機械管卡在海底管道維搶修中的應用

任躍龍* 杜應軍 張宏強

（海洋石油工程股份有限公司）

海底管道腐蝕、機械損傷、穿孔泄漏等各種管道損傷層出不窮，據統計每1 000 km 管道每年出現的損傷和泄漏概率為2%[1-2]。機械管卡在海底管道內/外腐蝕、輕微變形、穿孔泄漏等損傷修復工作中具有使用方便、快捷，所用船舶小、費用低等優點，有著不可替代的作用。本文闡述了國產機械管卡（簡稱“管卡”）在海底管道損傷修復中的作用及方法。本文闡述的機械修復方法適用于60 m 以內水深的施工作業，且損傷點附近管道橢圓度及直度滿足卡具安裝要求。圖1 為2 種常用的國產機械管卡。

1 機械管卡修復范圍

國產機械管卡多用于管道泄漏點（包括腐蝕穿孔、機械損傷穿孔等）和缺陷點（包括因腐蝕造成的管壁金屬缺失、軸向或周向凹痕等）的修復工作[3]。機械管卡維修要求管道上安裝管卡段變形應處于管卡精度允許范圍內。

圖1 2種常用的國產機械管卡

2 機械管卡維修方案設計

2.1 設計要求和設計流程

海底管道機械管卡維修方案設計前應明確海底管道基礎數據和施工環境參數。海底管道基礎數據包括管道設計數據、安裝數據和檢測數據；施工環境參數包括施工海域水深、潮流及工程地質條件。圖2為機械管卡維修方案設計流程。

圖2 機械管卡維修方案設計流程

2.2 海底管道缺陷點/漏點維修方案設計

2.2.1 設計基礎

海底管道缺陷點機械管卡的維修方案設計時需要參考以下資料：（1）海底管道基礎數據，包括詳細設計、安裝設計以及管道鋪設完工資料；（2）海底管道鋪設打點記錄；（3）海底管道內檢測數據；（4）海底管道外檢測數據；（5）海底管道路由圖；（6）施工海域環境參數。

根據上述資料來確定管道的相關數據，明確以下施工參數：（1）管道規格參數，如管道類型、外徑、壁厚、材質、水泥配重層及防腐層參數等；（2）管道運行參數，如運行壓力、流量和溫度等；（3）管道鋪設打點記錄信息，如管道鋪設時各焊縫的經緯度坐標；（4）管道內檢測參數，如缺陷點尺寸、位置、腐蝕深度等；（5）管道外檢測參數，如管道實際路由、埋深、懸跨及管道附近的地形地貌等；（6）環境參數，如水深、潮流、涌浪和氣象等。

2.2.2 缺陷點定位

缺陷點定位方法如下：將管道內檢測報告和管道鋪設打點記錄作為基礎資料，內檢測報告中的管道編號應和鋪設打點記錄中的管道編號一一對應，從鋪設打點記錄中查找缺陷點的大地坐標。圖3 為鋪設打點記錄結合內檢測報告推算原理圖。

圖3 鋪設打點記錄結合內檢測報告推算原理圖

2.2.3 泄漏點定位方法

泄漏點定位方法主要包括染色劑觀測法和氮氣觀測法2 種。查找過程中應參考《中華人民共和國海洋環境保護法》和《中華人民共和國海洋石油勘探開發環境保護管理條例》，并根據《海洋工程設計手冊——海上溢油防治分冊》中的相關程序來開展防溢油作業。

（1）染色劑觀測法

作業人員向管道內注入染色劑，然后觀測船沿管道路由查找染色劑溢出位置，初步判定管道泄漏位置，該方法適用于查找輸油管道、混輸管道或輸水管道的泄漏點。

（2）氮氣觀測法

作業人員向管道內注入氮氣，然后觀測船沿管道路由查找氣泡逸出位置，初步判定管道泄漏位置，該方法適用于查找輸氣管道、泄漏點距離平臺較近的輸油或輸水管道。

2.2.4 施工設計

使用機械管卡修復管道損傷時涉及船舶就位、作業坑開挖、涂層清理等工序，需要相應的設備予以支持。圖4 為機械管卡修復施工流程圖。

圖4 機械管卡修復施工流程圖

船舶及主要設備材料選型情況如下：

（1）船舶選型

船舶選型需根據施工海域作業水深，施工季節及海況等條件確定。

a） 基本要求

該船舶類型為起重船，船體長度不小于50 m，船身寬度不小于15 m，可用的甲板面積不小于500 m2，甲板承載力不小于5 t/m2，其吊裝能力不應小于100 t。

b） 錨泊能力要求

定位錨數量不少于6 個，定位錨機能力不小于15 t，定位錨能力不小于3 t，詳細參數應根據船舶穩性分析計算確定。

c） 安全救生設備及消防設備要求

安全救生設備應配備齊全，主要包括救生筏、救生圈、拋繩設備等；消防設備也應配備齊全，主要包括主消防泵、應急消防泵等。

d） 居住艙室要求

居住艙室應可允許居住30 人以上。

（2）主要設備選型

a） 開挖設備

開挖設備主要用于管道挖溝暴露及缺陷點位置作業坑定點開挖。開挖設備采用非接觸式噴沖挖溝機，開挖作業能力不應小于300 m3/h。

b） 高壓水涂層清理設備

高壓水涂層清理設備主要用于缺陷點位置管道表面涂層清理工作（如水泥配重層、3PE 防腐層等），工作壓力不小于1 100 MPa。

c） 超聲波測厚設備

超聲波測厚設備主要用于測量缺陷點位置管道壁厚，確定缺陷點位置及剩余壁厚，超聲波測厚設備的精度為0.01 mm。

d） 試壓設備

試壓設備主要用于管卡內腔試壓，試壓介質為淡水，試壓設備的量程需大于管道運行壓力值，其精度可以達到0.01 MPa。

（3）機械管卡選型

目前國產機械管卡材質多為16Mn；機械管卡防腐級別為FBE-400 μm，永久機械管卡焊接時需要犧牲陽極，確保管卡壽命不小于管道使用壽命；機械管卡磅級應和管道相同；密封橡膠設計壽命應不小于25 年，并具備國家權威機構提供的橡膠老化試驗合格證書；機械管卡尺寸設計值需根據內檢測報告中的缺陷點數量及相對位置確定。

（4）防腐材料選型

水下裸露管段使用高分子防腐材料；防腐材料類型選取應根據缺陷點具體情況及防腐材料特性確定；根據管道外徑、缺陷點及管卡安裝數量來計算防腐材料涂敷量；施工時，應嚴格按照產品說明書進行操作，確保防腐質量。

2.3 機械管卡修復缺陷點程序

2.3.1 缺陷點查找確認

施工船舶缺陷點上方拋錨就位后，開展缺陷點的查找確認工作，主要流程如下：a）使用開挖設備挖溝暴露管道；b）潛水員在開挖溝槽內尋找缺陷點所在管段；c）在缺陷點位置定點開挖作業坑，其尺寸應滿足潛水員施工要求，圖7 為施工作業面開挖尺寸；d）潛水員使用高壓水涂層清理設備清理缺陷點位置管道表面涂層，直至露出光管為止；e）潛水員應采用近距離觀測的方法查找并確認外腐蝕缺陷點位置及缺陷情況，并記錄測量數據；f）潛水員應使用超聲波測厚設備查找確認內腐蝕缺陷點位置及剩余壁厚，并記錄測量數據；g）將實測的缺陷點位置和腐蝕深度等信息與內檢測報告信息進行對比，最終確認缺陷點。

2.3.2 橢圓度及直度測量

潛水員使用橢圓度測量儀對機械管卡密封位置進行橢圓度測量，確保管卡密封部位的管道橢圓度誤差不超過管道外徑的1%。

潛水員使用水平尺對管卡安裝位置進行直度測量。水平尺長度不小于機械管卡總長度，分別在管道圓周方向均勻選取4 個點（如時鐘0 點、3 點、6 點、9 點位置），使用水平尺貼合管道外壁檢查海管直度，管體與水平尺距離不應超過1.5 mm。

2.3.3 機械管卡安裝

卡具安裝步驟如下：a）潛水員在安裝管卡的管段上做限位標記；b）甲板人員為管卡配扣，使管卡處于打開狀態；c）潛水員指揮船舶吊機將管卡調整至管道上方，使其上半部貼合管道上側面，使其端面緊貼限位標記；d）潛水員確認管卡安裝位置正確后，閉合管卡下半部分，并穿上全部螺栓；e）潛水員通過對稱擰緊原則，從中間向兩側擰緊螺栓，先使用棘輪扳手對螺栓進行初步預緊，然后使用加力設備（如液壓扳手、液壓拉伸器等）對螺栓對稱均勻加力，直到管卡閉合后的軸向間隙達到使用說明書中的間隙標準為止。圖5 為螺栓預緊加力順序示意圖。

圖5 螺栓預緊加力順序示意圖

2.3.4 機械管卡試壓

機械管卡安裝完成后，應對其進行壓力試驗，驗證安裝的有效性，具體步驟如下：a）潛水員將試壓軟管連接到機械管卡的試壓孔上；b）甲板人員使用試壓泵向管卡內注水升壓。根據相關標準中的試驗壓力選取標準，結合缺陷情況及管卡設計參數確定試壓壓力，穩壓時間為30 / min；c）在穩壓過程中，根據標準要求，若壓降小于4‰，說明試壓合格；d）試壓合格后，潛水員回收試壓軟管，封堵試壓孔。

2.3.5 防腐處理

機械管卡安裝完成后，需對其兩側的裸露管段進行防腐處理。防腐材料的涂敷步驟如下：a）甲板人員根據使用說明書調制防腐材料；b）潛水員將已調制的防腐材料均勻涂敷在裸露管段上。

2.3.6 機械管卡保護

維修作業完成后，在作業坑內用沙袋填滿管卡的四周，以便保護管卡的安全。管卡保護作業完成后，潛水員進行檢查和潛水錄像，施工作業結束。

2.4 機械管卡修復泄漏點程序

2.4.1 泄漏點查找

（1）染色劑觀測法

使用染色劑觀測法查找泄漏點位置，施工步驟如下：a）作業人員在平臺端向管道內注入染色劑；b）調查船沿著管道路由尋找染色劑在海面上的溢出位置；c）發現溢出位置后，立即根據《海洋工程設計手冊 —— 海上溢油防治分冊》第四章節的溢油污染應急處置程序開展溢油防治工作；d）發現染色劑即可確定管道泄漏的初步位置，施工船舶在該位置拋錨就位；e）施工船舶就位后，使用開挖設備挖溝暴露管道；f）潛水員沿著管道查找染色劑溢出位置；g）潛水員根據染色劑溢出位置判斷疑似泄漏點位置；h）潛水員在疑似漏點位置定點開挖作業坑；i）潛水員清理疑似泄漏點的管道表面涂層，最終確定泄漏點位置。

（2）氮氣觀測法

氮氣觀測法查找泄漏點位置，施工步驟如下：a）作業人員在平臺端向管道內注入氮氣；b）調查船沿著管道路由尋找氣泡逸出位置；c）發現氣泡逸出位置即可確定管道泄漏的初步位置，施工船舶在該位置拋錨就位；d）后續步驟同染色觀則法的步驟e）～步驟i）。

2.4.2 管道試壓

使用機械管卡修復泄漏點的施工步驟與修復缺陷點步驟相同，兩者的不同之處在于管道試壓步驟。管道存在泄漏點，所以機械管卡安裝完成后管卡內腔和管道內部連通。對管線進行整體試壓時時，緩慢分步提升管道內壓力，潛水員檢查管卡狀態，當壓力升高至生產壓力后進行穩壓，穩壓過程中壓降小于4‰，且管卡狀態良好，說明管卡安裝成功。

當管道上存在多處泄漏點時，應將機械管卡全部安裝完成后再對管線進行整體試壓。

3 結論

機械管卡是針對管線內外腐蝕、腐蝕穿孔、外力造成的穿孔泄漏等情況而研制的，能夠對管線進行有效保護，且對施工資源要求較低，大大提高了施工效率，降低了整體工程造價，在海底管道應急修復中的應用將越來越廣泛。