海底保溫管道技術發展概況

相政樂 蔣曉斌 張曉靈 杜寶銀 楊加棟 (中海油能源發展管道工程公司)

海底保溫管道技術發展概況

相政樂 蔣曉斌 張曉靈 杜寶銀 楊加棟 (中海油能源發展管道工程公司)

結合國內外海底保溫管道的技術發展,介紹目前國外最常用的管中管結構、單壁管結構及集束管道結構的技術及工程應用情況。在淺水海域和邊際油田開發中,單層保溫配重管得到了較好的發展與應用。隨著油氣勘探開發從淺海走向深海,甚至超深海,國內在使用海底保溫管道技術方面與國外還存在較大的差距,采用濕式保溫的單壁管及集束管將是我國未來深水海底保溫管道技術的發展方向。

海底管道 保溫 管中管 聚氨酯 聚丙烯 集束管

1 引言

自1954年美國Brown&Root公司在墨西哥灣氣田鋪設了世界上第一條長16 km的海底管道以來,在墨西哥灣、北海、地中海、澳大利亞、西非安哥拉海域累計鋪設了超過10×104km的海底管道[1],鋪設水深已達2 400 m。我國的海底管道是在近20年發展起來的,已先后在渤海、東海以及南海累計鋪設了約2 500 km的海底管道[2]。

海底管道有多種分類方法,按用途可劃分為運輸管道、油田產品輸送測試/生產管道、輸水和化學制品管道等。按管道橫截面的結構可分為單壁管道、管中管 (pipe-in-pipe)和集束管道 (bundles)。按保溫 (或稱絕熱)方式可分為被動保溫(passive insulation)和主動加熱 (actively heated systems)兩種,而被動保溫根據所用保溫材料的不同,可分為干式保溫 (dry insulation)、濕式保溫 (wet insulation),以及相變材料保溫等;主動加熱又可分為熱流體加熱和電加熱兩種。

2 管中管結構

管中管結構即鋼質內管用于輸送油、氣等介質,鋼質外管對絕熱層提供可靠的保護、加重作用,內外管之間是保溫 (絕熱)層。

管中管結構的優點是防護可靠性高,能有效地減少內管熱變形;缺點是外套鋼管多采用厚壁鋼管,鋼材消耗量大,并且鋼管外表面需進行3層聚乙烯防腐結構處理,防腐的費用也較高。另外,在海上安裝施工時,需對內、外鋼管進行焊接, 100%無損探傷,施工量大,鋪管速度慢,效率較低,因而整體工程造價較高[3]。

管中管結構對絕熱材料抗壓強度無特殊要求,常用的絕熱材料包括纖維類材料 (如巖棉、礦渣棉、硅酸鹽纖維等)、氣孔狀又稱空氣層/粉末類材料 (如珍珠巖、氣凝膠等)和多泡型材料 (如聚氨酯泡沫塑料、酚醛泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料等)。

該結構在國外已大量應用。國內第一條長距離稠油輸送海底管道 (2001年建成投產的綏中36-1油田中心平臺至綏中陸上終端的海底管道)也采用了雙層鋼管保溫結構。此管道全長70 km,內管直徑為508.0 mm,外管直徑為660.4 mm[4]。截至目前,雙層鋼管保溫結構管道在國內已累計鋪設了約350 km。

3 單壁管結構

3.1 單層保溫配重管

單層保溫配重管由內及外分別為鋼管、防腐層、聚氨酯泡沫保溫層、聚乙烯防護層和混凝土配重層。底層防腐采用熔結環氧粉末 (FBE)靜電噴涂,保溫層采用聚乙烯夾克管+澆注聚氨酯發泡工藝,配重層采用混凝土噴涂工藝。

相對于“管中管”結構,該結構采用混凝土配重層替代外套鋼管,可以節省約三分之二的鋼材和防腐程序,并減少了鋪管焊接工作量,提高了海上管道鋪設的速度,降低了管線系統造價,但只適用于淺水區域。因此,在淺水海域和邊際油田開發中,單層保溫配重管具有很好的應用前景[3]。

國內首次應用單層保溫配重管是潿洲油田。該油田位于中國南海的北部灣海域,管線全長34 km,平均水深40 m。截至目前,單層保溫配重管在國內的應用長度已達300 km。

國外應用單層保溫配重管技術開發海上油氣田的項目主要集中在20世紀70—80年代[5],應用區域的水深一般不超過40 m,如1982年開發的位于丹麥北海的Skjold項目,1974開發的位于爪哇海的Apco Java Sea項目等。

針對傳統生產工藝效率低、泡沫密度分布不均勻等缺點,丹麥Logstor公司研制出一種采用FBE靜電噴涂+在線噴涂聚氨酯發泡+在線擠出聚烯烴防水層的生產工藝,相比傳統的聚氨酯澆注發泡工藝,采用該技術生產的保溫管優點是聚氨酯泡沫保溫層密度分布均勻,保溫效果良好,節省了穿聚乙烯夾克管和安裝管端防水帽工序。管端部位采用聚乙烯膠黏劑可使高密聚乙烯與防腐層黏結牢固 (圖1),使得整條管線的安全性得到提高,可應用到水深200 m左右的區域。

圖1 管端結構示意圖

3.2 聚氨酯復合涂層體系

聚氨酯復合涂層體系是將特殊性能的聚氨酯與不同類型的空心微球進行復合而成,使保溫和防護作用合二為一,從而使海底管道保持整體一致性。根據填加空心微球的類型不同,聚氨酯復合涂層體系可分為有機空心聚合物復合聚氨酯涂層和無機空心玻璃微珠復合聚氨酯涂層。其主要性能、用途見表1,圖2為聚氨酯復合涂層示意圖。

表1 聚氨酯系列保溫產品主要性能及其用途

圖2 聚氨酯復合涂層結構

該體系技術的難點在于高性能聚氨酯材料和空心玻璃微珠的研發。高性能聚氨酯材料要求具有良好的韌性、強度,耐海水浸泡和絕熱性能[6]?？招牟Ａ⒅椴捎脡A石灰硼硅酸鹽,平均粒徑為30～60μm,密度為0.32～0.60 g/cm3,抗壓強度為14～126 MPa,導熱系數為0.10～0.20 W/(m· K)。用于深水區域的玻璃微珠復合聚氨酯原料均為國外公司生產,如DOW公司Hyperlast SyntacticDW-512,BASF公司 Elastoshore10010R/ 5000等,空心玻璃微珠多采用 3M公司生產的S32、S35、S38系列產品。

聚氨酯復合材料具有優異的韌性、強度及耐浸泡性能,最外層不需要防水層及防護層,可采用在線旋轉澆注或者模制方式進行涂敷預制;從淺海到深海,對各種直徑的鋼管都適用,而且可采用各種海底管道鋪設方法進行施工,如卷筒鋪設法、J型鋪管法、S型鋪管法等。國外多家公司已研制出能適應于深水的聚氨酯復合涂層體系,如加拿大Bredero Shaw公司、瑞典 Trelleborg公司、馬來西亞PPSC公司等。聚氨酯復合涂層體系已經在墨西哥灣、安哥拉海域和其他地區的海底管道上得到大量應用[7]。如 2001年BP公司建成的 Amoco King項目,該項目位于墨西哥灣,水深1 600 m,海底管線長約50 km。

3.3 聚丙烯復合涂層體系

聚丙烯復合涂層體系采用多層不同類型的聚丙烯材料 (如聚丙烯、發泡聚丙烯泡沫、聚丙烯復合泡沫以及抗紫外線聚丙烯等)復合而成,具有良好的力學性能、較低的氧氣和水滲透率及耐老化性能,厚度與層數可根據需要調整。保溫層根據水深、工況等實際應用條件,選擇聚丙烯泡沫或聚丙烯與空心玻璃微珠的復合泡沫[8]。防護層可根據不同需求采用聚丙烯或抗紫外線聚丙烯,各層之間采用共聚物黏合劑進行黏結處理。聚丙烯系列保溫產品主要性能及用途見表2。

表2 聚丙烯系列保溫產品主要性能及其用途

該體系技術的難點在于高性能聚丙烯樹脂的研究以及聚丙烯發泡工藝的研究。不同層的聚丙烯其類型各不相同,如聚丙烯泡沫層,要求泡孔分布均勻,具有高融化強度、高抗蠕動、高硬度等性能,為深水管道提供優異的保溫性能[9]。外層的聚丙烯則需要良好的抗靜水壓力和柔韌、彎曲性能。圖3為5層聚丙烯復合涂層體系,圖4為7層聚丙烯復合涂層體系。

圖3 5層聚丙烯復合涂層體系1—FBE;2—膠黏劑;3—實心聚丙烯; 4—發泡聚丙烯;5—外防水層

聚丙烯復合涂層體系預制工藝為:底層通過FBE與鋼材基體黏結;里面兩層通過側擠或壓擠的方式進行涂敷;聚丙烯泡沫層和外面夾克層通過壓擠的方式同時進行涂敷,通過這種方式可以確保管道外徑一致和避免泡沫中含有空氣[10]。

聚丙烯復合涂層體系具有保溫、質輕、抗壓、不可滲透、穩定、韌性好、可修復、經濟環保等特點。可以滿足從淺水到深水不同深度和海況下海底管道的防腐保溫要求,可在鋪管船上采用S型、J型及卷筒鋪設法進行海上安裝。

圖4 7層聚丙烯復合涂層體系1—FBE;2—膠黏劑;3—實心聚丙烯;4—復合聚丙烯; 5—阻擋層;6—泡沫聚丙烯;7—外防水層

國外多家公司已研制出能適應深水的聚丙烯復合涂層體系,如加拿大Bredero Shaw公司、瑞典Trelleborg公司、意大利Socotherm公司、馬來西亞PPSC公司等。自1991年以來,聚丙烯復合涂層體系已經在北海、墨西哥灣、南中國海和其他地區的海底管道上得到應用,總長度達到660 km。BP公司的 Thunderhorse油田項目應用了7層 PP涂層系統。

4 集束管系統

集束管結構和管中管結構的主要特征是具有同心的內管和外管,管內流體絕熱,同時外管提供機械保護[11]。

海底集束管系統主要由承載管、護套管、輸油氣管、注水管以及電纜等組成,具有優異的保溫性能,能有效避免油氣集輸過程中結蠟和水合物的生成,可提供高效經濟的油氣集輸方案。

海底集束管系統的結構大致可分為兩種:一種為開放式集束管 (圖5),它將單獨的管 (含電纜)用卡 (夾)具或繩索固定成一體,與普通海底管相比,這種集束管將傳統的多根海底管固定在一起,可防止多根海管之間的相互竄動。開放式集束管制造工藝相對簡單,成本較為低廉。其缺點為輸油、輸氣管直接暴露在海水中,容易遭到破壞,增加污染環境的風險。另一種為封閉式集束管 (圖6),它將多根輸油管、輸氣管、注水管、加熱管和電纜等匯集在一根大口徑的運送管 (承載管)內,該運送管對內置的眾多管子形成有效的機械保護和腐蝕保護。封閉式集束管的制造工藝比較復雜,在生產過程中需要綜合考慮油氣田的產能和集輸要求。其優點是可以有效避免輸油管的泄漏,最大程度減輕對海域的環境污染。目前,在國外油氣田開發過程中,封閉式集束管的應用較多,技術發展也較快[12]。

封閉式集束管又可分為有套袖管和無套袖管兩種結構形式,圖7為封閉式集束管的截面結構圖。前者廣泛應用于目前的集束管道工程建設中,出于保溫防腐的要求考慮,后者應用較少。

海底集束管系統在世界上的應用歷史已有20多年,應用最多的是在北海、墨西哥灣以及西非等海域。1980年,在北海Conoco的Murchison油田上設計安裝了第一個集束管系統。海上安裝采用控制深度拖管法 (CDTM),承載管外徑323 mm,總長度800 m。隨后,在北海和墨西哥灣以及世界各地設計和安裝了許多不同尺度的管束系統,其復雜性、總長度和內置管 (含電纜)數量以及水深顯著增長。隨著世界深水油氣田的不斷開發,集束管道技術也得以廣泛應用,迄今為止,世界各地已鋪設了超過100條的集束管道,最大水深為1 400 m,最大外套管直徑1 270 mm,最長記錄為32 km。

圖7 封閉式集束管

5 結語

通過以上對海底保溫管道發展狀況的介紹,不難看出,在淺水海域和邊際油田開發中,單層保溫配重管得到了較好的發展應用。隨著人類對海洋石油資源認知水平的不斷提高,海洋油氣勘探開發已從淺海走向深海,甚至超深海,深水油氣田開發已成為世界石油工業的熱點和科技創新的前沿。我國南海具有豐富的油氣資源和天然氣水合物資源,石油地質儲量約為230×108～300×108t,占我國油氣總資源量的三分之一,其中70%蘊藏于深海區域。而在深水油氣田的開發領域,國內海管涂敷技術與世界先進水平之間還存在較大的差距,采用濕式保溫的單壁管 (聚氨酯復合涂層體系、聚丙烯復合涂層體系)及集束管將是未來我國深水海底保溫管道技術發展的方向。

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10.3969/j.issn.1002-641X.2010.10.015

2009-11-27)