國內(nèi)外深水海底管道技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀概述

胡知輝，佟光軍，郭學(xué)龍，田 凱，付光明

1.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院，北京100028

2.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580

近年來，隨著深水油氣田的不斷開發(fā)和天然氣輸送管道的建設(shè)，海底管道的數(shù)量在不斷增加，同時(shí)海底管道的安裝水深也在不斷增加。目前，正在規(guī)劃的部分深水海底管道項(xiàng)目的水深已經(jīng)超過3 000 m[1]，給制管和施工技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)。另外，對(duì)深水復(fù)雜海床處理技術(shù)、應(yīng)急維搶修技術(shù)和海底管道檢測及完整性管理技術(shù)也提出了更高的要求。

目前海底管道管材等級(jí)以X65為主，但隨著制管技術(shù)和焊接工藝的進(jìn)步，高強(qiáng)度管材會(huì)在未來的深水海底管道項(xiàng)目中得到逐步應(yīng)用，如Nord Stream管道項(xiàng)目和Langeled管道項(xiàng)目鋼管已經(jīng)使用了X70[1-2]管材。國外已經(jīng)開展了X80等高強(qiáng)度管材用于海底管道的論證研究工作。通過提高管材等級(jí)，能夠減小鋼管壁厚，并降低管廠制管難度和成本，縮短海上焊接和安裝工期。另外，為了滿足深水海底管道安裝鋪設(shè)的需要，鋪管船更新?lián)Q代的速度可明顯加快，鋪管能力和專業(yè)化程度越來越高[3]。

1 典型深水海底管道工程介紹

深水海底管道主要包括兩類，一類是跨區(qū)域長距離天然氣輸送管道，如已經(jīng)建成投產(chǎn)的Nord Stream管道，正在建設(shè)的Turk Stream管道等；另一類是深水油氣田開發(fā)過程中的回接管道和外輸管道，根據(jù)深水油氣田開發(fā)模式的不同，回接管道主要包括管匯之間和管匯至浮式平臺(tái)之間的輸送管道。

國外主要已經(jīng)建成投產(chǎn)的跨區(qū)域長距離天然氣輸送海底管道工程如表1所示。鋪設(shè)管徑最大、路由最長的海底管道是2012年建成投產(chǎn)的北溪管道（Nord Stream），該管道是俄羅斯輸往德國的天然氣管道，路由全長1 225 km，最大設(shè)計(jì)壓力22 MPa，最大水深210 m，年輸送天然氣550億m3，海底管道管材采用SAWL X70[4]；鋪設(shè)水深最深的海底管道是2017年開始建設(shè)的TurkStream管道，該管道是俄羅斯輸往土耳其的天然氣管道，路由最大水深為2 200 m，由兩條并行的32 in（1 in=25.4 mm）海底管道組成，路由全長925 km，最大設(shè)計(jì)壓力為30 MPa，年輸送天然氣315億m[3-5]。

表1 國外主要跨區(qū)域長距離天然氣海底輸送管道工程情況

除表1中介紹的已建項(xiàng)目外，還有正在規(guī)劃或即將建設(shè)的跨區(qū)域長距離天然氣輸送管道工程：中東輸往印度的SAGE天然氣管道（管徑為27.2 in，最大水深為3 450 m，設(shè)計(jì)壓力為40 MPa，路由長度為1 300 km，管材計(jì)劃采用X70）[6]，以色列輸往希臘的Eastern Med天然氣管道（管徑24～28 in，最大水深3 300 m，路由長度2 200 km）[7]，阿爾及利亞輸往意大利的Galsi天然氣管道（管徑26 in，最大水深2 800 m，路由長度565 km）[8]。

國外主要深水油氣田開發(fā)建設(shè)的海底管道工程如表2所示，主要集中在墨西哥灣和巴西海域，伴隨著深水油氣田的開發(fā)，海底管道的鋪設(shè)水深也在不斷增加，Perdido Norte油氣田海底管道安裝水深達(dá)到2 961 m。管道輸送壓力和安裝水深的增加，對(duì)管材和鋪管船都提出了更高的要求。

表2 國外主要深水油氣田開發(fā)建設(shè)的海底管道工程情況

國內(nèi)荔灣3-1深水管道是目前國內(nèi)水深最深（1 500 m）、壁厚最大、輸送壓力最高的海底管道，深水段管徑為22 in，最大設(shè)計(jì)壓力23.9 MPa[10]；目前中海油正在進(jìn)行開發(fā)的陵水17-2深水氣田，水深1 336 m，計(jì)劃采用“深水半潛式生產(chǎn)處理平臺(tái)+深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)+干氣接入主干管網(wǎng)”的開發(fā)方案，也需要鋪設(shè)深水海底管道。

2 深水海底管道管材選擇

深水海底管道設(shè)計(jì)主要采用DNVGL-ST-F101（2017）規(guī)范，隨著水深的增加，壓潰和屈曲分析是深水海底管道設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的問題，需要安裝止屈器來抵抗外壓壓潰及屈曲傳播的風(fēng)險(xiǎn)[11]。另外，還包括自由懸跨、鋪設(shè)安裝、地震、海床液化和邊坡穩(wěn)定性分析等。

深水海底管道的施工難度與水深×管徑成正比，隨著水深的增加，海底管道將承受更高的外壓，需要通過增加壁厚來提高抗壓潰能力；同時(shí)隨著輸送壓力和管徑的提高，需要通過增加壁厚來保證管道在位安全，圖1給出24、28、32 in三種管徑不同水深所需的最小壁厚（管材等級(jí)X65）。因此為了滿足一些深水項(xiàng)目需要，鋼管壁厚度逐漸增加，目前部分項(xiàng)目鋼管的壁厚超過40 mm，已經(jīng)達(dá)到制管和施工能力的極限[12]。如Turk Stream管道直徑32 in、水深2 200 m處管道壁厚為39 mm，SAGE管道項(xiàng)目管材采用X70、管道直徑27.2 in、最大深水3 450 m處管道壁厚為40.5 mm。

圖1 海底管道所需最小壁厚與水深的關(guān)系

目前海底管道普遍采用的管材等級(jí)為X65，國外Nord Stream和Langeled等大管徑海底管道，已采用X70鋼級(jí)鋼管，以減小鋼管壁厚，國內(nèi)南海荔灣深水管道項(xiàng)目也部分采用X70鋼級(jí)鋼管[13]。管道若采用X70高等級(jí)鋼材，能夠減少一定鋼管壁厚，進(jìn)而降低管廠制管難度和成本，同時(shí)管道重量的減少可以有效降低鋪設(shè)張力。

X70等高強(qiáng)度等級(jí)管材，由于合金化成分較高，鋼的可焊性和韌性偏低，同時(shí)對(duì)焊接裝備水平和工藝水平要求較高，焊接熱影響區(qū)軟化的傾向性較大[14]。因此高強(qiáng)度管材與中低強(qiáng)度管道鋼相比，難以獲得優(yōu)質(zhì)、無缺陷的焊接接頭，工藝焊接性比較差。但深水油氣輸送管道受輸送介質(zhì)及海洋環(huán)境作用，容易造成介質(zhì)腐蝕，而海流作用造成的管道振動(dòng)則可能導(dǎo)致疲勞破壞，與陸上長輸管道相比，預(yù)定服役要求更加苛刻，對(duì)其使用焊接性有很高的要求。

但隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，逐漸開發(fā)出適合高強(qiáng)度管線鋼的高效焊接方法的焊接工藝，如全自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW），優(yōu)化焊縫金屬和母材強(qiáng)度匹配等，能夠減小焊接飛濺和熱變形，提高焊縫缺口斷裂韌性，為高強(qiáng)度管材在海底管道中的應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。

3 深水鋪管船資源

目前，適用于深水海底管道安裝的主要方法是S-lay、J-lay和Reel-lay（簡稱R-lay） 鋪設(shè)。S-lay鋪設(shè)過程中，管道在托管架的支撐下自然彎曲成S形曲線，管道下彎段的曲率由張緊器產(chǎn)生的拉力來控制，管道上彎段的曲率和彎曲應(yīng)力由滑道支撐和托管架的曲率來控制，隨著鋪設(shè)水深的增加，對(duì)鋪管船托管架和張緊器的性能要求越高。J-lay鋪設(shè)是一種將管道接近垂直的形態(tài)下放到海床上的鋪設(shè)方法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是所需的張力較S-lay小、鋪設(shè)后管道殘余應(yīng)力小，是深水和超深水管道鋪設(shè)比較適用的方法[15]。R-lay鋪設(shè)需預(yù)先在陸地上預(yù)制成一定長度的連續(xù)管，然后上卷到卷筒上，因此管徑不宜太大，一般管徑為4～18in，在管道鋪設(shè)階段，將管道從卷筒上退卷，經(jīng)校直后通過張緊器將其鋪設(shè)到海底[16]，該方法的優(yōu)點(diǎn)是鋪設(shè)速度快且受環(huán)境條件影響小。

對(duì)于S-lay、J-lay和R-lay三種鋪設(shè)方法，需要采用對(duì)應(yīng)的鋪管船進(jìn)行海底管道鋪設(shè)，黃維平[17]、劉嵬輝和李艷[18]等相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)對(duì)國內(nèi)外鋪管船進(jìn)行了介紹和對(duì)比分析，本文著重闡述新投入使用的Pioneering Spirit、Saipem Castorone 和 HMC Aegir等功能較強(qiáng)的深水鋪管船的關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)參數(shù)，如表3所示。Pioneering Spirit是一艘新投入的海上平臺(tái)棄置船，如圖2所示，同時(shí)擁有強(qiáng)大的S-lay鋪管能力，該船托管架長210 m，張緊器張力20 000 kN，能夠進(jìn)行深水大管徑海底管道S-lay鋪設(shè)，目前正在進(jìn)行Turk Stream管道鋪設(shè)。圖3所示Lewek Constellation是EMAS新投入使用的新一代超深水R-lay鋪管起重船，該船剛性管道鋪設(shè)能力為4～16 in，對(duì)應(yīng)張緊器張力為8 000 kN；柔性管的鋪設(shè)能力為4～24 in，對(duì)應(yīng)張緊器能力為5 200 kN[19]。圖4所示Aegir是HMC新投入使用的R-lay和J-lay鋪管船，R-lay卷筒的載管能力達(dá)到了2×2 000 t，最大鋪管直徑為16 in；J-lay能夠進(jìn)行4節(jié)點(diǎn)管道鋪設(shè)。圖5所示Castorone是Saipem新投入使用的S-lay鋪管船，同時(shí)預(yù)留J-lay鋪管能力，船上有3節(jié)點(diǎn)接管車間，S-lay能夠進(jìn)行3節(jié)點(diǎn)12 m、雙節(jié)點(diǎn)18 m管道鋪設(shè)，主作業(yè)線上有7個(gè)工作站，J-lay塔上配有2個(gè)工作站，能夠進(jìn)行3節(jié)點(diǎn)管道鋪設(shè)[20]。另外，SUBSEA 7正在建造新一代R-lay鋪管船，預(yù)計(jì)2020年交付。隨著大量多功能新型鋪管船的服役，深水管道鋪設(shè)能力將得到大幅度提高，特別是Pioneering Spirit和Castorone等功能強(qiáng)大的S-lay鋪管船投入使用，增強(qiáng)了深水條件下S-lay鋪管作業(yè)能力。

表3 深水鋪管船關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)參數(shù)

圖2 Pioneering Spirit S-lay鋪管船

圖3 L ewekConstellation號(hào)Reel-lay鋪管船

4 結(jié)束語

圖4 HMCAegir號(hào)J-lay和R-lay鋪管船

圖5 Saipem Castorone號(hào)S-lay鋪管船

基于國內(nèi)外重點(diǎn)深水海底管道項(xiàng)目的分析，介紹了深水海底管道的發(fā)展趨勢和關(guān)鍵技術(shù)，并從管材選擇和安裝資源兩個(gè)方面進(jìn)行了研究。隨著深水海底管道鋪設(shè)水深的不斷增加，高強(qiáng)度管材和新的設(shè)計(jì)技術(shù)將在海底管道中得到應(yīng)用；另外為了滿足未來深水海底管道的安裝需求，一批功能強(qiáng)大的新型鋪管船投入服役，促進(jìn)了新的鋪設(shè)方法和大型鋪管船的發(fā)展。