海底管道封堵技術優選與施工

張文欣，陳宏舉

(中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

對于油氣輸送管道，因服役年限增長、早期設計材料或強度等級的不足等因素，對控制閥門的更換及失效管道的更換也越發頻繁[1]。某海上氣田群區域內新增氣量，導致海底管道外輸壓力增加至98.85 bar，平臺側立管段絕緣接頭(包括絕緣接頭)至清管器之間的管線和閥組原設計壓力(88 bar，最高耐壓94 bar)不能滿足要求，需要進行更換。

若進行常規的管線整體降壓置換和試壓需要停產約54天，時間較長不利于現場生產，且停產期間需向下游用戶賠付高額費用(約10740萬元)。為了減少施工時間、降低施工費用，滿足更換管段要求，必須選擇合適的封堵技術進行實施。因此，本文將進行海底管道封堵技術優選研究，確保在施工前完成更換管段內的降壓及可燃氣體置換或排放，并在管段更換后進行試壓，從而滿足更換管段要求。

1 油氣管主要封堵技術

1.1 冷凍封堵技術

管道封堵維修技術中，冷凍封堵技術較為原始并且在我國油氣管道封堵作業中應用較早，該技術的關鍵是選擇性能合適的液體作為封堵劑，注入管道內可以迅速凝結融合，從而達到管道封堵的目的[2-3]。此技術因其施工工藝簡單、安全可靠、成本較低的優點而被廣泛應用，但是封堵壓力低，導致對管徑較大的管道封堵適應性較差，對外部環境要求較為嚴格，而且封堵劑選型也較為特殊。而對于海底管道，大管徑和低環境溫度普遍存在的，因此該技術并不能較好的適用于海底管道封堵。

1.2 帶壓開孔封堵技術

帶壓開孔封堵技術較為成熟常規[4]且廣泛應用于不同類型的管道中，從而具有不同的使用形式。按照封堵機械方式和應用工況的不同可分為懸掛式封堵、筒式封堵、盤式封堵和擋板囊式封堵等。按照運行工況的不同，帶壓開孔封堵技術又可分為不停輸封堵和停輸封堵。不停輸封堵應用較為廣泛[5-7]，可以通過旁通管道、旁通三通、開孔三通和夾板閥的安裝和開孔，搭建臨時輸送管道，保障封堵施工過程中下游管道的正常輸送，然后利用封堵器進行封堵。封堵施工作業完成后先要關閉夾板閥，撤掉封堵器，然后安裝三通塞堵，撤走夾板閥，最后安裝法蘭盲板。對于停輸封堵，則開孔后不搭建旁通臨時管道[2]。帶壓開孔封堵技術會破壞管道的完整性，成為該技術的一個弊端。

1.3 智能封堵技術

智能封堵技術的核心即智能封堵器，這是一種集機電液于一體的遠程控制的定點封堵工具，已成功應用于陸地及海洋油氣管道的維修、閥門更換、立管更換及管道壓力測試等作業中。該技術施工時間短，施工完成后減少故障點并不遺留附加裝置，有效降低了維修成本[3]。現階段國外的管內智能封堵技術較為成熟并形成了技術壟斷并收取高昂費用，如美國T-D-Williamson公司的Smartplug和英國STATS Group 公司的Tecnoplug。經調研，國內對于智能封堵器研制取得了一定進展，如廊坊永春近年研發的智能封堵球，稱為“封堵列車”，處于試研制階段，但暫時無海上施工業績[8]。中國石油大學(北京)油氣管道智能裝備實驗室研制的智能封堵器[9]，在智能封堵器結構[10]，錨定性能[11]和密封性能等方面都取得了創造性進步。崖城13-1氣田海底輸氣管線帶壓回收修復中在對受損海底海底管線進行水下冷切割之前，為保證對高壓天然氣封堵的安全性，使用2套智能封堵球進行封堵，填補了國內管道智能封堵技術應用的空白[12]。

1.4 MEG封堵泄壓技術

本技術為根據此工況設計的新封堵技術。采用該技術時，為實現平臺側立管段絕緣接頭(包括絕緣接頭)至清管器之間的管線和閥組的更換，需采取封堵措施防止上岸管道中的氣體進入施工段。具體實施方法為：管道整體泄壓達到要求后，向立管中通入第一個清管球，以隔離上岸管道中的氣體；隨后注入MEG充滿立管，利用其靜壓頭將清管球穩固在立管底部；再通入第二個清管球，隔離MEG和需更換的管段。但是停產期間，需要向下游用戶賠付較為高昂的費用。

綜上所述，冷凍封堵技術安全性較低，帶壓開孔封堵技術操作復雜，費用高，均不適用；智能封堵技術和MEG封堵泄壓技術可行，需進一步研究，確定最優的封堵技術。

2 封堵技術優選

根據對比分析，需對智能封堵技術和MEG封堵泄壓技術進行詳細評估分析，從而優選出最適合此工況的封堵技術。

2.1 智能封堵技術

采用智能封堵器(smart plug)實現局部降壓置換和試壓，從清管器進入，通過無線控制到達預訂封堵位置，通過液壓裝置，使密封圈膨脹，完成封堵，然后泄放需更換管段的氣體，更換平臺側立管段至清管器之間的管線，待更換完成后，對新管段進行試壓，隨后可退至清管器完成回收。根據廠家計算，施工工期約11天(封堵1天)，考慮天氣影響，總施工時間15天。根據多廠家報價，費用在100萬至200萬美金。由于該管道較長，封堵后利用其儲氣能力，還可維持一段時間向下游供氣，減少賠付費用。

2.2 MEG封堵泄壓技術

為實現平臺側立管段絕緣接頭(包括絕緣接頭)至清管器之間的管線和閥組的更換，需采取封堵措施防止上岸管道中的氣體進入施工段。具體實施方法為：管道整體泄壓達到要求后，如圖1所示，向立管中通入第一個清管球，以隔離上岸管道中的氣體；隨后注入MEG充滿立管，利用其靜壓頭(立管高度117.7 m)將清管球穩固在立管底部；再通入第二個清管球，隔離MEG和需更換的管段。試壓時，需在絕緣法蘭加盲板，只試壓盲板之上管段。

圖1 MEG封堵施工示意圖Fig.1 MEG plugging construction sketch

2.3 詳細評估分析

管道泄壓分為以下兩個階段：

對于智能封堵技術和MEG封堵泄壓技術，泄壓第一階段為海底管道關斷后泄壓至管道終端控制氣量后停止。

對于MEG封堵泄壓計算，泄壓第二階段為泄壓至終端進站氣量降至外輸壓縮機最小氣量后，手動打開終端段塞流捕集器后的壓力調節閥PCV1020，將海管內剩余氣體泄放至火炬燃燒從而與立管中的MEG靜壓平衡以穩固清管球，再將管內氣量泄放至火炬。

泄壓完成后，向立管中通入清管球并注入MEG進行封堵，再進行平臺側立管段絕緣接頭(包括絕緣接頭)至清管器之間的管線和閥組的更換。

綜合考慮年輸量和管道出口壓縮機入口最小處理氣量，選取30×108m3/a(351743 m3/h)，25×108m3/a(297619 m3/h)，115000 m3/h作為管道終端控制氣量。

表1 泄壓計算結果Table 1 Vent calculation results

因此，智能封堵期間，可至少向下游維持供氣16 h。與智能封堵相比，MEG封堵時間多52 h(封堵泄壓共40+36=76 h，智能封堵技術的封堵時長為24 h)。智能封堵技術與MEG封堵泄壓技術的優缺點對比如表2所示。

通過以上對四個技術的對比分析，冷凍封堵技術和帶壓開孔封堵技術不適用于實際工況，對比智能封堵技術和MEG封堵泄壓技術，前者成熟度高，可以縮短施工時間、節省投資。經過評估篩選，確定智能封堵技術為最優封堵技術。

目前智能封堵技術較為成熟的國外公司，外方服務費用約100萬美金，且具備一定的國內海底管道施工經驗。

表2 智能封堵技術與MEG封堵泄壓技術對比Table 2 Comparison of intelligent plugging technology and MEG plugging vent technology

3 確定施工方案

智能封堵器主要由信號接收器、液壓系統、彈簧支撐輪、承壓頭、密封圈、承壓斜塊、鎖定錨爪和執行法蘭等組成[2]。智能封堵的具體封堵作業流程和施工工期如表3所示。

圖2 智能封堵球Fig.2 Intelligent plugging device

表3 智能封堵施工工期Fig.3 Intelligent plugging construction period

注：停產約11 d(考慮天氣影響，總施工時間15 d。

在施工期間還可向下游維持351743 m3/h的氣量穩定供氣16 h，供氣量約為4883741 m3。采用國外公司的Tecnoplug進行智能封堵，費用約為100萬美金。通過采用智能封堵技術，施工時間縮短至僅15天，向下游用戶賠付費用也大大降低，再扣除節省的穩定供氣16 h的賠付費用，總投資相比整體降壓置換，降低費用約70%。

4 結 論

本文對國內外海底管道應用的封堵技術進行了優選研究和施工方案設計，尤其是充分了解了智能封堵技術的原理與流程，以及不同廠家在國內外的應用現狀，對于智能封堵技術在海底管道的應用與推廣，具有深遠意義。此外，創新性提出的MEG封堵泄壓技術，雖然在經濟性方面略遜于智能封堵技術，但開拓了海底管道封堵技術的新思路，在今后的其他短距離海底管道上或許更為適用，需要通過更多的項目進行對比和驗證，來不斷完善這項新技術，并進行合理推廣。