冊鎮海底管道變形缺陷修復技術研究

崔琬婷，丁銀山，段瑞彬，李洪星，王來臻，吳金明

1.中國石油集團工程技術研究有限公司，天津 300451

2.中國石油集團海洋工程有限公司，山東青島 266555

1 工程概況

冊子島-鎮海海底原油管道于2005年6月完成海底鋪設施工，具體結構及設計參數見表1。

表1 海底管道結構及設計參數

在2017年12月冊鎮管道的全線檢測中，發現KP25.4及KP19.7處出現了較為嚴重的變形缺陷，變形量分別達到22%及12%（變形量是指管道變形后外凸和凹陷的變形橫截面積之和占變形前管道橫截面積的百分比），為確保管道運行安全，現擬對冊鎮海底管道兩處變形點進行修復。

2 海域水文氣象情況

該海域是世界三大強潮海灣之一，冬季盛行偏北風且風速大于夏季，風浪較大，因此對海上施工有較大影響。管道沿線理論水深位于0～22 m之間，水深分布不均勻，潮差變化較大，潮流流速較快。海洋水文條件非常復雜，水下能見度為零，每日平均可潛水時間只有2～3 h。

3 海底管道變形情況

圖1為兩處變形點示意圖，其中黑線代表未變形管道內徑輪廓，紅線代表變形檢測數據還原的管道內徑輪廓。

圖1 變形管道示意

變形點1（變形22%）變形處最大曲率半徑為425.5 mm，最小302.5 mm，外凸62 mm。變形位于6點至9點區域（面向油流方向的鐘表時鐘分布），8點區域為變形最嚴重部位。屈曲變形管道圓周方向寬度700 mm，長度約1.2 m。

變形點2（變形12%）變形處外凸最大曲率半徑為414 mm，最小344.5 mm，外凸33 mm。變形位于10點半至12點區域。屈曲變形管道圓周方向寬度500 mm，長度約1.5 m。

4 海底管道缺陷修復技術

海底管道損傷的類型大致可分為穿孔泄漏、變形損傷、裂縫大漏和折斷[1]。根據海底管道破損類型不同，需要采用不同的修復方法，以下分別介紹連接器修復技術、水下焊接修復技術以及卡具修復技術的主要操作程序及技術特點。

4.1 連接器修復技術

根據連接器的類別，連接器修復技術分為機械連接器維修、法蘭連接器維修和機械式三通修復。

（1）機械連接器修復法通過專用設備切割破損管段，再將替換短節用機械連接器（見圖2）與原管道相連接。機械連接器有壓接式和夾套式兩種。這種方法是進行海底管道更換維修的常用方法，適用于任何水深，不需要進行焊接，可降低成本、節約資源。然而，其使用壽命較短，一般不超過15年[1]。

圖2 水下機械接頭

（2）法蘭連接器修復法的操作步驟如下：先將缺陷管段切除，在原管道的兩個切割端各安裝一個內表面帶有凹槽的法蘭連接器（見圖3），然后安裝螺栓并使用工具將其擰緊，使管道外表面嵌入法蘭連接器的凹槽中，管壁發生塑性形變，形成整體密封。法蘭連接器安裝完成后再安裝預先焊接好法蘭的替換短節。這種方法適用于大面積破損的管道維修，選用旋轉法蘭或球形法蘭降低了對法蘭連接器端面與原管軸線垂直度的要求，且費用較低，但會產生因密封不嚴而泄漏的情況[2-4]。

圖3 法蘭連接器

（3）機械式三通修復法通過在水下安裝干式艙，待安裝完成后測量破損管段，將開孔機、機械式三通以及三明治閥安裝到一起，而后降低管道運行壓力并向干式艙內注水，再把機械式三通安裝在管道上。試壓后開孔去除破損管段，將完好的管皮放置在該位置上，再拆除三明治閥和開孔機，安裝法蘭，完成修復工作。該方法適用于渾濁度較大的海域，同時可保證原有管道的整體性，但需要多種設備配合使用，對水下施工空間要求較大[1]。

4.2 水下焊接修復技術

水下焊接修復的主要操作程序：先在水下將破損管段切割并處理管道切口端部，完成替換短節與原管道的對口，再將替換短節與管口進行焊接，最終完成修復工作。水下焊接修復法分為水下濕式焊接法、水下局部干式焊接法、水下干式焊接法。此外，還有水下摩擦疊焊、等離子焊等[5]。

（1）水下濕式焊接法在焊接時，將設備置于水中，電弧僅依靠焊條在焊接過程中產生的氣體形成保護。這種方法的焊接質量較差，可靠性較低。然而隨著焊接技術的不斷發展，現已有水下焊接專用焊條，使得水下濕式焊接質量提升[6]。

（2）水下局部干式焊接法是將待焊部位周圍的水通過人工方法排除，形成局部氣室，焊接將在這個區域內進行，而焊接所需設備及焊工則處于水中。各國采用的水下局部干式焊接方式也各有不同，例如英國、美國采用氣罩式和干點式，日本采用水簾式和鋼刷式，而法國采用的是旋罩式[7]。

（3）水下干式焊接是將焊接區域的水全部排除干凈再進行焊接操作，根據壓力的不同可分為干式高壓焊接和干式常壓焊接。干式高壓焊接對于深海管道的維修有一定優勢。干式常壓焊接是在“干”環境、常壓狀態下的焊接，更適于淺水管道維修。

4.3 卡具修復技術

卡具修復法采用機械嚙合方式，在選定的管道上夾緊并密封缺陷區域，并為管道提供結構加固[8]。冊鎮海底管道修復采用結構型修復卡具（LRF），其主要部件有分瓣式承壓主體、筒夾、夾具法蘭、主體螺栓、密封件和驅動螺栓。當LRF安裝到管道上時，兩瓣承壓主體將管道表面包裹，然后通過主體螺栓連接兩瓣主體，再安裝驅動螺栓。驅動螺栓將同時激活管道卡具和密封件來發揮作用。卡具修復法可以保持管道的完整性，防止發生泄漏，一般適用于穿孔小漏或缺陷點，管卡壽命可達20～25年。

5 冊鎮海底管道維修方案

通過對冊鎮海底管道兩處變形區域的測量，分析其特征數據，同時考慮到管卡有較長的使用壽命，因此決定采用卡具修復法進行管道維修，其中一變形處采用彎折結構管卡，見圖4；另一變形處采用標準直管結構管卡，見圖5。

圖4 彎折結構管卡

圖5 直管結構管卡

5.1 修復流程

結構管卡變形維修主要步驟共有9項，具體作業流程如圖6所示。

圖6 結構管卡維修作業流程

（1）管道變形點測繪。在變形點1的坐標處使用非接觸式挖溝機進行定點開挖，在開挖過程中使用聲吶進行實時監測，直至管道在聲吶圈上全圓周完整暴露。由于該變形點部分配重層已經脫落，潛水員可以在水下確認是否有變形點。若沒有變形點，則沿著管道走向進行吹掃，直至變形點充分暴露。對于變形點2，由于配重層完好，潛水員無法肉眼識別，根據變形點坐標定位的坐標值，在變形點2的坐標附近找到海管后，對坐標點兩側各12 m距離內的3根海管進行開挖，確認疑似變形點。通過檢測公司檢測所得變形點2的位置進行換算，得出變形點坐標，分析磁力信號，得出變形點2與變形點1之間的焊縫數量，確定兩者的相對位置，根據鋪管完工打點記錄確定變形點2鋪管時的坐標。再比對檢測所得變形點2位置的換算坐標和鋪管時坐標，確定疑似變形點坐標。

（2）管道混凝土配重層破拆。根據海底管道變形點測繪將管道充分開挖暴露，按照項目數據記錄中指定的長度清除混凝土配重層。

（3）防腐涂層清理。使用高壓水槍或電動鋼絲砂輪機將管道清潔至規定的光滑裸管長度。管道防腐涂層和其他障礙物必須清理到項目數據記錄規定的距離之外，以便正確安裝。

（4）變形點精確測量。潛水員使用測厚儀、直度測量儀、管道缺陷測量裝置對變形點位置進行測量。為保證測量準確性，由不同的潛水員下水，共測量兩次，并形成最終變形點測量報告。

（5）結構管卡設計。根據變形點測量報告，由管卡制造商進行結構管卡設計。管卡設計方案通過后進行管卡制造。

（6）卡具安裝。完成卡具配扣后，調整好其在海管上的位置，而后合上卡具，并將螺栓緊固。

（7）試壓。結構管卡安裝完成后，對卡具進行水壓試驗，驗證卡具密封的有效性。

（8）腔體注脂。試壓結束后，將油脂泵系統連接到卡具兩端的高壓油脂注入口，以排除夾具內的水。

（9）水下防腐。使用海洋環境防腐材料對裸露管段進行防腐處理。

5.2 管道變形點測量的具體方式

冊鎮海底管道修復項目采用對管道外周進行三維空間打點方法測量，每打一個點，測量軟件會根據傳感器的數據，記錄一個管道外周的相對空間位置，待所要的點都測量完成后，數據處理軟件會根據測得數據繪制出管道外周的三維圖形。

兩處變形點要經過兩次測量，第一次是對裸管進行測量，測量結束后對變形區域及其過渡區纏繞復合材料再進行第二次測量。測量過程通過使用破拆設備與自帶的加裝三維測量用傳感器及配套軟件的傳感器，先對變形量較大位置進行圓周測量，然后沿管道軸向移動，繼續在圓周方向連續旋轉測量，直至完成規定距離的測量。通過對比校驗前后兩次測量的結果，可以驗證測量數據的準確性。

5.3 結構管卡設計具體內容

結構管卡的設計信息見表2。

表2 結構管卡詳細信息

結構管卡各部件為鋼鍛件。防腐層顏色的選擇有助于提高可見度，以便在低能見度或無能見度的條件下進行安裝。可在防腐涂層上設置額外的對比涂層或標記，以便進一步提高安裝可見性。

焊接完成后等待48 h，對每個試件進行100%無損檢測，檢測方式應為X射線檢測或者超聲波檢測。對接焊縫采用磁粉探傷，T型對接焊縫采用超聲波和磁粉探傷。

結構管卡將使用鋁鋅陽極，其尺寸應符合設計壽命（20年）要求。如果管道陰極保護系統能容納夾具陰極保護，則不需在管卡上增加陽極。

5.4 結構管卡安裝具體方法

結構管卡安裝前必須對裸露管道的表面狀況進行驗證，確保管道外部的熔結環氧樹脂清理干凈或裸管外部沒有任何鑿痕或有害缺陷。卡具為分瓣式承壓主體，首先對下瓣部分進行安裝固定。在確認所有內部部件仍在原位且沒有雜物進入卡具內，調整卡具直到管道位于卡具中心，將下瓣部分固定就位。再將上瓣部分與下瓣部分對齊并放置在管道上后，檢查上瓣部分卡具是否干凈，確認管道位于卡具中心。最后將主體螺栓及驅動螺栓插入并緊固。

結構管卡安裝完成后進行水壓試驗，驗證卡具密封的有效性。通過試壓泵向卡具內注水分階段緩慢升壓，試壓壓力值為設計壓力值的1.5倍，穩壓后保壓30 min，壓力變化小于0.3%為合格。

試壓合格后將油脂泵系統連接到卡具一端的高壓油脂注入口，以排除夾具內的水。對管卡另一端重復該操作。

最后一步操作是對裸露的管段進行防腐處理。潛水員到達指定位置，并將已調劑的防腐材料均勻涂敷在裸露管段上，為防止因漏涂而達不到防護效果，潛水員涂抹次數要達到2次以上。

6 結論

（1）海底管道變形缺陷修復有多種方法可供選擇，需根據損傷類型以及受損程度來選用適合的修復技術及時進行有效維修。

（2）對于水下情況復雜且能見度低的情況，卡具修復技術可以對缺陷點進行維修，修復流程較為簡便，可有效解決海底管道運行存在的安全隱患，該項技術可以推廣應用于海底管道維搶修工作中。