陳 晨 陳社鵬 谷風(fēng)濤

（中國石油天然氣管道局國內(nèi)事業(yè)部）（中國石油天然氣管道應(yīng)急搶險中心）

0 引言

海底管道是海上油氣田開發(fā)和建設(shè)的重要組成部分，它是油、氣集輸和外輸?shù)淖钪饕姆绞?。隨著世界海洋能源的快速發(fā)展，海洋開發(fā)也日趨頻繁，從1954年Brown&Root公司在美國墨西哥灣鋪設(shè)世界上第一條海底管道以來，世界各國鋪設(shè)的海底管道總里程已達(dá)十幾萬公里。而我國海底油氣管道的發(fā)展僅有20多年的歷史，目前我國海底管道已超過4.0×103km[1]。從我國海洋石油2015年的遠(yuǎn)景規(guī)劃來看，海洋能源的開發(fā)將是我國能源戰(zhàn)略的重要方向。1973年我國首次在山東黃島采用浮游法鋪設(shè)了3條500 m從系泊裝置至岸上的海底輸油管道。自那時至今，我國海底管道大部分已進(jìn)入了服役中后期，事故頻發(fā)已經(jīng)危及海底管道的運(yùn)行安全。本文主要從海底管道維搶修技術(shù)方面闡述海底管道的失效形式和修復(fù)方法。

1 海底管道修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀

海底管道維搶修技術(shù)對于我國還比較陌生的時候，國外已經(jīng)是非常成熟的技術(shù)了。以PLIDCO公司，TDW Offshore Services AS公司，Wachs Subsea公司，OCEANEERING公司等為代表的國外專業(yè)化公司，其技術(shù)水平已經(jīng)發(fā)展至千米級深水維修階段，已經(jīng)從潛水員輔助維修發(fā)展至水下無人維修系統(tǒng)。

在我國，隨著海洋油氣資源的不斷開發(fā)，油氣管道的安全運(yùn)行也日漸被重視，發(fā)展我國自主產(chǎn)權(quán)的海底油氣管道維搶修技術(shù)和裝備已迫在眉睫?！笆濉?63計劃 “渤海大油田勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”重大專項(xiàng)研制的 “水下干式管道維修系統(tǒng)”在渤海成功進(jìn)行了海上試驗(yàn)。該系統(tǒng)是由海洋石油工程股份有限公司聯(lián)合上海交通大學(xué)、中國石油大學(xué) （北京）、北京石油化工學(xué)院和哈爾濱工程大學(xué)五家單位進(jìn)行聯(lián)合研發(fā)的，目前只能在60 m以內(nèi)水深進(jìn)行管道維修研究及施工作業(yè)，與國外先進(jìn)技術(shù)相比還有很大的差距。 “十二五”期間中國石油天然氣管道局進(jìn)軍藍(lán)色海洋管道市場，并不斷研究和開發(fā)海洋管道維搶修技術(shù)和裝備。圖1為中國石油天然氣管道局自主開發(fā)的海底管道搶修卡具和機(jī)械式封堵三通。

圖1 海底管道搶修卡具和機(jī)械式封堵三通

2 海底管道分類

海底管道可按多種方式進(jìn)行分類。

按照輸送方式劃分：海底輸油管道，海底輸氣管道，海底油氣混輸管道，海底輸水管道。

按海底管道的結(jié)構(gòu)劃分：雙重保溫管，單層管道。

按工作范圍劃分：油氣集輸管道，油氣外輸管道。

3 海底管道損傷的原因

據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，海底管道出現(xiàn)損傷、泄漏的概率為0.2% （按每年每1000 km管道發(fā)生損壞的概率統(tǒng)計）[3]。自1973年我國建設(shè)首條海底管道至今，大部分海底油氣管道已經(jīng)步入了服役中后期，管道因內(nèi)外腐蝕、地質(zhì)災(zāi)害及第三方破壞等因素影響，其損壞率有逐年遞增的趨勢。表1為1998～2012年我國海底管道泄漏事故的統(tǒng)計。

由表1和相關(guān)文獻(xiàn)資料可將管道受損原因大致歸納為6個方面：

（1）管線在路由選擇和設(shè)計時不合理，導(dǎo)致了管線在施工中遭到損壞，這種損壞往往并沒有被及時發(fā)現(xiàn)。此外，管線材料的內(nèi)在缺陷在當(dāng)時未被發(fā)現(xiàn)，但在后來的管線運(yùn)行過程中逐漸暴露出來，也是造成管線損壞的原因。

表11998 ～2012年我國海底管道泄漏事故統(tǒng)計[10]

（2）海底管道的路由位置正好處于海上作業(yè)施工點(diǎn)或航道處，由于工程施工、船舶拋錨、拖網(wǎng)捕魚等作業(yè)造成了海底管道的刮傷、砸傷。

（3）管線周圍的土體受到海流的長期沖刷，造成埋設(shè)管線露出海床，并可能形成長的懸跨段，給管線安全運(yùn)行造成危害。

（4）海面上航船等拋下的物體，也可能撞擊到管道，使得管道局部受力過大，造成管體破壞。

（5） 海底管道輸送的介質(zhì)通常都具有一定的腐蝕性，長期輸送這樣的介質(zhì)會造成管道內(nèi)腐蝕。此外，海洋環(huán)境因素也會造成管道外腐蝕。管道內(nèi)外腐蝕的共同影響，更易造成管道的腐蝕破壞。

（6）管內(nèi)介質(zhì)的流動會造成管體輕微振動。管線長期受到這種振動影響，會使管體周圍土質(zhì)變松，再加之海流沖刷，就極易產(chǎn)生管道懸跨或管道浮出管溝的現(xiàn)象。

4 水下破損管道的修復(fù)方法

由于海底管道所處環(huán)境的特殊性，難免造成各種各樣的損壞。要修復(fù)損壞的管道或管道上的缺陷，需要根據(jù)管道損壞或缺陷的情況和作業(yè)能力來選擇合適的修復(fù)技術(shù)。一般情況下海底管道維修方式可分為如下幾種：鋼套袖修復(fù)法、外卡修復(fù)法、套筒修復(fù)法、機(jī)械連接器修復(fù)法、機(jī)械式三通維修法、法蘭修復(fù)法、水下焊接修復(fù)法等[2-5]。

4.1 鋼套袖修復(fù)法

鋼套袖修復(fù)法一般分為焊接式鋼套袖和機(jī)械式鋼套袖兩種。焊接式鋼套袖修復(fù)法是采用與原管道相同型號、分為兩個半圓形的鋼套將其套在破損管道表面，然后采用焊接的方式焊接半圓形鋼套，并在鋼套和管道間的縫隙填充密封材料，見圖2。機(jī)械式鋼套袖與焊接式鋼套袖類似，也是分為兩個半圓形鋼套，不同之處是機(jī)械式鋼套袖采用螺栓緊固上下半圓形鋼套，將其緊固在受損管道的外表面，并在鋼套內(nèi)表面和管道外表面之間的間隙中填塞密封材料，見圖3。這種修復(fù)方式操作簡便，管道可不停輸，也無需管道斷管作業(yè)。但由于焊接式鋼套袖方法涉及水下焊接作業(yè)，水下焊接質(zhì)量難以保證，因此只適用于修復(fù)管道小面積的腐蝕以及對淺水管道的修復(fù)。

圖2 焊接式鋼維修套

圖3 螺栓連接式鋼維修套

4.2 外卡具修復(fù)法

外卡具修復(fù)法是在海底管道泄漏部位安裝堵漏卡具，卡具主要由上下殼體、液壓機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)及端塞組成。施工時，通過安裝在卡具上的液壓機(jī)構(gòu)將上下殼體張開，由潛水員牽引至管道維修處并扣在需修復(fù)的管段上，采用液壓扳手將上下殼體連接螺栓擰緊，兩側(cè)的端塞螺栓采用液壓扳手?jǐn)Q緊，保證卡具的軸向和環(huán)向密封條達(dá)到密封要求，最終達(dá)到管道設(shè)計運(yùn)行要求。外卡具修復(fù)主要用于修復(fù)泄漏較小的管道，卡具形式如圖4所示。

圖4 海底管道搶修卡具

4.3 連接器修復(fù)法

連接器修復(fù)法可按照連接器的類別不同分為法蘭連接器修復(fù)法和機(jī)械三通修復(fù)法。

4.3.1 法蘭連接器修復(fù)法

法蘭連接器修復(fù)法是將原有管道進(jìn)行機(jī)械斷管后，在管端安裝法蘭連接器，同時在更換管段端部預(yù)先焊接法蘭，替換管段采用法蘭連接的方式與原管道上的法蘭連接器進(jìn)行機(jī)械式連接，達(dá)到修復(fù)的目的。

法蘭連接器修復(fù)法的主要步驟如下：切割破損管段后，將法蘭連接器安裝到管端，再安裝拉緊螺栓，然后通過螺栓拉伸器將螺栓擰緊。法蘭連接器上的凹槽受到力的作用，與管道外表面接觸，并使管道壁產(chǎn)生塑性變形，形成整體密封。安裝好法蘭連接器后，再安裝替換管段。法蘭分為標(biāo)準(zhǔn)法蘭、旋轉(zhuǎn)法蘭和球形法蘭。其中標(biāo)準(zhǔn)法蘭適用于水面管道維修，旋轉(zhuǎn)法蘭和球形法蘭適用于海底管道維修，見圖5。

圖5 法蘭連接器及法蘭連接器的安裝

法蘭連接器修復(fù)法適用于大面積管道破損的維修、長距離管道更換；可在水下調(diào)節(jié)安裝角度和方向，更加適宜于水下?lián)Q管以及管道同軸度難以保證時的維修；作業(yè)過程比較簡單，潛水人員可進(jìn)行操作，簡便易行。缺點(diǎn)是：由于全部采用非焊接形式，易產(chǎn)生機(jī)械密封不嚴(yán)、微泄漏等現(xiàn)象。

4.3.2 機(jī)械式三通修復(fù)法

機(jī)械式三通修復(fù)法按照工藝來說，應(yīng)歸類于水下不停輸或者停輸開孔封堵修復(fù)工藝。機(jī)械式三通與水下開孔機(jī)和封堵器配合使用，即可達(dá)到修復(fù)管道的目的。機(jī)械式三通和陸地管道不停輸封堵工藝使用的三通功能一致，區(qū)別在于機(jī)械式三通是通過螺栓緊固和密封機(jī)構(gòu)共同作用使其固定在管道上的，而陸地管道不停輸封堵采用的三通是直接焊接在管道上的。為了使得機(jī)械式三通便于在水下安裝，在設(shè)計過程中采用了液壓機(jī)構(gòu)，使其能夠在水下自由打開和閉合，橫向和環(huán)向密封設(shè)計和端部卡瓦設(shè)計使得機(jī)械式三通使用更加安全。機(jī)械式三通的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4.4 水下焊接修復(fù)法

水下焊接修復(fù)法是在水下切割破損管段，并對管道切口端部進(jìn)行機(jī)械處理，完成修復(fù)短節(jié)與原管道的對口，再將處理后的管端與替換管段進(jìn)行對口焊接，焊口作防腐處理，最終完成修復(fù)工作。

水下焊接修復(fù)法分為濕式焊接法、局部干式焊接法和干式焊接法。此外，還有水下摩擦疊焊修復(fù)法、等離子焊修復(fù)法等[6-7]。

圖6 機(jī)械式三通結(jié)構(gòu)

4.4.1 水下濕式焊接法

水下濕式焊接法施工時，設(shè)備置于海水環(huán)境中，電弧與水之間沒有隔離措施，電弧僅依靠焊條在焊接作業(yè)過程中產(chǎn)生的氣體來保護(hù)，焊接質(zhì)量難以控制，效率低，可靠性相對較差。

隨著我國水下焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來已經(jīng)開發(fā)出了應(yīng)用于水下焊接的專用焊條，進(jìn)一步推動了水下濕式焊接技術(shù)朝著操作簡便、成本低廉、施工作業(yè)簡單的方向進(jìn)一步發(fā)展。

4.4.2 水下局部干式焊接法

與水下濕式焊接法不同，水下局部干式焊接法是將焊接部位周圍局部范圍內(nèi)的水用人工方法排除，形成局部氣室，焊弧將被保護(hù)在這個區(qū)域內(nèi)，而焊接所需設(shè)備和人員則處在海水中。

4.4.3 水下干式焊接法

水下干式焊接法是將施焊部位區(qū)域水排出，形成 “干”式環(huán)境，之后再進(jìn)行焊接操作。依據(jù)周圍壓力的不同，通?？梢苑譃楦墒礁邏汉附臃ê透墒匠汉附臃▋煞N。

（1）水下干式常壓焊接是 “干”式環(huán)境，壓力為常壓狀態(tài)，此種狀態(tài)便于潛水員進(jìn)行焊接作業(yè)，焊接質(zhì)量與陸地相同，適合于淺水管道的修復(fù)。

（2）水下干式高壓焊接在最近幾年發(fā)展較快，研究此項(xiàng)技術(shù)較早的是北京石油化工學(xué)院，其在水下高壓焊接方面取得了一定成果。水下高壓焊接法是一種效率較高的水下管道維修方法，尤其對于深水海底管道的維修具有一定優(yōu)勢，目前各國都在進(jìn)行相關(guān)方面的研究和應(yīng)用。

5 修復(fù)方法的選擇

在深海海底管道維修中，一般將管道損壞長度小于其管徑，且不危及管道整體結(jié)構(gòu)的損壞稱為管道小損壞。例如，由于管道的局部腐蝕或管道焊接缺陷而造成的裂紋或小孔泄漏。相對于管道小損壞而言，管道受損長度大于其管徑，一般稱為管道大損壞。

管道維修一般應(yīng)根據(jù)管道損壞程度、維修系統(tǒng)能力及作業(yè)支持船舶的綜合能力等因素選擇合適的維修方法。此外，還需考慮海底管道的基本參數(shù)（管徑、設(shè)計壓力、壁厚、管道形式）、水深、海底埋設(shè)深度、破壞位置、臨時性的還是永久性的維修措施、維修作業(yè)時間的長短、現(xiàn)有的維修技術(shù)和維修設(shè)備以及維修成本等。表2為Joseph Killeen等列舉出的海底管道可能出現(xiàn)的幾種損壞情況，以及可以選擇的相應(yīng)維修方式。

表2 海底管道不同損壞類型采用不同的維修方式[10]

由表2可知，在海底管道上出現(xiàn)小孔或小裂紋泄漏時，可采用夾具進(jìn)行永久性維修。夾具維修時，應(yīng)保證維修夾具在安裝和使用過程中不會破壞原管道的完整性，并且不能破壞原管道的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性。對于管道出現(xiàn)大面積腐蝕、破裂甚至變形時，可采用換管維修或采用重新鋪設(shè)的方式進(jìn)行管道修復(fù)。

5.1 鑿槽、溝紋或凹痕

影響管道完整性的鑿槽、溝紋或凹痕，應(yīng)在符合管道安全等級的管道壓力下立即進(jìn)行修復(fù)，可采用外卡具修復(fù)或?qū)﹂_式套筒修復(fù)。

5.2 泄漏的修復(fù)

在對任何泄漏進(jìn)行永久性修復(fù)前，應(yīng)查明泄漏的真正原因，按照現(xiàn)場修復(fù)工藝規(guī)程和要求進(jìn)行修復(fù)。對管體或焊縫處泄漏的永久性修復(fù)，應(yīng)在停輸處理后將損壞管段切除，或采用對開式套筒加固進(jìn)行修復(fù)。

6 結(jié)論

（1） 海底油氣管道損壞可以采用不同的方法進(jìn)行修復(fù)，可依據(jù)管道的損壞程度和損壞原因合理選擇維修方法。但是管道修復(fù)過程必須按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格要求，以確保管道修復(fù)的安全。

（2）海底管道維修技術(shù)在我國仍處于初級階段，還有很多的工作需要完成，因此在積極研究和開發(fā)此類技術(shù)的同時，善于借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，再結(jié)合我國自身國情和技術(shù)手段，是快速提高自主創(chuàng)新能力的必要手段。

（3）我國海底管道維修技術(shù)將從淺海有潛維修向深水無潛維修技術(shù)方向發(fā)展，并逐步縮小與國外維搶修技術(shù)的差距。

[1] 焦向東.21世紀(jì)海洋工程連接技術(shù)與對策 [A].見：2007船舶焊接國際論壇論文集 [C].上海：2007.

[2] 魏中格，齊雅茹，劉鴻聲，等.海底管道維修技術(shù)[J].石油工程建設(shè)，2002，28（4）：32.

[3] 侯濤，安國亭.海底管道損傷的原因分析及維修 [J].中國海洋平臺，2002，17（14）：37-39.

[4] 李煌英，高光軍，吳鋒，譯.國外舊管道不停輸維修技術(shù) [J].油氣儲運(yùn)，2000，19（3）：30-32.

[5] 余建榮，張欒林，蔣力培.水下焊接技術(shù)及其進(jìn)展[J].焊接技術(shù)， 2001， 30 （4）： 2-4.

[6] 劉桑，鐘繼光，王國榮.水下焊接技術(shù)研究與應(yīng)用的新進(jìn)展 [J].中國修船，2000（4）：10-12.

[7] 陳錦鴻，肖志平.水下高壓焊接在海 （河）底管線維修中的應(yīng)用 [J].焊接技術(shù)，1998（6）：25-26.

[8] 江錦，馬洪新，秦立成.幾種典型海底管道修復(fù)技術(shù)[A].見：第十五屆中國海洋 （岸）工程學(xué)術(shù)討論會[C].太原： 2011.

[9] 王詩鵬.海底管道腐蝕缺陷修復(fù)評估方案的確定 [J].油氣儲運(yùn)， 2011， 30 （12）： 949-950.

[10] 方娜，陳國明，朱紅衛(wèi)，等.海底管道泄漏事故統(tǒng)計分析 [J].油氣儲運(yùn)，2014，33（1）：99-103.