楊專釗，魏偉榮，劉騰躍，王高峰，李安強，盧衛(wèi)卓

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077；2.中海石油中國有限公司深圳分公司 廣東 深圳 518067；3.中國石油技術開發(fā)公司 北京 100101)

·綜 述·

海洋油氣輸送用雙金屬復合管安裝現(xiàn)狀與趨勢*

楊專釗1，魏偉榮2，劉騰躍3，王高峰1，李安強1，盧衛(wèi)卓1

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077；2.中海石油中國有限公司深圳分公司 廣東 深圳 518067；3.中國石油技術開發(fā)公司 北京 100101)

隨著海洋油氣開發(fā)逐漸向高腐蝕、高溫高壓、深海等苛刻環(huán)境轉移，耐蝕合金襯里或內覆雙金屬復合管逐漸在國內外海洋油氣開采中廣泛應用。介紹了海管鋪設方法、雙金屬復合管鋪設特點，總結分析了國內外海洋用雙金屬復合管鋪設與安裝研究現(xiàn)狀，同時給出國內雙金屬復合管海上安裝建議和發(fā)展趨勢。

海洋油氣; 耐蝕合金; 內覆復合管; 襯里復合管; 海管鋪設

0 引 言

據(jù)文獻[1,2]介紹，油田地面管線面臨的腐蝕環(huán)境越來越惡劣, 特別在一些高酸性、高含氯離子、二氧化碳、硫化氫等油氣田的相繼出現(xiàn), 油氣田開發(fā)和地面管線的腐蝕問題越來越突出, 并直接影響到油氣田的安全開采及經濟效益。雙金屬復合管是防止油氣介質內腐蝕的新型防腐技術[3]。

復合管作為油氣田開發(fā)腐蝕預防和控制的主要措施，與碳鋼相比具有耐蝕優(yōu)勢，與耐蝕合金純材相比，具有價格優(yōu)勢，因而基于其良好的實用性及經濟性，復合管相關技術開發(fā)和應用研究，在過去近20多年來取得長足發(fā)展[4-6]。

隨著海洋油氣開發(fā)逐漸向高腐蝕、高溫高壓、深海等苛刻環(huán)境轉移，雙金屬復合管逐漸在國內外海洋油氣開采中應用，并且取得良好效果。文獻[7]報道了國外雙金屬復合管在海上油氣田開發(fā)工程中的應用情況，列出1990年至2005年雙金屬復合管應用情況，累計達3萬噸。

文獻[7,8]報道了我國首個海洋用雙金屬復合管項目，即崖城13-4海管項目。2011年9月8日，長約22.5 km的崖城13-4海管項目鋪設完工。這是我國海洋油氣輸送領域首條襯里復合海管，也是首次采用國內生產，并自行施工的復合管海洋油氣輸送管線，該項目的竣工標志著雙金屬復合管在中國海洋油氣輸送管線上的應用邁出了實質性步伐。隨著雙金屬復合管在崖城13-4 氣田成功應用，后續(xù)國產雙金屬復合管從陸地應用發(fā)展到海洋環(huán)境，包括南海番禺35-1/35-2 氣田、東海平黃HY1-1/ HY1-2氣田等，海洋區(qū)塊應用雙金屬復合管累計超過100 km[9]。

鑒于雙金屬復合管在我國海上應用尚屬起步階段，對于海洋用雙金屬復合管鋪設與安裝技術和經驗不足，本文重點介紹了雙金屬復合管海洋安裝鋪設方法、鋪設特點，并總結分析了國內外海洋用雙金屬復合管鋪設與安裝研究現(xiàn)狀，同時給出了國內雙金屬復合管海上安裝建議，論述了雙金屬復合管海上鋪設的發(fā)展趨勢。

1 海管鋪設簡介

海洋管道鋪設是通過專用的安裝浮式裝置進行的，最常用的海洋安裝方法包括S型鋪設、J型鋪設、拖曳式鋪設、卷筒鋪設、Carousel Lay和Vertical Lay 鋪設等[10，11]。

由于S型鋪設具有適應管徑范圍廣、鋪設速度較快以及便于操作等優(yōu)點， 目前被廣泛采用。典型S型鋪管如圖1所示[12]。但由于海洋環(huán)境十分惡劣，海底管道同時受到彎矩、軸向拉力和海水拖曳力的共同作用，其安全性受到很大的挑戰(zhàn)，因此開展海底管道鋪管狀態(tài)下力學特性研究顯得尤為重要[13]。

圖1 S型鋪管法

2 雙金屬復合管鋪設特點

由于受地形地貌等限制，管道進行鋪設時，需要進行彎曲，且有時要求管道處于彈性彎曲狀態(tài)；而雙金屬復合管由于其特殊的結構，在彎曲時可能出現(xiàn)基、襯管分離，襯管起皺等現(xiàn)象，將影響金屬復合管的使用性能。

因此開展進行雙金屬復合管的整管彎曲試驗研究，了解復合管的彎曲性能，有助于復合管鋪設準備和安全控制[10]，如：

1) 測試復合管的最小彈性彎曲半徑；

2) 測試復合管基襯分離的最小彎曲半徑；

3) 測試復合管彎曲時的橢圓度變化，及其滿足要求時的最小彎曲半徑；

4) 測試復合管彎曲時的應變值，及其對應的加載載荷，且繪出彎矩與應變的關系曲線。

復合管海上安裝對施工船舶沒有特殊要求，可以采用S型、J型和卷筒鋪管法。目前已安裝的襯里復合管海底管道，多采用S型鋪管法。當采用卷筒鋪設法時，管道彎曲半徑不應小于40倍的鋼管外徑[14]，過小的彎曲半徑可能會在局部引起基、襯管分離。

3 海洋油氣用雙金屬復合管安裝國外研究情況

2005年，Norne Satellite項目，試驗場地在挪威Technip試驗基地，首個復合管模擬海洋盤卷鋪管卷曲疲勞試驗工藝驗證研究項目成功[15-17]。據(jù)文獻[18]介紹，復合管環(huán)焊縫盤卷安裝模擬全尺寸疲勞試驗研究，盤卷鋪管模擬系統(tǒng)如圖2。試驗材料為15寸復合管，內覆316L。復合管由日本JSW生產， 在Technips挪威基地組對安裝，由CSO Apache鋪管，鋪設9 km試驗段。

圖2 盤卷鋪管模擬系統(tǒng)

Subsea 7和 Butting聯(lián)合開發(fā)一種可應用盤卷鋪管的機械雙金屬復合管，BuBi復合管。BuBi復合管外管為X65碳鋼管，襯管分別為316L，825 和625 三種，復合管連接采用自動熱絲脈沖鎢極氬弧焊(Hot Wire Pulsed Gas Tungsten Arc Welding，PGTAW)，填充焊絲為625焊絲。依據(jù)DNV-RP-C203[19]F1 曲線，對試驗復合管進行模擬卷曲的全尺寸疲勞試驗，ABAQUS有限元方法模擬復合管安裝和服役條件，以及卷曲模擬試驗后和疲勞試驗后的系列性能和NDT試驗，包括拉伸、硬度、韌性、腐蝕試驗(G48, G28, ASTM A262)，X射線檢驗，超聲波，著色等方法檢驗，經過試壓滿足要求，并且世界首次應用巴西Santos盆地的Guará 和Lula NE 超深水項目[20]。圖3所示為Subsea 7 盤卷鋪管船。

圖3 Subsea 7 盤卷鋪管船

2013年，TWI和GSP項目聯(lián)合研究了機械和冶金復合管環(huán)焊縫臨界缺陷斷裂評估技術及其驗證，為海洋盤卷鋪管方法技術儲備[21]。為研究復合管海上卷曲鋪管技術，文獻[22]開展了雙金屬襯里復合管環(huán)焊縫在彎曲載荷作用下褶皺和塌陷(Wrinkling and collapse)分析，復合管外徑12 in，結果顯示減少環(huán)焊縫間距可延緩襯管塌陷，同時彎曲載荷在內壓作用下，延遲襯管塌陷，此外增加復合管直徑，而保持襯管厚度不變情況下，加快襯管塌陷。文獻研究了襯里復合管在彎曲載荷作用下屈曲分析[23]。文獻采用試驗和有限方法研究S鋪管法安裝的冶金復合管的可能性[24]。

4 海洋油氣用雙金屬復合管安裝國內研究情況

伴隨崖城項目用雙金屬復合管在國內首次應用，我國近年來也開始逐漸開展雙金屬復合管鋪設安裝研究。文獻 [25]利用ANSYS軟件，S型鋪管的目標水深為202 m，管道張緊力為50 kN的工況為例，分析L360/UNS N08825和L360/316L的雙層復合管在采用S型鋪管法鋪設時，計算得到管道彎曲應力分布云圖。重點分析了雙層復合管中內襯管與外套鋼管之間的剪切應力。計算中考慮了管道類型變化、水深變化和管道張緊力變化等多種鋪設工況。結果顯示，管道的變形呈“S”型曲線，最大變形和最大層間剪應力隨著鋪設水深的增加而增大，最大變形為52.7 m，最大彎曲應力為201 MPa，出現(xiàn)在管道與托管架分離處，最大層間剪應力為206 MPa，也發(fā)生在管道與托管架分離處，均未超過其材料的屈服強度(355 MPa)。

文獻[26]為了研究機械式雙金屬復合管的彎曲性能，采用四點彎曲法對Φ219 mm×(11+3) mm X65+316L襯里復合管進行了整管四點彎曲試驗。理論計算及試驗結果表明，在彎曲載荷作用下，復合管發(fā)生彎曲變形，當基管管體外表面軸向拉伸應變ε≤0.2%時，對應求解的復合管彎曲半徑R≥218D時，海管鋪設時，管道處于彈性彎曲狀態(tài)。當復合管彎曲半徑R<218D時，管體外側開始進入塑性狀態(tài)，對應的應變ε>0.2%，這個轉變點與基管相同。當復合管彎曲半徑R為100D～68D時，此時對應的ε為0.8%～1.4%，復合管達到全塑性階段，解剖結果顯示，基層與襯層沒有發(fā)生分離，襯管未發(fā)生起皺及塌陷變形現(xiàn)象，上述彎曲變形過程對其使用性能不會有較大影響。由此可見，當彎曲半徑R≥100D時，該規(guī)格襯里復合管的彎曲性能可滿足海洋油氣管道鋪設的彎曲變形要求。

據(jù)文獻[9]， API 5LD沒有對復合管彎曲性能提出要求，但作為海洋用管，項目技術規(guī)格書對復合管的彎曲性能提出明確要求。中海油/番禺35-1/35-2氣田用復合管技術規(guī)格書對四點彎曲試驗要求如下[27]：1)該試驗為針對某批次或某規(guī)格的產品制造工藝評定試驗(MPQT)；2)產品應先通過高溫塌陷試驗檢驗；3)試樣長度為一根標準長度(12.192 m)；4)對試驗管進行位移控制加載至規(guī)定應變，X65和X70鋼級最大允許動態(tài)應變分別為0.305%和0.325%，進行30次彎曲循環(huán)，彎曲試驗過程中，對試驗管內部進行視頻監(jiān)控，未發(fā)現(xiàn)襯里層褶皺或屈曲為合格；5)也可將試樣持續(xù)彎曲直到襯里層失效，記錄基管最大應變；6)除了進行上述完全彎曲試驗外，也可選擇進行彎曲-軸向拉伸復合加載試驗。

國內某廠研發(fā)的四點彎曲試驗機如圖4所示[9]。

圖4 復合管四點彎曲試驗裝置

據(jù)文獻[9]，某項目襯里復合管四點彎曲試驗結果見表1，結果說明：1)在一定范圍內基體鋼管與內襯管之間接觸應力越大，復合鋼管發(fā)生彈性彎曲時，內襯管起皺或產生剝離的可能性越低。2)內襯復合鋼管彎曲時，當超過其彈性極限，內襯管產生起皺、剝離、鼓包是正常現(xiàn)象，但內襯材料塑性較好，不會因鼓脹發(fā)生開裂。

早期，我國海上鋪管依靠國外施工完成，近年來伴隨我國造船技術提高，陸續(xù)自主建造海上鋪管作業(yè)船。挪威、巴西、意大利、美國等國家在深水海底管線安裝設備及技術方面都處于國際領先水平。目前，我國中深水海底管線安裝技術還處于起步階段。與國外中深水技術相比較差距明顯，國外的成功經驗對我國南海石油資源的開發(fā)戰(zhàn)略發(fā)展有一定的借鑒作用。對于300 m以內的中深水，海底管道施工借鑒了灘淺海施工方法與經驗，但工藝流程與灘淺海不盡相同，需要更可靠的施工裝備和更成熟的技術來提供支持[11]。

表1 某項目用X65+316L襯里復合管四點彎曲試驗結果

管線焊接的施工方式經歷了手工電弧焊下向焊工藝、半自動焊工藝和全自動焊工藝等三個階段；20世紀70年代以后，GMAW自動焊在管道施工中的應用發(fā)展很快，已經逐步成為目前主流的管線鋪設焊接方法。法國SeriMax和美國CRC-Evans是海底管線安裝自動焊接設備的二家主要供應商。

隨著海底管道建設使用的鋼管的強度等級的提高， 管徑和壁厚的增大及施工條件惡劣， 在海底管線鋪設過程中開始向自動化、系統(tǒng)化方向發(fā)展。目前，我國100 m及以上水深鋪管船有勝利902鋪管船(最大水深100 m)、藍疆鋪管船(最大水深150 m)、HYSY201鋪管船(最大水深3000 m)、HYSY202鋪管船(最大水深300 m)、中石油管道局CPP601鋪管船(最大水深150 m)以及海隆106號(最大水深300 m)共7艘。其中勝利902鋪管船、藍疆鋪管船、HYSY201鋪管船、HYSY202鋪管船等4艘配備了SeriMax公司生產的SATURNAX 05雙焊炬全位置自動焊接設備，CPP601配備了CRC-Evans多頭氣體保護管道自動焊接設備，海隆106號為2014年交付配備了S-型鋪管作業(yè)系統(tǒng)和TIP TIG全自動焊接焊接系統(tǒng)[28,29]。

5 結 語

隨著我國南海、東海等高腐蝕苛刻環(huán)境海洋油氣資源的開發(fā)，海底管線鋪設逐漸已經逐步向深海(500 m以上)發(fā)展。目前，與國外知名的Allseas、Subsea等公司相比，我國鋪管船數(shù)量、裝備先進程度、焊接檢驗技術、安裝技術等都有較大差距。關于海洋油氣用耐蝕合金雙金屬復合管的安裝、焊接、我國自行建造安裝的項目尚為甚少，技術和經驗積累相對不足，關于整管彎曲試驗、整管拉伸試驗、海上安裝模擬試驗研究非常少見，因此這些課題或方向應該是今后海洋油氣輸送用耐蝕合金雙金屬復合管安裝鋪設主要研究和發(fā)展趨勢。

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Research on Status and Prospects of Installation of Bimetallic CRA Pipes for Offshore Oil and Gas

YANG Zhuanzhao1, WEI Weirong2, LIU Tengyue, WANG Gaofeng1, LI Anqiang1, LU Weizhuo1

(1.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China；2.ShenzhenBranchofCNOOC，Shenzhen518067,China；3ChinaPetroleumTechnology&DevelopmentCorporation,Beijing100101,China)

As the oil and gas development turns to the more corrosive source with high temperature and high pressure, the Corrosion Resistant Alloy (CRA) clad or line pipes are utilized in the development of offshore oil and gas both in domestic and aboard. The pipe installations for the offshore are introduced with the matters needed attentions for the CRA clad or line pipes. Meanwhile, the application status of the installation of the CRA clad or line pipes for submarine oil and gas transmission at home and abroad are reviewed and analyzed, and the advice and development trend for the installation of the CRA clad or line pipes are proposed.

offshore oil and gas; corrosion resistant alloy; clad pipes; line pipes; submarine pipeline installation

陜西省青年科技新星項目(編號2015KJXX-73)。

楊專釗，男，1979年生，高級工程師，2004年畢業(yè)于西北工業(yè)大學，現(xiàn)主要從事油氣輸送管道工程管材及設備監(jiān)理、技術支持與咨詢服務。E-mail：yangzhuanzhao@cnpc.com.cn

TE832

A

2096-0077(2017)02-0005-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.02.002

2016-08-16 編輯：馬小芳)