海底管道連接工藝研究

曹為， 姜瑛， 付劍波

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

1 概述

海底管道系統是海上油氣田開發、生產與集輸的動脈，通過海底管道的鋪設和連接，方能將井口、水下生產設施、水下工藝設備、生產平臺、儲油設施以及陸地終端等連成一個有機的整體。海底管道連接包括在水下完成海底管線與管線、管線與設備，或者設備與設備之間的連接，是構建完整的海底管道系統不可或缺的作業環節。

在海上油氣田生產系統的開發建設中，海底管道連接有如下典型應用場合：

1）水下生產系統構建。海底管道連接技術被普遍運用在水下生產系統，如水下采油樹與管匯、水下管匯與輸油管線等之間的連接。

圖1 連接新井口

2）新開發管線并入已建管網。如圖1所示，利用已建設施開發新的衛星油田，采用水下連接技術使深水平臺覆蓋更大的油氣藏面積和井口數；使邊際小油田開發變得經濟有效；也使油氣田的分階段開發經濟可行（如流花油田和春曉氣田）。原來的管線系統中一般預留了在線結構裝置，以便接入新管線。

3）立管膨脹彎連接。在海底管線鋪設淺水段中，利用膨脹彎連接海底平管和立管。

4）海底管道修復。當海底管道發生損壞時，在不停輸狀態下，用支管系統進行雙位塞堵，切下破損管道，連接新管道，再撤下支管，完成管道維修。

2 海底管道連接機具

在深海中，海底管道連接已經不能通過潛水員下潛來操作，只能在工作母船上通過遠程操作施工機具來完成海底管線的連接。這些水下連接作業機具需要適應深海高壓低溫腐蝕環境，且能夠在ROV配合下完成管線的連接，并保證良好的密封性。

2.1 水下連接器

水下連接器是連接海底管道的核心裝置。在國內外的深水海底管道連接中，目前應用最多的如圖2（a）卡爪式連接器（Collet connector），圖2（b）卡箍式連接器（Clamp connector）［1］以及圖2（c）深水螺栓法蘭連接器。

圖2 水下連接器

卡爪式連接器是深水海底管道連接應用最多的連接器之一，尤其在垂直連接以及超深水管道連接中占據了主導地位。壓力等級可達15000psi，連接管徑為4″～64″［2］。卡箍式連接器在深水海底管道水平連接中的應用較多，在垂直連接中也取得了一定的應用實績，實際應用最大水深已達1500 m，連接管徑為2″～48″［3］。

卡爪式連接器和卡箍式連接器都具備以下優點：1）連接可靠、連接速度快；2）ROV操作友好，可用的ROV工具多；3）對中誤差容忍度高。此外，卡爪式連接器對于垂直連接和水平連接均可適用，是垂直連接中應用的主要連接器形式。但是卡爪式連接器的結構相對復雜，費用高。而卡箍式連接器則結構簡單，重量輕，對作業工具的要求低，費用也低。但是卡箍式連接器在垂直連接和超深水的應用紀錄相對較少。

傳統的螺栓法蘭連接器需要潛水員在水下作業，只能應用于淺水海域。美國Sonsub公司和挪威Acergy公司分別研發了針對深水的螺栓法蘭連接系統BRUTUS［4］和MATIS［5］，作業水深可達3000 m，連接管徑分別可達24″和36″，主要用于水平連接，其中MATIS系統也可用于垂直連接。這種連接器由于采用工業標準件進行連接，連接安全可靠，而且費用低，采購周期短。但是整套連接系統較為復雜，連接速度慢，對于對中精度的要求很高。

2.2 輔助作業機具

在深水海底管道連接作業中，還需要一些輔助作業機具協同操作，才能完成整個連接過程。常用的輔助作業機具有：ROV，提管架，連接器安裝工具（Running Tool），Hub/法蘭清理工具，管道牽引工具，密封測試工具以及密封更換工具等［6］。

3 海底管道連接方法

深水海底管道連接方法主要有以下3種：跨接管連接；拉入式連接（Pull-in）；垂直引導式水平連接（Stab&Hinge-over）［7］。

各連接方法的具體過程雖有所不同，但都主要包括以下幾個步驟：連接定位測量，水上預制，跨接管及機具下放，水下連接。

3.1 連接定位測量

水下定位測量技術在連接作業中的主要作用為：1）引導ROV及各輔助機具到達預定位置，為連接做準備。2）測量待連接的兩個管端或設備端的相對位置，為跨接管預制提供精確數據。3）調整待連接管道的位置和角度，使之符合接近詳細設計路徑。常見的水下測量技術有聲學測量法和機械拉繩測量法。

3.1.1 聲學測量方法

聲學測量方法是基于單個和多個海底應答器的定位導航技術，發揮長基線定位技術的高定位精度優勢（亞米量級）和超短基線定位技術的大覆蓋范圍優勢進行水下測量。

由高頻應答器在海底組成測量矩陣，目標應答器裝在管線接頭、法蘭盤或其他需要測量的設備端。測量矩陣可以測量任何新的目標應答器與在位矩陣的相對位置。測得的數據通過高可靠水聲數據傳輸技術傳遞給水面指揮控制中心。

水聲測量方法有一些不足［8］：1）水下懸浮物會使聲速改變，出現測量誤差。2）應答器在安裝和回收過程中容易發生破壞或丟失。3）測量耗時較長，經濟性不是很好。雖然聲學測量方法有很多不足，但它仍然是使用最廣泛的測量方法之一。

3.1.2 拉繩智能測量法

拉繩智能測量法是在傳統的張緊繩測量法上發展而來的。拉繩智能測量裝置適用于深水區域，由ROV配合完成測量，它可以精確地測量各基點之間的相對位置（包括距離和角度）。拉繩智能測量裝置包括電腦監控系統、傳感器、拉繩絞盤、檢測繩和拉繩測量機械裝置等。拉繩智能測量系統通過在待測設備端之間拉緊測量繩，并通過深度傳感器、傾角計、繩長測量裝置等測量兩設備的相對位置。電腦監控系統主要功能是將拉繩測量裝置的反饋信息，通過一定算法處理，求得管道三維姿態，得出管道距離與法蘭角度的數值，并顯示在PC界面上。

圖3 聲學測量方法

圖4 拉繩測量系統

拉繩智能測量系統和聲學測量方法測量精度相當，表2顯示了兩種方法的測量精度。但在以下場合，拉繩測量裝置比聲學測量裝置更有優勢：1）測量過程中有很大的環境噪聲；2）漏斗等特殊地形造成潛在的聲波反射；3）在鋼結構（如海洋平臺）下工作。

表1 聲學方法和拉繩法測量精度比較

3.2 水上預制

通過水下定位測量得到待連接管端或設備端位置后，需要在甲板或者陸地完成連接管道的預制和接頭的安裝。對于較簡單的膨脹彎連接，為了節省時間，通常在水下測量進行前或進行中就已經把連接管道兩端預制好，中間留一道口或兩道口（只點焊，以備調整）［9］。對于復雜的水下生產系統構建，完成所有水下設施測量后，需根據測量結果，預安裝好連接接頭、拖拉頭、引導頭等，在陸上布置好水下設備、管線終端、在線結構，并進行水下生產系統整體測試。

3.3 跨接管及機具的下放

在連接管道上栓好起吊索具，用浮吊或絞車將連接管道直接吊放下水，并在ROV引導下到達預先測定的區域。當海面涌浪較大時，還需在連接管道上安裝充氣浮袋，以避免因浮吊上下顛簸而引起連接管道一起上下運動。對垂直引導式水平連接，有時還要求作業船舶具備升沉補償功能。

3.4 水下連接

3.4.1 跨接管連接

跨接管連接：采用預制跨接管作為“中間橋梁”，對海底管線與設備進行連接。跨接管連接是海底管線終端連接的理想方式，對于垂直連接和水平連接均可適用［10］，應用十分廣泛。卡爪式連接器、卡箍式連接器以及深水螺栓法蘭連接器均可用于跨接管連接。

1）垂直跨接管連接。采用卡爪式連接器的垂直跨接管連接過程如下：（1）跨接管攜帶連接器裝置（包括連接器、密封元件等）下放，到達被連接的管端面（Hub）上方，通過導向裝置完成初步對中。（2）跨接管繼續下放，通過張開的卡爪引導完成最終對中，兩Hub面接合。最終對中允許有一定的對中偏差。由ROV操控軟著陸液壓機構，控制兩Hub面靠近、對中到接合的速率，以避免對密封元件造成破壞。（3）ROV操作，使連接器內部的鎖緊液壓缸膨脹，推動驅動環向下移動，使卡爪閉合，抓牢兩對接Hub面，并對密封元件施加預載荷，形成密封。（4）密封試壓。試壓合格后，回收ROV等輔助作業工具，連接完成。

2）水平跨接管連接。采用深水螺栓法蘭連接器的水平跨接管連接過程如下：（1）提管架吊放入水，將跨接管和海底管道從海床上抬起，對管道之間相對位置進行粗調，為連接作業做好準備。（2）ROV攜帶輔助連接工具（軸向對準機具和接應機具）吊放入水，將兩根待連接管道拉近，形成對接區域，同時調整管道同軸度完成管道對中。（3）ROV攜帶螺栓法蘭連接器吊放入水，完成管道法蘭的螺栓連接。（4）密封試壓。試壓合格后，ROV攜帶作業機具返回，連接完成。

圖5 垂直跨接管連接

3.4.2 拉入式連接

拉入式連接不采用“中間橋梁”，直接將海底管線拉入到連接點進行連接。拉入式連接對于海底管線的起始端連接和終端連接均可適用。

如圖7所示，拉入式海底管道連接過程如下［11］：1）ROV將牽引繩系到海底管道拖管頭上；2）ROV操作牽引繩絞車，將海底管道拉向連接點，由管道引導裝置完成管道對中；3）ROV操作管道連接器完成Hub對接；4）密封試壓。試壓合格后，ROV攜帶作業機具返回，連接完成。

圖6 水平跨接管連接

圖7 拉入式海底管道連接

3.4.3 垂直引導式水平連接

垂直引導式水平連接：管線垂直下放、引導到連接點，然后旋轉至水平方向，與水下設備進行連接。垂直引導和水平連接是理想的起始端連接方式，通常用于在沒有任何其它鋪管起始點支持的情況下，為深水鋪管作業提供安全的起始點。

圖8 垂直引導和水平連接

表2 連接方法比較

如圖8所示，垂直引導和水平連接連接過程如下：1）管道垂直下放至水下接應裝置上方；2）管道繼續下放，管端垂直引導頭插入接應裝置的對接孔，完成管道定位；3）管道旋轉90°至水平，準備連接；4）ROV輔助完成連接。

3.5 連接方法比較

表2對垂直跨接管連接、水平跨接管連接、拉入式連接以及垂直引導式水平連接4種連接方式的優缺點進行了總結和比較。

4 結語

隨著海上油氣資源的開發越來越向深海邁進，采用合適的深水海底管道連接工藝，對保障海上油氣田安全生產和提高其技術經濟性顯得愈發重要。

深水海底管道連接工藝，包括連接作業方法和連接作業機具的選擇，受到諸多因素的影響，如環境條件（包括海底水深、土壤條件、風、浪、流以及溫度等），工藝參數（包括壓力等級、溫度等級、生產流體腐蝕性、油田配產等），油田布局（包括生產井口、水下管匯、PLET以及海底管道路由布置等），以及可用的作業船舶和機具資源。沒有一種深水海底管道連接工藝可以適用于所有油氣田。對每個不同的油氣田，都必須綜合考慮以上因素，才能形成最優、簡單、可靠高效的連接工藝方案。

［1］ Skaar J C，Jurena J，Witting F.Technical and Commercial Influences of Jumper Connectors with Emphasis on Decision Methodology.

［2］ FMC Technologies.Subsea Tie-in Systems Catalogue［EB/OL］.Http：//www.fmctechnologies.com/subsea.

［3］ KvaenerA.SubseaTie-in，ToolsandConnectionSystemsCatalogue［EB/OL］.Http：//www.akerkvaener.com.

［4］ Jansen J O，Corbetta G.Norne-Heidrun：Closing"The Loop"With Diverless Flanged Connections［M］//OTC13248，2001.

［5］ Frazer L.Remote connection of deepwater pipelines using standard bolted flanges［M］//OTC18472，2007.

［6］ ISO13628-9：2000 Petroleum and natural gas industries-Design and operation of subsea production systems-Part9：Remotely Operated Tool(ROT)intervention systems［S］.

［7］ ISO13628-1：2005 Petroleum and natural gas industries -Design and operation of subsea production systems-Part1：General requirements and recommendations［S］.

［8］ Alliot V M G.Method of obtaining acoustic metrology data：US，7088640［P］.

［9］ 朱紹華.使用法蘭測量儀進行海底管線膨脹彎測量技術研究與應用［J］.中國海上油氣，2008，20（5）：342-344.

［10］ Phan H.Deepwater subsea tie-in between chevron blind faith williams devils tower export pipelines［M］//OTC19764，2009.

［11］ Lee J Y.Introduction to Offshore Pipelines and Risers［R］.Pipeline2008.