海管設計中錨固件及阻水器選用原則分析

李 旭，李 慶，楊 琥，馮現洪，于 萱

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海管設計中錨固件及阻水器選用原則分析

李 旭，李 慶，楊 琥，馮現洪，于 萱

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

目前海底輸送原油管線基本采用雙層保溫結構。分析了雙層保溫海管設計中錨固件及阻水器的設計原則。介紹了錨固件及阻水器的結構形式、安裝方式以及對海管力學性能的影響，并作了經濟性比較。最后，對錨固件及阻水器各自的優缺點進行比較分析，給出設計中選用錨固件或阻水器的數量和結構形式的原則。結合陸豐13-2海管更換項目的應用情況，對分析結論進行了驗證。

海底管線； 錨固件； 阻水器； 保溫失效長度

0 引 言

目前常用的原油輸送海底管線絕大部分采用雙層保溫管結構，在雙層保溫海管設計中根據破損降溫計算得出保溫失效長度。為滿足工藝輸送的要求，項目中常采用阻水器和錨固件的設計。錨固件是一種用于海底雙層保溫管線結構連接的鍛造件，主要功能為實現內管與外管的運動耦合以及在內外管間進水后起到阻水作用。阻水器是一種安裝在內外管之間的部件，在內外管間進水后起到阻水作用。本文從結構形式、阻水方式、安裝方式、對海管力學性能的影響和經濟性等方面對錨固件和阻水器進行比較，得出了海管設計中這兩種部件的選用原則。

1 結構形式

錨固件邊緣通過單面坡口焊分別與內管和外管焊接。其焊接形式與海管對接的焊接形式相同，錨固件材料強度等級也與海管相同。通過圖1所示結構形式，在實現阻水作用的同時實現了內管與外管運動變形的耦合。

根據已有項目情況，目前已使用的阻水器主要包括用于西江23-1及陸豐13-2項目海管中的DUNLAW阻水器和用于惠州25-3/1項目海管中的TEKSEAL阻水器。兩種類型的阻水器從原理上來說基本相同，均是通過各自的安裝工具，將阻水器安裝至內外管之間，通過阻水器與內外管之間的過盈密封實現阻水的效果。區別在于TEKSEAL阻水器可承受更大的壓力和溫度，而且安裝也更為可靠。

圖1 錨固件結構形式 Fig.1 Structure configuration of bulkhead

2 安裝方式比較

2.1 錨固件的安裝

錨固件的安裝主要是焊接。根據錨固件安裝地點的不同可分為兩種類型：鋪管過程中在作業線第一個焊接站上焊接錨固件；在陸上預制場地內焊接錨固件。

在作業線上焊節錨固件的方式主要是在第一站先將錨固件一端與已連接段海管的內管焊接，而后使用半瓦將錨固件與外管連接；焊接完成后再將錨固件的另一端與新上線的海管內管連接，最后將新上線海管的外管拉過來與錨固件焊接。陸地焊接錨固件主要是先將一個涂覆完成的雙層海管從指定位置剖開，再將剖開后的兩段海管分別與錨固件焊接，組成一根包含錨固件的雙層海管；在鋪設過程中內管之間在作業線第一站焊接，外管通過半瓦連接。

錨固件的安裝對海管鋪設的效率有很大影響。采用作業線安裝方式，會多增加1道外管環焊和1道內管環焊的焊接時間、半瓦環焊及縱焊縫各兩道的焊接時間以及射線檢驗(RT)的時間。采用陸地預制安裝錨固件的方式雖然可以省去海上安裝額外增加的1道外管環焊和1道內管環焊的焊接時間以及RT檢驗時間，但是半瓦的焊接則必須增加。

2.2 阻水器的安裝

根據已有阻水器的使用經驗，阻水器一般在鋪管過程中于鋪管作業線上完成安裝。TEKSEAL阻水器的安裝，在鋪管船第一站上方小吊車梁上合適位置布置廠家提供的滑車吊卡，使用滑車吊卡將松弛的阻水器套于內管外，切掉吊卡后，擰緊緊固螺栓，就可以啟動內部的鋸齒卡子，將阻水器緊緊固定在內管上，然后待內管焊接檢驗、節點采用巖棉填充完成后將外管拉過來，焊接外管，完成阻水器的安裝過程。此類型阻水器安裝完成后相對外管可以移動，且不會損壞密封圈，可承受質量約20 t。DUNLAW阻水器同樣在鋪管船第一站位置進行安裝，使用專用的氣動工具將阻水器推入內管和外管之間，而后組對焊接海管。此種阻水器雖然安裝方式比較簡單，但可靠程度較低，容易出現損壞，而且此類型阻水器安裝完成后，雖然理論上允許內外管之間的相當錯動，但由于安裝可靠度問題，一旦內外管錯動就較容易造成阻水器錯位，影響阻水效果。所以此類型阻水器安裝完成后，不宜錯動外管。

這兩種阻水器雖然需要在鋪設過程中安裝，增加了鋪管工作環節，但是由于沒有增加焊接工作量，故對于海管鋪設施工效率的影響較小。

3 功能性比較

錨固件與阻水器在阻水效果方面基本相同，區別僅在于錨固件可承受更高的壓力。由于錨固件兩端使用環焊縫全焊透方式與海管焊接，所以其壓力承受能力基本與所屬海管相同，在深水海管中同樣可以應用。阻水器的密封僅是通過物理接觸密封，承受水壓力的能力有限。在淺水海管外壓不大的情況下，錨固件與阻水器的阻水效果相當。

錨固件與阻水器的另一功能性差別在于錨固件可以實現內管外管的耦合運動。雙層保溫管在運行過程中會發生熱膨脹，內外管之間通過錨固件連接，內管由于溫差以及內壓產生的軸向力通過錨固件傳到外管，促使外管也發生相應的膨脹，所以最后內外管產生相同的膨脹位移[1]。為了實現運動耦合，雙層保溫海管至少在海管兩端焊接錨固件。此外，根據熱膨脹段長度可以將管線分為長管線和短管線，管線長度的一半大于熱膨脹段長度的為長管線，管線長度的一半小于熱膨脹段長度的管線為短管線，且將一半管線長度作為熱膨脹段。對于短管線情況，內外管線耦合得越緊密，管端錨固件的受力情況越好[2]。也就是說對于短管線，除在兩端焊接錨固件，在管段中也采用錨固件作為阻水部件，將大大改善管端錨固件的受力情況，將管線頻繁關斷引起的管端疲勞損傷的風險大大降低。由于阻水器允許內外管的相對錯動，所以阻水器并不具有將內外管耦合的作用。對于兩端采用錨固件耦合、管段中采用阻水器設計的短管線，其管端錨固件的受力狀況較管段中使用錨固件的情況差，管端錨固件與外管連接處易發生疲勞破壞。

4 經濟性比較

錨固件制造成本較阻水器高。單個錨固件的采辦費用達幾十萬元人民幣，而性能較好的阻水器每個費用在1萬元人民幣左右。采辦同樣數量的錨固件比阻水器的費用高。

錨固件的安裝成本較阻水器高。錨固件的安裝增加了海管鋪設的焊接量，且增加了鋪管船的船天。阻水器的安裝雖然也增加了海管鋪設時間，但是由于其安裝不涉及焊接工作，所以對海管鋪設效率的影響較小，船舶費用增加不多。運行階段，錨固件的可靠性較阻水器高，因阻水失效而引起管線報廢的風險較阻水器低得多。由于阻水器允許內外管相對錯動，故而存在摩擦力作用，加之阻水器安裝過程中可能存在問題，就會使得阻水器存在失效的風險；而且使用阻水器并不能改善海管兩端錨固件的受力情況，也增加了管端疲勞破損的風險[3]。在陸豐13-2項目中使用的DUNLAW阻水器就因此發生過管線失效的事故，致使整條管線更換，導致經濟損失。錨固件由于是鍛造件且與海管通過焊接連接，可靠地保證了阻水作用，不會發生系統的保溫失效，保障管線穩定可靠運行，不會因此而發生管線維修更換費用。

5 對比總結

根據對阻水器及錨固件的性能介紹，將對比結果匯總在表1中。

綜上所述，錨固件和阻水器的設計方案，要綜合考慮項目成本、管線長度、保溫失效長度設計，以及潛在的管線失效而帶來的經濟損傷、社會影響等因素，采用錨固件和阻水器配合使用。錨固件與阻水器選取比例、分配比例根據所設計管線海管安全穩定運行要求確定。如果設計管線注重運行可靠安全及社會效應，則應以錨固件為主；如果更多的是考慮項目開發成本，則可以適當增加阻水器，減少錨固件。應根據項目的實際情況合理設計、選取錨固件和阻水器數量及布置。關于錨固件及阻水器的這一選用原則已經在陸豐13-2海管更換項目中成功運用。此項目將海管的整體安全性放在首位，同時要避免海管再次泄漏引起的巨大經濟損失及不良的社會影響，所以基于安全性及社會效應的考慮，決定全程使用錨固件，錨固件的間距為500 m。陸豐13-2海管更換項目在2011年施工完成，至今仍在安全運行。

表1 阻水器及錨固件性能對比

6 結 論

通過對錨固件和阻水器的比較分析，得出了在海管設計中選用的原則：應根據項目的實際情況合理設計，選取錨固件和阻水器。將該原則應用于陸豐13-2海管更換項目，收到了很好的效果。

[1] 石云，曹靜. 海底雙層保溫管熱膨脹分析[J]. 中國造船，2009， 50(增刊)： 436.

[2] Det Norske Veritas. DNV OS F101. Submarine pipeline system[S]. Oslo: Det Norske Veritas, 2006. 88.

[3] 馬洪新. 南海超百米水深海底油管道泄露修復實例[J]. 海洋石油，2010， 30(3)： 93.

ApplicationofBulkheadandWaterStopinMarinePipelineDesign

LI Xu, LI Qing, YANG Hu, FENG Xian-hong, YU Xuan

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

The pipe-in-pipe (PIP) insulation pipeline configuration has been widely used in crude oil transportation. We analyze the selection principles of bulkhead and water stop in PIP insulation pipeline design. The structure configuration, installation method, mechanical property and economy are compared between the bulkhead and water stop. Their advantages and disadvantages are given. The selection principles for number and configuration of the bulkheads and water stops are described. Finally, the conclusion is verified in the LF13-2 pipeline replacement project.

marine pipeline; anchor; water stop; insulation failure length

TE53

A

2095-7297(2014)02-0177-03

2014-05-29

李旭(1982-)，男，工程師，主要從事海底管線設計方面的研究。