深水海管無潛機械連接維修技術

柳宇， 曲有杰， 黃海濱， 楊盛， 陳俊友

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳518067）

0 引 言

2005年，美國墨西哥灣在卡特里娜颶風影響下發生102起油氣管線損壞事件。2006年，英國BP公司在美國阿拉斯加的油氣管道泄漏事件為當地帶來了嚴重的災難損失[1]。隨著我國海洋石油開發逐漸挺進深水，深水海管鋪設長度不斷增加，管道破損泄漏的概率將逐漸增大，如何保障油氣管道安全輸送，是深水管道維修技術需要解決的問題。因此，需盡快開展深水海管維修技術研究，為我國深水油氣田開發保駕護航。

1 深水海管損壞類型及維修方式

根據海管的損傷程度、受損點所處位置及受損點周邊海床環境，可將海管損傷分為以下幾種：小泄漏、靠近鋼懸鏈立管的大泄漏、靠近管交叉處的大泄漏、大泄漏（海床斜坡角大于5°處發生管線大損壞）、短彎曲變形、長彎曲變形等。綜合考慮海管維修系統的能力、作業支持資源能力（例如船舶、吊機、潛水資源及水下機器人（ROV））等受限因素，表1列出海底管線可能出現的損壞類型及可供選擇的維修方式[2-3]。

目前國際上針對深水海管維修多采用海底維修模式，海底維修模式可根據海管受損程度分為夾具維修和管段更換維修，通常夾具維修用于管道小泄漏維修，管段更換維修用于海管大泄漏維修。管段更換維修包括以下兩種：1）海管機械連接維修，即利用機械連接器對海管破損段進行整體更換回接的維修方法；2）海管水下焊接維修，即采用水下焊接技術進行海管破損段更換焊接維修，這兩種維修方式中，海管機械連接維修有較多的工程應用實例。對于海管機械連接維修可根據水深及是否有潛水資源參與可分為有潛機械連接維修和無潛機械連接維修。在深水海管維修中由于潛水資源無法參與，故只能采用無潛機械連接維修。根據更換的管段的端口面與海床是否垂直，無潛機械連接維修可分為垂向跨接管回接維修和水平膨脹彎回接維修[1]。

表1 海管損壞類型和可選維修方式

2 垂向跨接管回接維修

垂向跨接管回接由英國BP公司研發，是最早的深水海管維修技術，技術方案主要涉及垂向跨接管、彎轂組塊、彎轂管、導向架、龍門吊架、提管架等設施，如圖1所示。該技術主要特點是通過垂向跨界管進行連接，最終完成海管回接，該技術可適用于管徑16～28 in海管的維修，但存在海上施工周期長、垂向跨接管的穩性容易受自然環境影響、相對壽命較短等缺點。如圖2所示，垂向跨接管回接維修作業程序[4]如下：

1)檢查漏點，并進行海管隔離和清管；2）下放提管架至管段漏點兩側，操作提管架將管道提離海床；3）在預切管段上系上回收索具，便于切管后回收破損管段；4）切除破損管段，并回收至海上；5）下放導向架至切管終端；6）下放彎轂組塊及龍門吊架至海底就位；7）將彎轂管水平機械連接器連接至切管終端；8）將彎轂管鎖緊在彎轂組塊上，之后回收龍門吊架和提管架至海上；9）在海管另一側切管終端重復上述步驟5）～8）；10）進行垂向跨接管測量、建造和安裝。

圖1 垂向跨接管回接

圖2 垂向跨接管回接作業

3 水平膨脹彎回接維修

水平膨脹彎回接維修可根據膨脹彎與海管的連接接頭形式分為以下3類：1）水下膨脹彎+螺栓夾具回接；2）水下膨脹彎+雙向密封接頭回接；3）水下法蘭回接。下文將就這3類情況分別進行介紹。

3.1 水下膨脹彎+螺栓夾具回接技術

水下膨脹彎+螺栓夾具回接技術由英國BP公司研發，技術方案主要涉及膨脹彎、螺栓夾具（如圖3）、提管架等設施（如圖4）。該技術可適用管徑10～24 in海管維修，不適用于大管徑和超長膨脹彎水下回接[1,5]。如圖5所示，垂向跨接管回接作業程序：

1)檢查漏點，并進行海管隔離和清管；2）下放提管架至管段漏點兩側，操作提管架將海管提離海床；3）在預切管段上系上回收索具，切除破損管段，并回收至海上；4）ROV在切管端口進行封堵，對管道端口面進行處理并進行膨脹彎測量；5）完成膨脹彎預制，重新調整提管架位置，下放膨脹彎和螺栓夾具就位；6）啟動螺栓夾具緊固螺栓，完成膨脹彎兩側螺栓夾具安裝；7）下放海管和膨脹彎至海底就位，并回收提管架。

圖3 膨脹彎螺栓夾具

圖4 膨脹彎+螺栓夾具回接

圖5 膨脹彎+螺栓夾具回接作業

3.2 水下膨脹彎+雙向密封接頭回接技術

3.2.1 水下膨脹彎+雙向密封接頭（預裝）回接

水下膨脹彎+雙向密封接頭（預裝）由Oil States公司研發，是垂向跨接管回接技術的升級版本，技術方案主要涉及膨脹彎、雙向密封接頭（如圖6）、對管架、提管架等設施（如圖7）。該技術主要特點是膨脹彎通過2個預裝在膨脹彎兩端的雙向密封接頭，來完成與海管的回接作業，該技術方案操作相對簡單，海上施工周期較短，該技術可適用于管徑6～20 in海管的維修，但存在雙向密封接頭質量較大的問題，預安裝在膨脹彎上時受自重影響會造成膨脹彎兩端承受較大的力，不利于膨脹彎吊裝下放，故不適用于大管徑海管回接[5]。

圖6 雙向密封接頭

圖7 膨脹彎+雙向密封接頭（預裝）回接

3.2.2 水下膨脹彎+雙向密封接頭（后裝）回接

為了滿足大管徑海管回接需求，Oil States公司提出了水下膨脹彎+雙向密封接頭（后裝）方案，該技術主要特點是將雙向密封接頭設置在接頭安裝框架的接頭安裝模塊上（如圖8、圖9），與膨脹彎管段分開安裝，在進行海管回接時，可將膨脹彎管段先下放至海底安裝位置就位，然后利用提管架、接頭安裝框架配合分別完成雙向密封接頭在回接點海管側和膨脹彎側的連接，該技術方案可適用于管徑最大達48 in的海管維修，并適用于超長膨脹彎水下回接，但該方案對膨脹彎海床就位安裝誤差要求較高。如圖10所示，水下膨脹彎+雙向密封接頭（后裝）回接作業程序如下：

圖8 接頭安裝模塊

圖9 接頭安裝框架

圖10 膨脹彎+雙向接頭（后裝）回接作業

1)下放膨脹彎至海底安裝區就位；2） 在海管和膨脹彎回接點#1 兩側分別下放提管架就位，然后下放接頭安裝框架至回接點#1就位；3） 操 作 回 接點#1 海管側提管架和接頭安裝框架海管側的抱管爪，將海管提離海床，然后啟動接頭安裝框架的接頭安裝模塊，將雙向密封接頭裝入回接點#1海管側；4）操作回接點#1膨脹彎側提管架和接頭安裝框架膨脹彎側的抱管爪，將膨脹彎提離海床，然后啟動接頭安裝框架的接頭安裝模塊，將雙向密封接頭裝入回接點#1膨脹彎側；5）待雙向密封接頭完成回接點#1海管側和膨脹彎側安裝后，操作回接點#1海管側提管架、膨脹彎側提管架和接頭安裝框架的抱管爪，將回接點#1及雙向密封接頭下放至海床；6）將提管架和接頭安裝框架挪位至回接點#2側就位，重復上述步驟3）～5），直至完成回接點#2雙向密封接頭安裝，并順利下放至海床；7）完成膨脹彎回接，回收提管架和接頭安裝框架至海上。

3.3 水下法蘭回接技術

水下法蘭回接是深水海管機械連接回接技術的重要形式，國外對于水下回接技術的研究已經非常深入，以美國Sonsub公司為代表的國外公司已具備非常專業的水下法蘭回接作業能力和裝備（如圖11）。該技術的特點是更換的膨脹彎通過水下法蘭與海管進行連接，操作相對簡單，海上施工周期短，該技術可適用于最大管徑為24 in的海管維修，海管維修成本相對更經濟，應用較為廣泛。以下以Sonsub公司水下BRUTUS系統為例，說明水下法蘭回接作業程序[6]：

1)在海管和膨脹彎回接點#1兩側分別下放提管架就位，然后啟動提管架，將回接點#1兩側的海管和膨脹彎分別提起，進行回接點#1法蘭的粗對接；2）下放管道接應工具和軸線對準工具至回接點#1兩側就位，然后通過管道接應工具和軸線對準工具進行法蘭對孔和拉近；3）啟動螺栓庫和螺母庫進行螺栓安裝和拉伸，然后回收管道接應工具和軸線對準工具；4）操作提管架將#1兩側海管和膨脹彎下放至海床；5）將提管架、管道接應工具和軸線對準工具挪位至回接點#2，重復上述步驟2）～4）直至完成回接點#2回接作業，并順利下放至海床；6）回收提管架至海上。

4 結 語

深水海管無潛機械連接技術是深水海管維修技術中最為成熟的維修方法，該技術作業過程中受外界環境因素的影響較小，可適用于各種復雜的海底環境，因而研究深水海管無潛機械連接維修技術對于保障我國深水油氣管道安全運營有著十分重要的意義，但無潛機械連接技術的成功實施離不開一系列的深水海管應急維修系統和裝備的配合（如提管架、對管架、海管密封接頭、海管法蘭組對及螺栓安裝裝置等），我國在深海無潛機械連接回接技術和裝備方面目前才處于起步階段，與國外存在較大的差距，應加強深水海管水下維修相關裝備與技術的研發，以推進我國深水海管維修能力的提升。