惡劣海況下大埋深輸氣管道應急修復技術

于銀海 成二輝 劉 朋 王紹則

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300461

0 前言

隨著海洋油氣勘探開發技術的飛速發展,海上油氣資源的開發模式已趨于多樣化,遠海深水油氣田較多采用了浮式生產儲卸裝置[1-2],有效降低油氣田開發和運營的成本。但因天然氣的浮式生產系統FLNG[3](浮式液化天然氣生產儲卸裝置)技術發展相對落后,并未在海上油氣田開采中廣泛應用,因此海上油氣田生產的天然氣仍以長距離登陸管道輸送為主。海上天然氣長輸管道一旦發生損傷泄漏,除影響油氣田的正常生產外,還會給管道維修帶來較大困難。據統計，中國海底油氣管道30余年的發展歷程中,由內外腐蝕、落錨拖錨損傷、漁網拖拽、工程施工、地質及氣象災害等引起的管道損傷泄漏事件平均每年2起[4],造成了巨大的經濟損失。中國海底油氣管道總里程已超過6 500 km,近幾年海底管道突發損傷事件頻率逐步提升,海底管道發生損傷泄漏后,如何根據管道泄漏類型快速選擇修復方案,并選定有效的修復裝備,是提升管道修復效率、降低風險、減少經濟損失的關鍵。本文以東海某油氣田外輸管道裂紋損傷的修復工程為例,開展應急修復研究和方案設計,提出了創新思路和建議,并成功指導了修復施工作業的實施。

1 工程背景

2015年，受臺風影響東海某油氣田外輸天然氣管道(總長度約389 km)壓力發生異常,對管線路由檢測發現,管道位于路由KP 116位置，海面有大量氣泡冒出,該區域水深約30 m,使用噴沖式挖溝機對有氣泡冒出位置進行開挖,在挖溝深度達4 m后,發現損傷管道,經清理管道水泥配重層和防腐涂層后,檢查確認管道出現4處距離較近的裂紋損傷,裂紋所處管道位置和間距見圖1。其中1#裂紋長度約30 mm,2#、3#、4#裂紋長度約20 mm。

圖1 管道漏點示意圖

該外輸天然氣海底管道為直徑14 in(1 in=25.4 mm)的單層水泥配重管,其主要參數見表1。

表1 管道基本參數表

屬性管道內徑/mm管道壁厚/mm水泥配重層厚度/mm煤焦油瓷漆防腐層厚度/mm管材參數333.4011.1351.006.00API 5 L X 52 ERW

損傷管道所處舟山海域面向東海外海,多數情況下海況條件較惡劣,1年期最大波高達9.8 m/s,譜峰周期12.3 s,海床附近最大流速1.2 m/s,施工船舶在該區域進行吊裝和水下安裝作業風險極高。受海流沖刷影響,該區域水下能見度較低,每日可用于潛水員下水作業的時間極其有限。

2 修復方案研究及設計

2.1 整體修復方案設計

中國經數十年的海底管道修復實踐[5-16]的積累,總結出了針對不同損傷類型海底管道修復方法。管道裂紋及穿孔小漏式損傷,通常采用機械管卡進行修復,該種修復方式施工周期短、作業成本低,對油氣田產量影響小。通過對海底管道維搶修專用卡具裝備的研發,我國自主研制的水下管道卡具已獲得較廣泛應用,使用壽命可達到與國外同類產品水平。在采用卡具修復海底管道的眾多工程實踐[17-19]中,也形成了較成熟的管道卡具安裝作業技術體系。隨著中國對海底管道安全運營意識不斷加強,許多管道業主針對高風險管道已提前購置了應急修復備件,以便在海底管道突發應急狀態下能夠快速處置。

東海某天然氣海底管道業主，針對該管道可能發生的應急事件提前存儲了進口卡具和國產卡具,見圖2～3，兩種卡具主要參數及性能對比見表2。

該海底管道4個裂紋漏點之間管段總長度1 250 mm,2種封堵卡具中最大的內部密封空間長度只有470 mm,僅使用1個卡具無法封堵全部漏點。由于漏點間距離較近,根據卡具有效密封空間尺寸和外形尺寸,對單個漏點逐一安裝封堵卡具,在卡具之間必然產生較大干涉,會導致卡具安裝空間不足的情況,尤其是進口卡具外形長度尺寸較大,而內部密封空間較小,更無法完成所有漏點的修復。此外由于進口卡具重量較大,安裝后可能會導致損傷管道在受到重壓情況下產生二次損傷。

鑒于以上原因,為了能盡快完成管道漏點的修復,并且使卡具修復方案切實可行,結合國產標準機械卡具尺寸,通過對漏點之間的距離進行充分模擬,決定采用對1#和2#漏點使用1個標準封堵卡具,對3#和4#漏點定制1個內部有效密封長度700 mm、外形總長度1 030 mm的加長機械卡具進行修復的方案,合理布置卡具安裝位置,避免2個卡具安裝過程中在空間上相互影響,以實現損傷管道的修復。修復方案的原理見圖4,封堵卡具1為標準卡具,卡具2為定制加長卡具。安裝過程中為避免機械卡具,環向密封橡膠受從漏點噴出氣流直接作用,影響密封效果,確定將密封橡膠安裝位置與漏點保持100 mm以上距離。

圖2 進口卡具

圖3 國產卡具

表2 機械卡具主要參數及性能對比

項目內部有效封堵長度/mm外部尺寸長度/mm總體重量/t結構復雜程度使用壽命/a安裝難易程度價格供貨周期國產卡具4706250.3簡單無10 a以上工程應用更簡單低1周(加急)進口卡具4001 1001.9復雜25稍復雜昂貴4～6個月

圖4 管道修復原理圖

2.2 卡具安裝方案設計

2.2.1 卡具安裝方法研究

國內外海底管道在機械卡具修復過程中,探索了較多的卡具安裝方法,最成熟和常見的安裝方法有工程船吊機直接安裝法、支架輔助安裝法和浮袋輔助安裝法等幾種。

工程船吊機直接安裝法。即對機械卡具配好吊扣后,使用工程船吊機吊鉤直接與卡具吊扣連接,然后吊裝卡具下水至海底管道附近,直接安放到損傷管道指定位置。此方法通常適用于淺水區,且對海況要求較高,主要配套施工資源為具有起重機的工程船、空氣潛水設備。由于東海某油氣田外輸天然氣管道修復工程作業區域環境條件較為惡劣,受涌浪影響下普通工程船起重機吊鉤上下晃動近3 m,損傷管道極有可能被卡具撞擊,發生二次損傷,影響修復質量,因此要求工程船上起重機具有升沉補償功能。具有升沉補償功能吊機的工程船日租金較高,東海某外輸天然氣管道業主難以接受。

支架輔助安裝法。把待安裝的卡具使用倒鏈懸掛于已提前放置在損傷管道上方的輔助支架上,斷開吊機與卡具的連接,然后通過倒鏈調整和下放卡具,緩慢安放在受損管道的指定位置,避免因惡劣海況的影響而導致卡具與管道強烈碰撞,此方法適用于惡劣海況和較深的水域,配套施工資源為具有普通起重吊機的工程船、潛水設備和輔助支架。圖5所示兩種類型的輔助支架結構在國內以往水下管道卡具修復工程中得到應用。

a)具有平滑移動和卡具固定機構的支架

b)框架結構的簡易支架

浮袋輔助安裝法。此方法與支架輔助安裝法類似,通過浮袋充氣提升卡具,然后再調整卡具與損傷管道的相對位置,把卡具緩慢安全地安放在指定位置,見圖6。此方法適用于海底流速變化慢、流速小和能見度高的海域,配套施工資源為潛水支持船、潛水設備、充氣浮袋及相關配套工具。

圖6 浮袋輔助卡具安裝示意圖

2.2.2 卡具安裝方法選型

基于以上對海底管道卡具安裝方法研究,為降低卡具安裝過程中的風險,提升作業效率,東海某油氣田外輸天然氣管道裂紋損傷修復項目較適合采取支架輔助安裝法進行卡具的安裝。采用此方法安裝卡具前,需要在管道上方放置輔助支架,在惡劣海況下仍有對損傷管道造成二次損傷的風險,同時由于管道埋深達4 m,需要開挖較寬的作業坑,以適應輔助支架的安裝,很大程度上增加開挖工作量,延長作業工期。為此，設計了一種采用簡易吊梁輔助卡具安裝的作業方法,即先在損傷管道處開挖的作業坑上方橫放1個焊接有多個吊點的橫梁,然后用工程船吊機把卡具吊放下水,使之與橫梁連接后,解除吊機與卡具的連接,通過倒鏈下放卡具使其最終安裝到管道上,其原理見圖7。

圖7 簡易吊梁輔助卡具安裝原理圖

3 工程應用

3.1 修復前作業坑開挖

某油氣田外輸天然氣管道裂紋損傷修復工程損傷管道處于海床以下約4 m,修復前需要把損傷區域管道全部開挖暴露,并懸空一定高度以滿足卡具安裝空間需求。為避免開挖過程中造成管道的損傷,利用水射流噴沖式挖溝機,懸于泄漏管道上,對海底管道進行挖溝暴露。為滿足卡具安裝及潛水員清理管道涂層操作空間需求,確定施工作業坑寬約4 m,其中管道兩側各約2 m,卡具安裝區域管道整體懸空約1 m,見圖8。

圖8 修復作業坑開挖示意圖

3.2 管道涂層清理

損傷管道外部涂層有2層,分別為水泥配重層和煤焦油瓷漆防腐層,在管道修復卡具安裝區域,尤其是密封橡膠與管道接觸區域，管道涂層需要全部清理干凈,露出光滑的管道表面。通常使用高壓水配套夾持自動旋轉工具清理管道涂層[20],能夠達到最好的清理效果,見圖9。在考慮高壓水清理夾持工具安裝在水下管道上的過程中極有可能撞擊受損管道,因此確定管道涂層采用潛水員手動清理,其中水泥配重層采用液壓圓盤鋸進行切割清理,見圖10；管道防腐層采用木工刨刀片等手動工具清理。

圖9 高壓水清理管道涂層示意圖

圖10 圓盤鋸清理管道水泥配重層圖

根據2個修復卡具外部尺寸和安裝在損傷管道的設計位置,清理管道水泥配重層區域見圖11,分別為距1#漏點向遠岸方向600 mm與距4#漏點向近岸方向 500 mm 之間的全部水泥配重層。

圖11 管道水泥配重層清理區域示意圖

潛水員手動清理附著在管道表面的煤焦油瓷漆防腐層效率較低,若在清理過程中若操作不當,會對管道表面造成一定程度的損傷,影響卡具安裝后的密封效果。為減少潛水員水下清理工作量,僅對卡具密封膠條與管道接觸位置區域進行清理,結合卡具環向密封橡膠的寬度尺寸(卡具1環向密封橡膠寬度40 mm,卡具2環向密封橡膠寬度64 mm),清理區域見圖12。

圖12 管道防腐層清理區域示意圖

為確保清理的管道防腐層區域與設計清理位置完全吻合,使用細圓鋼按照等比例制作卡具內部空間模擬框架,包括卡具密封橡膠和卡具整體外形,見圖13,在管道防腐層清理前，潛水員攜帶卡具安裝模擬框架對清理區域標記，并在清理后檢查確認。管道防腐層清理完成后在模擬測量框架兩側進行卡具安裝限位標記,以便卡具能夠根據標記指引,精確安裝就位,見圖14。

在卡具安裝前,要對管道防腐層清理區域進行橢圓度測量,確保符合卡具安裝要求。

圖13 卡具內部空間模擬工具制作示意圖

圖14 卡具模擬框架檢查防腐層清理示意圖

3.3 卡具安裝

根據管道修復卡具安裝的原則,避免工程船吊機吊裝的任何設施靠近損傷管道,以降低造成管道二次損傷的風險。因此先吊裝卡具安裝輔助吊梁橫架在待安裝卡具正上方的海床上,見圖15。再用工程船吊機吊裝卡具,緩慢下放到吊梁下方附近,潛水員把吊梁下面懸掛的倒鏈與卡具上的吊扣連接,見圖16。再下放吊機索具,使卡具重力全部轉移到倒鏈上,然后解除吊機索具與卡具吊扣的連接。

潛水員通過放松倒鏈把卡具緩慢下放靠近損傷管道,根據設置的卡具安裝限位標記,把卡具精確安放到指定位置,最后對卡具螺栓預緊,完成卡具的安裝,見圖17。

圖15 吊梁橫架損傷管道上方示意圖

圖16 卡具與吊梁連接示意圖

圖17 管道修復完工示意圖

3.4 密封試驗

由于輸氣管道已經損傷泄漏,卡具安裝在損傷管道上后,已不具備對卡具內腔進行密封壓力測試的條件。因此,在2個卡具全部安裝完成后,關閉放空閥,然后對海管緩慢升壓至生產壓力,利用泄漏到卡具內腔里的天然氣壓力對卡具進行密封測試,升壓完成后,經過24 h觀察無氣泡冒出,經現場業主和第三方確認合格后,管道進行投產運行。最后在管道和卡具下方懸空處墊放沙袋支撐保護。

3.5 施工工期

施工區域屬強潮流海域,每天有效潛水作業時間僅4～7 h,總體作業時間較其他海域稍有增加。表3為某外輸天然氣管道應急修復主要施工工序的工作時間。

4 實施效果

根據本文選取的管道卡具修復方案,以及卡具安裝方法,保障了2個修復卡具一次精確安裝到位,在管道升壓后未發現任何泄漏,在運營2年多的時間里,經受了多次臺風考驗,未發生任何異常。在管道修復2年后更換該損傷區域管道過程中,對回收的卡具和管道進行檢查,卡具和管道均處于完好狀態,未產生二次損傷。

表3 某外輸天然氣管道應急修復主要施工工序的工作時間表

工作內容工期/d開始日期結束日期管道泄漏海床探摸,初步確定漏點位置0.52015-09-092015-09-09管道開挖暴露及施工作業坑處理2.52015-09-092015-09-11泄漏點位置管道水泥配重層清理3.02015-09-112015-09-14損傷情況詳細探摸、尺寸測量及標記0.52015-09-142015-09-14防腐層手動清理2.52015-09-152015-09-17管道橢圓度測量以及卡具安裝限位標記0.52015-09-172015-09-17卡具1安裝2.02015-09-182015-09-19卡具2安裝2.02015-09-202015-09-21管線升壓,觀察卡具密封情況3.02015-09-222015-09-24作業坑拋沙回填,管線及卡具支撐保護2.02015-09-252015-09-26人員設備復員1.02015-09-272015-09-27

5 結論

針對海底管道裂紋損傷的卡具修復方法，在中國海底管道應急修復工程中得到了廣泛應用,并在實踐中積累了豐富的施工經驗,但由于海底管道的特殊性,以及海底管道泄漏損傷的不同復雜程度,在修復方法選擇上存在著較大變化。本文惡劣海況下多漏點大埋深輸氣管道修復的成功實踐,與以往管道修復不同之處如下:

1)根據海底管道多個密集型漏點的分布特點,通過加長卡具訂制,合理布置卡具安裝位置,成功突破卡具外尺寸限制,首次使用1個管卡封堵2個漏點，并獲得成功。

2)制作卡具安裝模擬框架,對卡具密封區域管道防腐層精確清理,大幅減少水下工作量,并通過標記指引卡具安裝就位,有效保障卡具安裝精度,提高密封質量。

3)結合以往卡具支架輔助安裝經驗,根據實際工程特點,提出更加簡易的卡具安裝輔助結構,完全避免了惡劣海況對安全安裝卡具的影響,極大降低施工風險。

本文的惡劣海況下多漏點海底管道應急修復方案的設計和成功實施,進一步完善了海底管道修復技術體系,為以后類似海底管道修復工程提供了新思路。