崔琬婷，丁銀山，段瑞彬，李洪星，王來臻，吳金明

1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

2.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，山東青島 266555

1 工程概況

冊(cè)子島-鎮(zhèn)海海底原油管道于2005年6月完成海底鋪設(shè)施工，具體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 海底管道結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)

在2017年12月冊(cè)鎮(zhèn)管道的全線檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)KP25.4及KP19.7處出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的變形缺陷，變形量分別達(dá)到22%及12%（變形量是指管道變形后外凸和凹陷的變形橫截面積之和占變形前管道橫截面積的百分比），為確保管道運(yùn)行安全，現(xiàn)擬對(duì)冊(cè)鎮(zhèn)海底管道兩處變形點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)。

2 海域水文氣象情況

該海域是世界三大強(qiáng)潮海灣之一，冬季盛行偏北風(fēng)且風(fēng)速大于夏季，風(fēng)浪較大，因此對(duì)海上施工有較大影響。管道沿線理論水深位于0～22 m之間，水深分布不均勻，潮差變化較大，潮流流速較快。海洋水文條件非常復(fù)雜，水下能見度為零，每日平均可潛水時(shí)間只有2～3 h。

3 海底管道變形情況

圖1為兩處變形點(diǎn)示意圖，其中黑線代表未變形管道內(nèi)徑輪廓，紅線代表變形檢測(cè)數(shù)據(jù)還原的管道內(nèi)徑輪廓。

圖1 變形管道示意

變形點(diǎn)1（變形22%）變形處最大曲率半徑為425.5 mm，最小302.5 mm，外凸62 mm。變形位于6點(diǎn)至9點(diǎn)區(qū)域（面向油流方向的鐘表時(shí)鐘分布），8點(diǎn)區(qū)域?yàn)樽冃巫顕?yán)重部位。屈曲變形管道圓周方向?qū)挾?00 mm，長度約1.2 m。

變形點(diǎn)2（變形12%）變形處外凸最大曲率半徑為414 mm，最小344.5 mm，外凸33 mm。變形位于10點(diǎn)半至12點(diǎn)區(qū)域。屈曲變形管道圓周方向?qū)挾?00 mm，長度約1.5 m。

4 海底管道缺陷修復(fù)技術(shù)

海底管道損傷的類型大致可分為穿孔泄漏、變形損傷、裂縫大漏和折斷[1]。根據(jù)海底管道破損類型不同，需要采用不同的修復(fù)方法，以下分別介紹連接器修復(fù)技術(shù)、水下焊接修復(fù)技術(shù)以及卡具修復(fù)技術(shù)的主要操作程序及技術(shù)特點(diǎn)。

4.1 連接器修復(fù)技術(shù)

根據(jù)連接器的類別，連接器修復(fù)技術(shù)分為機(jī)械連接器維修、法蘭連接器維修和機(jī)械式三通修復(fù)。

（1）機(jī)械連接器修復(fù)法通過專用設(shè)備切割破損管段，再將替換短節(jié)用機(jī)械連接器（見圖2）與原管道相連接。機(jī)械連接器有壓接式和夾套式兩種。這種方法是進(jìn)行海底管道更換維修的常用方法，適用于任何水深，不需要進(jìn)行焊接，可降低成本、節(jié)約資源。然而，其使用壽命較短，一般不超過15年[1]。

圖2 水下機(jī)械接頭

（2）法蘭連接器修復(fù)法的操作步驟如下：先將缺陷管段切除，在原管道的兩個(gè)切割端各安裝一個(gè)內(nèi)表面帶有凹槽的法蘭連接器（見圖3），然后安裝螺栓并使用工具將其擰緊，使管道外表面嵌入法蘭連接器的凹槽中，管壁發(fā)生塑性形變，形成整體密封。法蘭連接器安裝完成后再安裝預(yù)先焊接好法蘭的替換短節(jié)。這種方法適用于大面積破損的管道維修，選用旋轉(zhuǎn)法蘭或球形法蘭降低了對(duì)法蘭連接器端面與原管軸線垂直度的要求，且費(fèi)用較低，但會(huì)產(chǎn)生因密封不嚴(yán)而泄漏的情況[2-4]。

圖3 法蘭連接器

（3）機(jī)械式三通修復(fù)法通過在水下安裝干式艙，待安裝完成后測(cè)量破損管段，將開孔機(jī)、機(jī)械式三通以及三明治閥安裝到一起，而后降低管道運(yùn)行壓力并向干式艙內(nèi)注水，再把機(jī)械式三通安裝在管道上。試壓后開孔去除破損管段，將完好的管皮放置在該位置上，再拆除三明治閥和開孔機(jī)，安裝法蘭，完成修復(fù)工作。該方法適用于渾濁度較大的海域，同時(shí)可保證原有管道的整體性，但需要多種設(shè)備配合使用，對(duì)水下施工空間要求較大[1]。

4.2 水下焊接修復(fù)技術(shù)

水下焊接修復(fù)的主要操作程序：先在水下將破損管段切割并處理管道切口端部，完成替換短節(jié)與原管道的對(duì)口，再將替換短節(jié)與管口進(jìn)行焊接，最終完成修復(fù)工作。水下焊接修復(fù)法分為水下濕式焊接法、水下局部干式焊接法、水下干式焊接法。此外，還有水下摩擦疊焊、等離子焊等[5]。

（1）水下濕式焊接法在焊接時(shí)，將設(shè)備置于水中，電弧僅依靠焊條在焊接過程中產(chǎn)生的氣體形成保護(hù)。這種方法的焊接質(zhì)量較差，可靠性較低。然而隨著焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)已有水下焊接專用焊條，使得水下濕式焊接質(zhì)量提升[6]。

（2）水下局部干式焊接法是將待焊部位周圍的水通過人工方法排除，形成局部氣室，焊接將在這個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，而焊接所需設(shè)備及焊工則處于水中。各國采用的水下局部干式焊接方式也各有不同，例如英國、美國采用氣罩式和干點(diǎn)式，日本采用水簾式和鋼刷式，而法國采用的是旋罩式[7]。

（3）水下干式焊接是將焊接區(qū)域的水全部排除干凈再進(jìn)行焊接操作，根據(jù)壓力的不同可分為干式高壓焊接和干式常壓焊接。干式高壓焊接對(duì)于深海管道的維修有一定優(yōu)勢(shì)。干式常壓焊接是在“干”環(huán)境、常壓狀態(tài)下的焊接，更適于淺水管道維修。

4.3 卡具修復(fù)技術(shù)

卡具修復(fù)法采用機(jī)械嚙合方式，在選定的管道上夾緊并密封缺陷區(qū)域，并為管道提供結(jié)構(gòu)加固[8]。冊(cè)鎮(zhèn)海底管道修復(fù)采用結(jié)構(gòu)型修復(fù)卡具（LRF），其主要部件有分瓣式承壓主體、筒夾、夾具法蘭、主體螺栓、密封件和驅(qū)動(dòng)螺栓。當(dāng)LRF安裝到管道上時(shí)，兩瓣承壓主體將管道表面包裹，然后通過主體螺栓連接兩瓣主體，再安裝驅(qū)動(dòng)螺栓。驅(qū)動(dòng)螺栓將同時(shí)激活管道卡具和密封件來發(fā)揮作用?？ň咝迯?fù)法可以保持管道的完整性，防止發(fā)生泄漏，一般適用于穿孔小漏或缺陷點(diǎn)，管卡壽命可達(dá)20～25年。

5 冊(cè)鎮(zhèn)海底管道維修方案

通過對(duì)冊(cè)鎮(zhèn)海底管道兩處變形區(qū)域的測(cè)量，分析其特征數(shù)據(jù)，同時(shí)考慮到管卡有較長的使用壽命，因此決定采用卡具修復(fù)法進(jìn)行管道維修，其中一變形處采用彎折結(jié)構(gòu)管卡，見圖4；另一變形處采用標(biāo)準(zhǔn)直管結(jié)構(gòu)管卡，見圖5。

圖4 彎折結(jié)構(gòu)管卡

圖5 直管結(jié)構(gòu)管卡

5.1 修復(fù)流程

結(jié)構(gòu)管卡變形維修主要步驟共有9項(xiàng)，具體作業(yè)流程如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)管卡維修作業(yè)流程

（1）管道變形點(diǎn)測(cè)繪。在變形點(diǎn)1的坐標(biāo)處使用非接觸式挖溝機(jī)進(jìn)行定點(diǎn)開挖，在開挖過程中使用聲吶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，直至管道在聲吶圈上全圓周完整暴露。由于該變形點(diǎn)部分配重層已經(jīng)脫落，潛水員可以在水下確認(rèn)是否有變形點(diǎn)。若沒有變形點(diǎn)，則沿著管道走向進(jìn)行吹掃，直至變形點(diǎn)充分暴露。對(duì)于變形點(diǎn)2，由于配重層完好，潛水員無法肉眼識(shí)別，根據(jù)變形點(diǎn)坐標(biāo)定位的坐標(biāo)值，在變形點(diǎn)2的坐標(biāo)附近找到海管后，對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)兩側(cè)各12 m距離內(nèi)的3根海管進(jìn)行開挖，確認(rèn)疑似變形點(diǎn)。通過檢測(cè)公司檢測(cè)所得變形點(diǎn)2的位置進(jìn)行換算，得出變形點(diǎn)坐標(biāo)，分析磁力信號(hào)，得出變形點(diǎn)2與變形點(diǎn)1之間的焊縫數(shù)量，確定兩者的相對(duì)位置，根據(jù)鋪管完工打點(diǎn)記錄確定變形點(diǎn)2鋪管時(shí)的坐標(biāo)。再比對(duì)檢測(cè)所得變形點(diǎn)2位置的換算坐標(biāo)和鋪管時(shí)坐標(biāo)，確定疑似變形點(diǎn)坐標(biāo)。

（2）管道混凝土配重層破拆。根據(jù)海底管道變形點(diǎn)測(cè)繪將管道充分開挖暴露，按照項(xiàng)目數(shù)據(jù)記錄中指定的長度清除混凝土配重層。

（3）防腐涂層清理。使用高壓水槍或電動(dòng)鋼絲砂輪機(jī)將管道清潔至規(guī)定的光滑裸管長度。管道防腐涂層和其他障礙物必須清理到項(xiàng)目數(shù)據(jù)記錄規(guī)定的距離之外，以便正確安裝。

（4）變形點(diǎn)精確測(cè)量。潛水員使用測(cè)厚儀、直度測(cè)量儀、管道缺陷測(cè)量裝置對(duì)變形點(diǎn)位置進(jìn)行測(cè)量。為保證測(cè)量準(zhǔn)確性，由不同的潛水員下水，共測(cè)量兩次，并形成最終變形點(diǎn)測(cè)量報(bào)告。

（5）結(jié)構(gòu)管卡設(shè)計(jì)。根據(jù)變形點(diǎn)測(cè)量報(bào)告，由管卡制造商進(jìn)行結(jié)構(gòu)管卡設(shè)計(jì)。管卡設(shè)計(jì)方案通過后進(jìn)行管卡制造。

（6）卡具安裝。完成卡具配扣后，調(diào)整好其在海管上的位置，而后合上卡具，并將螺栓緊固。

（7）試壓。結(jié)構(gòu)管卡安裝完成后，對(duì)卡具進(jìn)行水壓試驗(yàn)，驗(yàn)證卡具密封的有效性。

（8）腔體注脂。試壓結(jié)束后，將油脂泵系統(tǒng)連接到卡具兩端的高壓油脂注入口，以排除夾具內(nèi)的水。

（9）水下防腐。使用海洋環(huán)境防腐材料對(duì)裸露管段進(jìn)行防腐處理。

5.2 管道變形點(diǎn)測(cè)量的具體方式

冊(cè)鎮(zhèn)海底管道修復(fù)項(xiàng)目采用對(duì)管道外周進(jìn)行三維空間打點(diǎn)方法測(cè)量，每打一個(gè)點(diǎn)，測(cè)量軟件會(huì)根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)，記錄一個(gè)管道外周的相對(duì)空間位置，待所要的點(diǎn)都測(cè)量完成后，數(shù)據(jù)處理軟件會(huì)根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)繪制出管道外周的三維圖形。

兩處變形點(diǎn)要經(jīng)過兩次測(cè)量，第一次是對(duì)裸管進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)束后對(duì)變形區(qū)域及其過渡區(qū)纏繞復(fù)合材料再進(jìn)行第二次測(cè)量。測(cè)量過程通過使用破拆設(shè)備與自帶的加裝三維測(cè)量用傳感器及配套軟件的傳感器，先對(duì)變形量較大位置進(jìn)行圓周測(cè)量，然后沿管道軸向移動(dòng)，繼續(xù)在圓周方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)測(cè)量，直至完成規(guī)定距離的測(cè)量。通過對(duì)比校驗(yàn)前后兩次測(cè)量的結(jié)果，可以驗(yàn)證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5.3 結(jié)構(gòu)管卡設(shè)計(jì)具體內(nèi)容

結(jié)構(gòu)管卡的設(shè)計(jì)信息見表2。

表2 結(jié)構(gòu)管卡詳細(xì)信息

結(jié)構(gòu)管卡各部件為鋼鍛件。防腐層顏色的選擇有助于提高可見度，以便在低能見度或無能見度的條件下進(jìn)行安裝?？稍诜栏繉由显O(shè)置額外的對(duì)比涂層或標(biāo)記，以便進(jìn)一步提高安裝可見性。

焊接完成后等待48 h，對(duì)每個(gè)試件進(jìn)行100%無損檢測(cè)，檢測(cè)方式應(yīng)為X射線檢測(cè)或者超聲波檢測(cè)。對(duì)接焊縫采用磁粉探傷，T型對(duì)接焊縫采用超聲波和磁粉探傷。

結(jié)構(gòu)管卡將使用鋁鋅陽極，其尺寸應(yīng)符合設(shè)計(jì)壽命（20年）要求。如果管道陰極保護(hù)系統(tǒng)能容納夾具陰極保護(hù)，則不需在管卡上增加陽極。

5.4 結(jié)構(gòu)管卡安裝具體方法

結(jié)構(gòu)管卡安裝前必須對(duì)裸露管道的表面狀況進(jìn)行驗(yàn)證，確保管道外部的熔結(jié)環(huán)氧樹脂清理干凈或裸管外部沒有任何鑿痕或有害缺陷。卡具為分瓣式承壓主體，首先對(duì)下瓣部分進(jìn)行安裝固定。在確認(rèn)所有內(nèi)部部件仍在原位且沒有雜物進(jìn)入卡具內(nèi)，調(diào)整卡具直到管道位于卡具中心，將下瓣部分固定就位。再將上瓣部分與下瓣部分對(duì)齊并放置在管道上后，檢查上瓣部分卡具是否干凈，確認(rèn)管道位于卡具中心。最后將主體螺栓及驅(qū)動(dòng)螺栓插入并緊固。

結(jié)構(gòu)管卡安裝完成后進(jìn)行水壓試驗(yàn)，驗(yàn)證卡具密封的有效性。通過試壓泵向卡具內(nèi)注水分階段緩慢升壓，試壓壓力值為設(shè)計(jì)壓力值的1.5倍，穩(wěn)壓后保壓30 min，壓力變化小于0.3%為合格。

試壓合格后將油脂泵系統(tǒng)連接到卡具一端的高壓油脂注入口，以排除夾具內(nèi)的水。對(duì)管卡另一端重復(fù)該操作。

最后一步操作是對(duì)裸露的管段進(jìn)行防腐處理。潛水員到達(dá)指定位置，并將已調(diào)劑的防腐材料均勻涂敷在裸露管段上，為防止因漏涂而達(dá)不到防護(hù)效果，潛水員涂抹次數(shù)要達(dá)到2次以上。

6 結(jié)論

（1）海底管道變形缺陷修復(fù)有多種方法可供選擇，需根據(jù)損傷類型以及受損程度來選用適合的修復(fù)技術(shù)及時(shí)進(jìn)行有效維修。

（2）對(duì)于水下情況復(fù)雜且能見度低的情況，卡具修復(fù)技術(shù)可以對(duì)缺陷點(diǎn)進(jìn)行維修，修復(fù)流程較為簡(jiǎn)便，可有效解決海底管道運(yùn)行存在的安全隱患，該項(xiàng)技術(shù)可以推廣應(yīng)用于海底管道維搶修工作中。