮流海域長(zhǎng)輸氣管道帶壓修復(fù)方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

潘東民 于銀海

(海洋石油工程股份有限公司 天津 300461)

隨著我國(guó)海洋石油工業(yè)的快速發(fā)展，海底管道數(shù)量越來(lái)越多，由各種原因造成的管道損傷時(shí)有發(fā)生。通過(guò)對(duì)損傷海底管道修復(fù)方法的不斷研究和實(shí)踐[1-5],國(guó)內(nèi)海底管道常壓修復(fù)技術(shù)已趨于成熟。目前國(guó)內(nèi)引進(jìn)帶壓封堵技術(shù)已有20余年，并開(kāi)展了開(kāi)孔封堵設(shè)備的自主研發(fā)[6]，但主要應(yīng)用于陸地管道，而海底管道濕式帶壓修復(fù)關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)仍然依托國(guó)外專業(yè)公司。目前海底輸氣管道帶壓開(kāi)孔和修復(fù)作業(yè)在國(guó)內(nèi)工程項(xiàng)目中已經(jīng)成功實(shí)施[7]，涉及項(xiàng)目所在施工海域海況均較為理想，但在強(qiáng)潮流低能見(jiàn)度海域的海底管道帶壓修復(fù)作業(yè)尚無(wú)先例。本文依托位于強(qiáng)潮流海域的東海某長(zhǎng)輸氣管道的修復(fù)工程，針對(duì)施工區(qū)域所在特殊海況和地質(zhì)條件，根據(jù)文獻(xiàn)[8]相關(guān)要求，開(kāi)展帶壓修復(fù)方案研究與設(shè)計(jì)，并成功指導(dǎo)了工程施工，可為以后類似海洋環(huán)境下的海底管道修復(fù)提供參考。

1 工程背景

2015年臺(tái)風(fēng)“燦鴻”經(jīng)過(guò)東海海域時(shí)，某長(zhǎng)約389 km的φ355.6 mm海底輸氣管道壓力發(fā)生異常。經(jīng)路由檢測(cè)和排查，該管道位于舟山群島海域(水深約30 m)某處管段發(fā)生了裂紋損傷，損傷管道所在海床發(fā)生了局部地質(zhì)沉陷，管道由埋深1.5 m下沉到泥面以下約2.5 m，地質(zhì)沉陷區(qū)域沿管道方向長(zhǎng)度約100 m(表1)。為不影響管道正常生產(chǎn)，采用封堵卡具對(duì)管道進(jìn)行了臨時(shí)修復(fù)。由于損傷管道處于不穩(wěn)定海床，為了避免管道在后續(xù)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中再次發(fā)生損傷，管道業(yè)主決定更換損傷管段，對(duì)管道進(jìn)行永久修復(fù)。

舟山海域?qū)儆谑澜鐝?qiáng)潮流海域，流急流大(表2)，平潮時(shí)間短，長(zhǎng)波涌浪頻繁影響，損傷管道所處區(qū)域水下能見(jiàn)度幾乎為零，水下施工效率極低，工程整體風(fēng)險(xiǎn)較高。

表1 東海某海底輸氣管道損傷段基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the damaged section of a subsea gas pipeline in East China Sea

表2 東海某海底輸氣管道損傷點(diǎn)處波流參數(shù)Table 2 Wave and current parameters at the damaged point of a subsea gas pipeline in East China Sea

2 修復(fù)方案設(shè)計(jì)

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

海底天然氣管道更換受損管段的常規(guī)修復(fù)方式為：首先進(jìn)行管道降壓，排空管內(nèi)天然氣并對(duì)管道清洗，將損壞管道切除，然后安裝機(jī)械連接器法蘭或平管起吊焊接法蘭，最后安裝更換管道。由于損傷管道較長(zhǎng)，如采用常規(guī)方式修復(fù)，修復(fù)前須處理管道清洗產(chǎn)生的大量廢液，修復(fù)后須排出管道內(nèi)進(jìn)入的大量海水，并進(jìn)行干燥惰化，然后再升壓。這樣會(huì)很大程度上增加管道的停產(chǎn)時(shí)間，且需要更多的資源投入，最終導(dǎo)致管道修復(fù)成本的大幅提升。為了縮短停產(chǎn)工期，降低管道修復(fù)成本，采用了在損壞管段兩側(cè)帶壓開(kāi)孔并封堵，隔離中間損壞管道后進(jìn)行損傷管道切割回收和更換管道安裝工作，然后僅對(duì)更換的管道排水升壓后即可恢復(fù)生產(chǎn)。

鑒于損傷管道處于不穩(wěn)定海床，為避免管道在后續(xù)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中再次發(fā)生損傷，考慮管道更換長(zhǎng)度250 m，新更換管道路由避開(kāi)原損傷管道路由一定距離。更換管段可繼續(xù)使用鋼質(zhì)管道，也可采用柔性軟管。

柔性軟管更換的方案：使用一根連續(xù)的柔性軟管，兩端通過(guò)法蘭與原管道連接，通過(guò)弧形鋪設(shè)避開(kāi)原管道路由。φ355.6 mm海洋柔性軟管屬大管徑軟管，國(guó)內(nèi)不具備生產(chǎn)能力，須從國(guó)外采購(gòu)，采辦周期長(zhǎng)、成本高。但柔性軟管能夠承受更大彎曲變形，更能適應(yīng)不穩(wěn)定海床[9]，并可進(jìn)行連續(xù)鋪設(shè)，而且可以減少水下法蘭連接數(shù)量，能夠很大程度上提升管道更換的作業(yè)效率。

為提升管道修復(fù)施工效率、縮短停產(chǎn)時(shí)間、降低后續(xù)管道運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)，綜合考慮采用柔性軟管替代原損傷管段(圖1)。同時(shí)，為避開(kāi)沉陷海床，柔性軟管采用“Ω”形的路由偏離原受損管道路由一定距離(圖2、3，表3)。

圖1 采用柔性軟管替代損傷管段的管道損傷段修復(fù)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of pipeline repair with flexible pipeline replacing the damaged section

圖2 柔性軟管“Ω”形路由Fig.2 Schematic diagram of “Ω” routing of flexible pipeline

圖3 柔性軟剖面形式Fig.3 Cutaway of the flexible pipeline

表3 柔性軟管主要參數(shù)Table 3 Main parameters of the flexible pipeline

2.2 封堵方式選擇

帶壓封堵頭由機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分和密封部件組成，用于阻止管道內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)的裝置[10]，分為懸掛式封堵頭、折疊封堵頭、筒式封堵頭和球形封堵頭。針對(duì)各種封堵頭的封堵特點(diǎn)和適用的工作環(huán)境，開(kāi)展了大量研究和對(duì)比[11-14]。英國(guó)STATS GROUP公司的球形封堵頭可迎著壓力封堵，有兩道密封環(huán)，其中初級(jí)密封承受管道內(nèi)介質(zhì)壓力，管道壓力越大，密封效果越好，因此管道不需要降壓；二級(jí)密封承受海水壓力，中間零壓區(qū)域有壓力傳感裝置可實(shí)時(shí)顯示壓力情況，并設(shè)有失效保險(xiǎn)裝置(圖4)。由于球型封堵頭可迎著壓力封堵，所以能夠通過(guò)封堵機(jī)連箱上預(yù)留球閥進(jìn)行中間隔離段管道的壓力平衡和置換，避免開(kāi)設(shè)平衡孔，減少水下開(kāi)孔作業(yè)量。由于本項(xiàng)目管道兩端密封后要進(jìn)行損毀管段切割和安裝柔性軟管，封堵時(shí)間長(zhǎng)，因此選擇球形封堵能夠保證后續(xù)施工的順利進(jìn)行。

本次管道修復(fù)作業(yè)所涉及管道修復(fù)點(diǎn)位置的操作壓力約為5.7 MPa，開(kāi)孔和封堵設(shè)備選擇ANSI 600LB壓力等級(jí)?？紤]計(jì)劃將來(lái)要增加此管道輸氣量和提升運(yùn)營(yíng)壓力，因此修復(fù)后留在管道上的機(jī)械三通選取ANSI 900LB壓力等級(jí)，機(jī)械三通和開(kāi)孔機(jī)閘板閥之間增加一個(gè)過(guò)渡短節(jié)。

圖4 球形封堵示意圖Fig.4 Schematic diagram of globular plugging

2.3 開(kāi)孔封堵輔助支架設(shè)計(jì)

管道帶壓開(kāi)孔和封堵作業(yè)須將機(jī)械三通和開(kāi)孔封堵設(shè)備精確安裝到管道上。由于施工支持船在該海域強(qiáng)潮流影響下時(shí)常出現(xiàn)較大升沉和搖擺，此種情況下吊裝開(kāi)孔封堵設(shè)備向海底管道靠攏，極易造成設(shè)備與管道發(fā)生碰撞，導(dǎo)致管道或設(shè)備損傷。若僅在海況極好的情況下進(jìn)行安裝作業(yè)，將會(huì)造成較長(zhǎng)的施工待機(jī)。因此，開(kāi)展了開(kāi)孔、封堵機(jī)安裝輔助支架設(shè)計(jì)，將支架就位在開(kāi)孔封堵位置后，把開(kāi)孔封堵設(shè)備放置于支架上，實(shí)現(xiàn)與船舶吊機(jī)脫離，由潛水員水下調(diào)整精確下放到指定位置，能夠徹底避免船舶晃動(dòng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

開(kāi)孔設(shè)備組合體(包括開(kāi)孔機(jī)、三明治閥和機(jī)械三通)的總高度約5 m，機(jī)械三通長(zhǎng)度約1.9 m，須水平吊裝下放，把機(jī)械三通抱在管道上，完成軸向夾緊螺栓預(yù)緊后再進(jìn)行翻轉(zhuǎn)豎立?？紤]潛水員水下作業(yè)空間需求，并盡可能降低海流和波浪對(duì)支架整體結(jié)構(gòu)的影響，以及確保支架整體結(jié)構(gòu)的下沉穩(wěn)性，支架的框體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)4 m、寬4 m、高7 m，其底部防沉板長(zhǎng)8 m、寬8 m，主結(jié)構(gòu)由H300×H300×10×15的H型鋼、□300×300×10的方鋼、L75×75×6的角鋼組成(圖5)。輔助支架質(zhì)量約15 t，安裝開(kāi)孔設(shè)備組合體后的質(zhì)量約21 t。

圖5 開(kāi)孔封堵輔助支架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of auxiliary support structure for hot-tapping and plugging

使用SACS軟件對(duì)輔助支架結(jié)構(gòu)建模分析，吊裝時(shí)考慮2倍動(dòng)載荷，輔助支架所有桿件的UC值最大為0.25，在位狀態(tài)考慮百年一遇的最大流速對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響，所有結(jié)構(gòu)最大UC值為0.24，均滿足強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)整體滿足下沉穩(wěn)性要求。

1.2.2.4 出院指導(dǎo) 患者出院前,護(hù)理人員為患者進(jìn)行出院事項(xiàng)交到,叮囑患者按時(shí)用藥,出院后定時(shí)來(lái)院復(fù)查,對(duì)兩組的治療情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比[3]。

3 工程實(shí)踐

3.1 帶壓開(kāi)孔前期工作

3.1.1作業(yè)坑開(kāi)挖

損傷海底管道被埋深到海床以下約2.5 m。管道正式修復(fù)前，在損壞管道兩側(cè)開(kāi)挖帶壓開(kāi)孔封堵作業(yè)坑和機(jī)械連接器安裝作業(yè)坑。根據(jù)開(kāi)孔封堵輔助支架防沉板結(jié)構(gòu)尺寸(圖6)，管道懸空高度約1 m。作業(yè)坑開(kāi)挖后，使用沙袋對(duì)作業(yè)坑底部進(jìn)行局部平整，并夯實(shí)地基。

圖6 輔助支架安裝基坑底部尺寸Fig.6 Bottom dimension of foundation pit for auxiliary support installation

3.1.2管道涂層清理

開(kāi)孔封堵機(jī)械三通和機(jī)械連接器法蘭須安裝在表面光滑的管道上，才能達(dá)到最理想的密封效果，因此在安裝前使用高壓水涂層清理設(shè)備，清理管道表面的水泥配重層和煤焦油瓷漆防腐涂層(圖7)。管道涂層清理后，潛水員攜帶專用工具，檢查管道的直度、橢圓度及管道的實(shí)際壁厚，確保滿足機(jī)械連接器和機(jī)械三通安裝規(guī)程的要求。

圖7 管道涂層清理示意圖Fig.7 Schematic diagram of pipeline coating cleaning

3.2 帶壓開(kāi)孔

3.2.1帶壓開(kāi)孔設(shè)備安裝

由于施工地點(diǎn)位于強(qiáng)潮流區(qū)域，每日潛水員可下水作業(yè)的平潮時(shí)間極為有限，為了減少吊裝次數(shù)，降低水下對(duì)接工作量，提升施工效率，在施工船舶甲板上把機(jī)械三通、三明治閥和開(kāi)孔機(jī)先組裝到一起成為組合體(圖8)，并對(duì)三明治閥和開(kāi)孔機(jī)連接處做密閉壓力試驗(yàn)；然后將組合體通過(guò)倒鏈和吊帶固定在輔助支架內(nèi)，并調(diào)整至水平方向(圖9)。

圖8 開(kāi)孔設(shè)備組合體示意圖Fig.8 Schematic diagram of hot tapping stack up

圖9 組合體固定在輔助支架內(nèi)Fig.9 Hot-tapping combination is fixed in the auxiliary support

輔助支架安裝過(guò)程中，需要兩名潛水員下水在輔助支架兩側(cè)觀察支架與海底管道的相對(duì)位置，避免輔助支架與管道發(fā)生碰撞，確保精確就位。待輔助支架沉降穩(wěn)定后，調(diào)整連接開(kāi)孔設(shè)備組合體與輔助支架的倒鏈，將組合體緩慢水平下放，把機(jī)械三通抱在管道上(圖10)。然后安裝機(jī)械三通軸向密封螺栓，并對(duì)螺栓預(yù)緊加力。最后調(diào)整倒鏈，將開(kāi)孔設(shè)備組合體繞管道旋轉(zhuǎn)扶正為豎直方向(圖11)，預(yù)緊機(jī)械三通環(huán)向密封螺栓。為防止開(kāi)孔設(shè)備組合體重力作用在管道上使管道逐漸下沉并彎曲變形，在輔助支架兩側(cè)管道正下方墊放沙袋支撐后，再放松連接開(kāi)孔設(shè)備組合體和輔助支架的倒鏈。

圖10 開(kāi)孔設(shè)備組合體安裝到管道上Fig.10 Deploy the hot tapping stack up on the pipeline

圖11 開(kāi)孔設(shè)備組合體豎直扶正后示意圖Fig.11 Schematic diagram of hot-tapping stack up in vertical state

3.2.2開(kāi)孔作業(yè)

機(jī)械三通的密封測(cè)試和開(kāi)孔作業(yè)，須通過(guò)與開(kāi)孔設(shè)備組合體連接的臍帶纜，由水上人員操作完成。首先向開(kāi)孔設(shè)備組合體內(nèi)注入氮?dú)?，排出組合體內(nèi)進(jìn)入的海水，然后進(jìn)行密封壓力測(cè)試，測(cè)試壓力應(yīng)略高于管道運(yùn)營(yíng)壓力。

開(kāi)孔刀切割管道(圖12)進(jìn)行開(kāi)孔作業(yè)時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生大量鐵屑。通過(guò)陸地開(kāi)孔模擬實(shí)驗(yàn)，在保證管道正常輸氣情況下，開(kāi)孔產(chǎn)生的鐵屑能夠被管道內(nèi)天然氣流帶走，不會(huì)對(duì)后續(xù)封堵效果產(chǎn)生影響。開(kāi)孔作業(yè)過(guò)程中，操作人員應(yīng)時(shí)刻注意開(kāi)孔刀進(jìn)給的行程，并觀察壓力的變化。一旦顯示管道切割完成，將開(kāi)孔刀向下再進(jìn)給少量行程后，立刻停止切割作業(yè)。開(kāi)孔完成后，把開(kāi)孔機(jī)和切割掉的管道“馬鞍片”回收至開(kāi)孔機(jī)連箱內(nèi)，關(guān)閉三明治閥。

開(kāi)孔機(jī)回收過(guò)程中，為避免因船舶晃動(dòng)導(dǎo)致吊裝開(kāi)孔機(jī)時(shí)在水下發(fā)生鐘擺式搖動(dòng)，造成開(kāi)孔機(jī)與三明治閥連接的螺栓受損，以及在與三明治閥脫離后與輔助支架直接碰撞而發(fā)生損傷，制作了開(kāi)孔機(jī)吊裝框架(圖13)，并在后續(xù)的封堵機(jī)安裝和回收中使用。把屋頂型的吊裝框架先放置到輔助支架上，放松吊鉤，潛水員將掛在吊裝框架上的倒鏈與開(kāi)孔機(jī)連接，松開(kāi)開(kāi)孔機(jī)與三明治閥之間的螺栓，收拉倒鏈將開(kāi)孔機(jī)與三明治閥脫離，并完全進(jìn)入到吊裝框架內(nèi)；然后用安全繩在四個(gè)方向把開(kāi)孔機(jī)下端法蘭與輔助框架固定，最后將吊裝框架和開(kāi)孔機(jī)一起回收到施工船甲板。

圖12 開(kāi)孔示意圖Fig.12 Schematic diagram of hot-tapping

圖13 吊裝框架回收開(kāi)孔機(jī)示意圖Fig.13 Schematic diagram of retrieve hot tap machine by hoisting frame

3.3 帶壓封堵

球形封堵形式為迎壓封堵。損壞管道兩端下放封堵機(jī)前，提前調(diào)試封堵頭朝向，并在封堵機(jī)法蘭上標(biāo)記，以便封堵機(jī)安裝后兩側(cè)封堵頭均背向中間受損管道；封堵機(jī)安裝到三明治閥上后，通知平臺(tái)方停產(chǎn)，打開(kāi)三明治閥下放封堵頭到管道內(nèi)，潛水員水下觀察封堵機(jī)外側(cè)的標(biāo)記，確認(rèn)封堵頭到位后，由甲板操作人員激活封堵頭，然后進(jìn)行密封測(cè)試(圖14)。

3.4 損壞管道更換

兩個(gè)封堵機(jī)之間的管道內(nèi)天然氣壓力為運(yùn)營(yíng)壓力，進(jìn)行管道冷切割前需要排出管道內(nèi)天然氣并進(jìn)行置換。為避免水下排氣影響潛水員安全，將排氣軟管一端與一個(gè)封堵機(jī)連箱上球閥連接，另一端固定在工程船下風(fēng)向的船側(cè)。排放口處設(shè)置控制閥，潛水員水下打開(kāi)封堵機(jī)連箱上球閥后，水上人員再打開(kāi)船上控制閥排出管道內(nèi)氣體至常壓，然后通過(guò)排氣管向管道內(nèi)注水。使用冷切割設(shè)備在選取的切割點(diǎn)切割廢棄管道，并局部回收，然后在切割后的兩個(gè)管端安裝機(jī)械連接器(圖15)。

本項(xiàng)目替換損壞管道的柔性軟管長(zhǎng)度為300 m，存儲(chǔ)在立式滾筒上。立式滾筒的驅(qū)動(dòng)形式有地輥式驅(qū)動(dòng)和中心驅(qū)動(dòng)兩種，其中中心驅(qū)動(dòng)形式通過(guò)夾持滾筒中部接口驅(qū)動(dòng)，可以起到一定的固定滾筒的作用，更加適合船舶搖晃工況下的軟管鋪設(shè)。因此，本項(xiàng)目采用中心驅(qū)動(dòng)形式的軟管驅(qū)動(dòng)裝置，配套張緊器等進(jìn)行軟管鋪設(shè)(圖16)。

圖14 損壞管道兩側(cè)封堵示意圖Fig.14 Schematic diagram of plugging on both sides of the damaged pipeline

圖15 機(jī)械連接器安裝后示意圖Fig.15 Schematic diagram of mechanical connector installation completion

圖16 軟管鋪設(shè)示意圖Fig.16 Schematic diagram of flexible pipeline laying

由于柔性軟管長(zhǎng)度大于更換的損傷軟管長(zhǎng)度，因此軟管中間段需要采用弧形并偏離原損傷管道一定路由，從管溝內(nèi)過(guò)渡到海床上。在軟管鋪設(shè)過(guò)程中，根據(jù)柔性軟管“Ω”形路由移動(dòng)鋪管船，保持恒定的鋪設(shè)張力和控制軟管入泥點(diǎn)到鋪管船的水平距離，確保軟管的鋪設(shè)精度。軟管兩端在管溝內(nèi)與機(jī)械連接器法蘭對(duì)接(圖17)。

軟管法蘭對(duì)接后軟管內(nèi)已注滿海水，通過(guò)封堵機(jī)連箱對(duì)軟管進(jìn)行壓力測(cè)試后，在一端封堵連箱上安裝流體單向流動(dòng)閥門(mén)，從另外一端封堵機(jī)向管道內(nèi)注入氮?dú)?，排空管道?nèi)海水；然后升壓使管內(nèi)壓力與管道運(yùn)營(yíng)壓力基本一致，將兩個(gè)封堵球分別回收到封堵連箱內(nèi)；之后立刻恢復(fù)管道的正常生產(chǎn)。

圖17 軟管鋪設(shè)到海床后示意圖Fig.17 Schematic diagram of flexible pipe laid on the seabed

管道投產(chǎn)后，為盡快完成后續(xù)工作，將封堵機(jī)、三明治閥和輔助支架整體回收，用倒鏈將封堵機(jī)和三明治閥與輔助支架連接到一起，松開(kāi)三明治閥與機(jī)械三通連接的螺栓，收拉倒鏈將三明治閥與機(jī)械三通脫離，然后把封堵機(jī)與輔助支架整體回收(圖18)。

圖18 封堵機(jī)與輔助支架整體回收示意圖Fig.18 Schematic diagram of retrieving plugging machine and auxiliary support together

4 實(shí)施效果

按照上述海底管道帶壓修復(fù)方案，在工程實(shí)施過(guò)程中使用開(kāi)孔封堵設(shè)備輔助支架和吊裝框架，克服了強(qiáng)潮流環(huán)境對(duì)海上施工的影響，保證了海上施工安全有序進(jìn)行；開(kāi)孔設(shè)備組合體的整體安裝和封堵機(jī)整體回收，節(jié)省了工程工期；選取的球形封堵在長(zhǎng)達(dá)40余天的帶壓封堵過(guò)程中無(wú)泄漏，為管道更換工作提供了有力保障，而且柔性軟管更換受損管道也大大提升了管道更換的效率。

5 結(jié)論

1) 針對(duì)位于強(qiáng)潮流海域的東海某長(zhǎng)輸氣管道修復(fù)工程，設(shè)計(jì)和使用了水下設(shè)備安裝輔助支架和回收吊裝框架，降低了惡劣海況下施工作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，減少了待機(jī)時(shí)間，保障了工程安全有序進(jìn)行。實(shí)踐證明，在有效作業(yè)時(shí)間極為有限的情況下，分體設(shè)備的整體安裝可明顯提升施工效率；在管道無(wú)需降壓的情況下，球形封堵的選取可達(dá)到長(zhǎng)期有效封堵，避免開(kāi)設(shè)平衡孔，節(jié)省工程工期；針對(duì)海底管道所處不穩(wěn)定沉陷海床，選用對(duì)地質(zhì)適應(yīng)能力更強(qiáng)的柔性軟管，可減少水下法蘭接頭，對(duì)管道后期安全運(yùn)營(yíng)提供更加堅(jiān)強(qiáng)的保障。

2) 該工程的成功實(shí)施，進(jìn)一步提升了我國(guó)海底管道帶壓修復(fù)的整體水平，可為以后類似復(fù)雜海況下長(zhǎng)距離輸氣管道修復(fù)項(xiàng)目提供借鑒。