相政樂 蔣曉斌 張曉靈 杜寶銀 楊加棟 (中海油能源發(fā)展管道工程公司)

海底保溫管道技術(shù)發(fā)展概況

相政樂 蔣曉斌 張曉靈 杜寶銀 楊加棟 (中海油能源發(fā)展管道工程公司)

結(jié)合國內(nèi)外海底保溫管道的技術(shù)發(fā)展,介紹目前國外最常用的管中管結(jié)構(gòu)、單壁管結(jié)構(gòu)及集束管道結(jié)構(gòu)的技術(shù)及工程應(yīng)用情況。在淺水海域和邊際油田開發(fā)中,單層保溫配重管得到了較好的發(fā)展與應(yīng)用。隨著油氣勘探開發(fā)從淺海走向深海,甚至超深海,國內(nèi)在使用海底保溫管道技術(shù)方面與國外還存在較大的差距,采用濕式保溫的單壁管及集束管將是我國未來深水海底保溫管道技術(shù)的發(fā)展方向。

海底管道 保溫 管中管 聚氨酯 聚丙烯 集束管

1 引言

自1954年美國Brown&Root公司在墨西哥灣氣田鋪設(shè)了世界上第一條長16 km的海底管道以來,在墨西哥灣、北海、地中海、澳大利亞、西非安哥拉海域累計鋪設(shè)了超過10×104km的海底管道[1],鋪設(shè)水深已達2 400 m。我國的海底管道是在近20年發(fā)展起來的,已先后在渤海、東海以及南海累計鋪設(shè)了約2 500 km的海底管道[2]。

海底管道有多種分類方法,按用途可劃分為運輸管道、油田產(chǎn)品輸送測試/生產(chǎn)管道、輸水和化學(xué)制品管道等。按管道橫截面的結(jié)構(gòu)可分為單壁管道、管中管 (pipe-in-pipe)和集束管道 (bundles)。按保溫 (或稱絕熱)方式可分為被動保溫(passive insulation)和主動加熱 (actively heated systems)兩種,而被動保溫根據(jù)所用保溫材料的不同,可分為干式保溫 (dry insulation)、濕式保溫 (wet insulation),以及相變材料保溫等;主動加熱又可分為熱流體加熱和電加熱兩種。

2 管中管結(jié)構(gòu)

管中管結(jié)構(gòu)即鋼質(zhì)內(nèi)管用于輸送油、氣等介質(zhì),鋼質(zhì)外管對絕熱層提供可靠的保護、加重作用,內(nèi)外管之間是保溫 (絕熱)層。

管中管結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是防護可靠性高,能有效地減少內(nèi)管熱變形;缺點是外套鋼管多采用厚壁鋼管,鋼材消耗量大,并且鋼管外表面需進行3層聚乙烯防腐結(jié)構(gòu)處理,防腐的費用也較高。另外,在海上安裝施工時,需對內(nèi)、外鋼管進行焊接, 100%無損探傷,施工量大,鋪管速度慢,效率較低,因而整體工程造價較高[3]。

管中管結(jié)構(gòu)對絕熱材料抗壓強度無特殊要求,常用的絕熱材料包括纖維類材料 (如巖棉、礦渣棉、硅酸鹽纖維等)、氣孔狀又稱空氣層/粉末類材料 (如珍珠巖、氣凝膠等)和多泡型材料 (如聚氨酯泡沫塑料、酚醛泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料等)。

該結(jié)構(gòu)在國外已大量應(yīng)用。國內(nèi)第一條長距離稠油輸送海底管道 (2001年建成投產(chǎn)的綏中36-1油田中心平臺至綏中陸上終端的海底管道)也采用了雙層鋼管保溫結(jié)構(gòu)。此管道全長70 km,內(nèi)管直徑為508.0 mm,外管直徑為660.4 mm[4]。截至目前,雙層鋼管保溫結(jié)構(gòu)管道在國內(nèi)已累計鋪設(shè)了約350 km。

3 單壁管結(jié)構(gòu)

3.1 單層保溫配重管

單層保溫配重管由內(nèi)及外分別為鋼管、防腐層、聚氨酯泡沫保溫層、聚乙烯防護層和混凝土配重層。底層防腐采用熔結(jié)環(huán)氧粉末 (FBE)靜電噴涂,保溫層采用聚乙烯夾克管+澆注聚氨酯發(fā)泡工藝,配重層采用混凝土噴涂工藝。

相對于“管中管”結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)采用混凝土配重層替代外套鋼管,可以節(jié)省約三分之二的鋼材和防腐程序,并減少了鋪管焊接工作量,提高了海上管道鋪設(shè)的速度,降低了管線系統(tǒng)造價,但只適用于淺水區(qū)域。因此,在淺水海域和邊際油田開發(fā)中,單層保溫配重管具有很好的應(yīng)用前景[3]。

國內(nèi)首次應(yīng)用單層保溫配重管是潿洲油田。該油田位于中國南海的北部灣海域,管線全長34 km,平均水深40 m。截至目前,單層保溫配重管在國內(nèi)的應(yīng)用長度已達300 km。

國外應(yīng)用單層保溫配重管技術(shù)開發(fā)海上油氣田的項目主要集中在20世紀(jì)70—80年代[5],應(yīng)用區(qū)域的水深一般不超過40 m,如1982年開發(fā)的位于丹麥北海的Skjold項目,1974開發(fā)的位于爪哇海的Apco Java Sea項目等。

針對傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝效率低、泡沫密度分布不均勻等缺點,丹麥Logstor公司研制出一種采用FBE靜電噴涂+在線噴涂聚氨酯發(fā)泡+在線擠出聚烯烴防水層的生產(chǎn)工藝,相比傳統(tǒng)的聚氨酯澆注發(fā)泡工藝,采用該技術(shù)生產(chǎn)的保溫管優(yōu)點是聚氨酯泡沫保溫層密度分布均勻,保溫效果良好,節(jié)省了穿聚乙烯夾克管和安裝管端防水帽工序。管端部位采用聚乙烯膠黏劑可使高密聚乙烯與防腐層黏結(jié)牢固 (圖1),使得整條管線的安全性得到提高,可應(yīng)用到水深200 m左右的區(qū)域。

圖1 管端結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 聚氨酯復(fù)合涂層體系

聚氨酯復(fù)合涂層體系是將特殊性能的聚氨酯與不同類型的空心微球進行復(fù)合而成,使保溫和防護作用合二為一,從而使海底管道保持整體一致性。根據(jù)填加空心微球的類型不同,聚氨酯復(fù)合涂層體系可分為有機空心聚合物復(fù)合聚氨酯涂層和無機空心玻璃微珠復(fù)合聚氨酯涂層。其主要性能、用途見表1,圖2為聚氨酯復(fù)合涂層示意圖。

表1 聚氨酯系列保溫產(chǎn)品主要性能及其用途

圖2 聚氨酯復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)

該體系技術(shù)的難點在于高性能聚氨酯材料和空心玻璃微珠的研發(fā)。高性能聚氨酯材料要求具有良好的韌性、強度,耐海水浸泡和絕熱性能[6]?？招牟Ａ⒅椴捎脡A石灰硼硅酸鹽,平均粒徑為30～60μm,密度為0.32～0.60 g/cm3,抗壓強度為14～126 MPa,導(dǎo)熱系數(shù)為0.10～0.20 W/(m· K)。用于深水區(qū)域的玻璃微珠復(fù)合聚氨酯原料均為國外公司生產(chǎn),如DOW公司Hyperlast SyntacticDW-512,BASF公司 Elastoshore10010R/ 5000等,空心玻璃微珠多采用 3M公司生產(chǎn)的S32、S35、S38系列產(chǎn)品。

聚氨酯復(fù)合材料具有優(yōu)異的韌性、強度及耐浸泡性能,最外層不需要防水層及防護層,可采用在線旋轉(zhuǎn)澆注或者模制方式進行涂敷預(yù)制;從淺海到深海,對各種直徑的鋼管都適用,而且可采用各種海底管道鋪設(shè)方法進行施工,如卷筒鋪設(shè)法、J型鋪管法、S型鋪管法等。國外多家公司已研制出能適應(yīng)于深水的聚氨酯復(fù)合涂層體系,如加拿大Bredero Shaw公司、瑞典 Trelleborg公司、馬來西亞PPSC公司等。聚氨酯復(fù)合涂層體系已經(jīng)在墨西哥灣、安哥拉海域和其他地區(qū)的海底管道上得到大量應(yīng)用[7]。如 2001年BP公司建成的 Amoco King項目,該項目位于墨西哥灣,水深1 600 m,海底管線長約50 km。

3.3 聚丙烯復(fù)合涂層體系

聚丙烯復(fù)合涂層體系采用多層不同類型的聚丙烯材料 (如聚丙烯、發(fā)泡聚丙烯泡沫、聚丙烯復(fù)合泡沫以及抗紫外線聚丙烯等)復(fù)合而成,具有良好的力學(xué)性能、較低的氧氣和水滲透率及耐老化性能,厚度與層數(shù)可根據(jù)需要調(diào)整。保溫層根據(jù)水深、工況等實際應(yīng)用條件,選擇聚丙烯泡沫或聚丙烯與空心玻璃微珠的復(fù)合泡沫[8]。防護層可根據(jù)不同需求采用聚丙烯或抗紫外線聚丙烯,各層之間采用共聚物黏合劑進行黏結(jié)處理。聚丙烯系列保溫產(chǎn)品主要性能及用途見表2。

表2 聚丙烯系列保溫產(chǎn)品主要性能及其用途

該體系技術(shù)的難點在于高性能聚丙烯樹脂的研究以及聚丙烯發(fā)泡工藝的研究。不同層的聚丙烯其類型各不相同,如聚丙烯泡沫層,要求泡孔分布均勻,具有高融化強度、高抗蠕動、高硬度等性能,為深水管道提供優(yōu)異的保溫性能[9]。外層的聚丙烯則需要良好的抗靜水壓力和柔韌、彎曲性能。圖3為5層聚丙烯復(fù)合涂層體系,圖4為7層聚丙烯復(fù)合涂層體系。

圖3 5層聚丙烯復(fù)合涂層體系1—FBE;2—膠黏劑;3—實心聚丙烯; 4—發(fā)泡聚丙烯;5—外防水層

聚丙烯復(fù)合涂層體系預(yù)制工藝為:底層通過FBE與鋼材基體黏結(jié);里面兩層通過側(cè)擠或壓擠的方式進行涂敷;聚丙烯泡沫層和外面夾克層通過壓擠的方式同時進行涂敷,通過這種方式可以確保管道外徑一致和避免泡沫中含有空氣[10]。

聚丙烯復(fù)合涂層體系具有保溫、質(zhì)輕、抗壓、不可滲透、穩(wěn)定、韌性好、可修復(fù)、經(jīng)濟環(huán)保等特點?？梢詽M足從淺水到深水不同深度和海況下海底管道的防腐保溫要求,可在鋪管船上采用S型、J型及卷筒鋪設(shè)法進行海上安裝。

圖4 7層聚丙烯復(fù)合涂層體系1—FBE;2—膠黏劑;3—實心聚丙烯;4—復(fù)合聚丙烯; 5—阻擋層;6—泡沫聚丙烯;7—外防水層

國外多家公司已研制出能適應(yīng)深水的聚丙烯復(fù)合涂層體系,如加拿大Bredero Shaw公司、瑞典Trelleborg公司、意大利Socotherm公司、馬來西亞PPSC公司等。自1991年以來,聚丙烯復(fù)合涂層體系已經(jīng)在北海、墨西哥灣、南中國海和其他地區(qū)的海底管道上得到應(yīng)用,總長度達到660 km。BP公司的 Thunderhorse油田項目應(yīng)用了7層 PP涂層系統(tǒng)。

4 集束管系統(tǒng)

集束管結(jié)構(gòu)和管中管結(jié)構(gòu)的主要特征是具有同心的內(nèi)管和外管,管內(nèi)流體絕熱,同時外管提供機械保護[11]。

海底集束管系統(tǒng)主要由承載管、護套管、輸油氣管、注水管以及電纜等組成,具有優(yōu)異的保溫性能,能有效避免油氣集輸過程中結(jié)蠟和水合物的生成,可提供高效經(jīng)濟的油氣集輸方案。

海底集束管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致可分為兩種:一種為開放式集束管 (圖5),它將單獨的管 (含電纜)用卡 (夾)具或繩索固定成一體,與普通海底管相比,這種集束管將傳統(tǒng)的多根海底管固定在一起,可防止多根海管之間的相互竄動。開放式集束管制造工藝相對簡單,成本較為低廉。其缺點為輸油、輸氣管直接暴露在海水中,容易遭到破壞,增加污染環(huán)境的風(fēng)險。另一種為封閉式集束管 (圖6),它將多根輸油管、輸氣管、注水管、加熱管和電纜等匯集在一根大口徑的運送管 (承載管)內(nèi),該運送管對內(nèi)置的眾多管子形成有效的機械保護和腐蝕保護。封閉式集束管的制造工藝比較復(fù)雜,在生產(chǎn)過程中需要綜合考慮油氣田的產(chǎn)能和集輸要求。其優(yōu)點是可以有效避免輸油管的泄漏,最大程度減輕對海域的環(huán)境污染。目前,在國外油氣田開發(fā)過程中,封閉式集束管的應(yīng)用較多,技術(shù)發(fā)展也較快[12]。

封閉式集束管又可分為有套袖管和無套袖管兩種結(jié)構(gòu)形式,圖7為封閉式集束管的截面結(jié)構(gòu)圖。前者廣泛應(yīng)用于目前的集束管道工程建設(shè)中,出于保溫防腐的要求考慮,后者應(yīng)用較少。

海底集束管系統(tǒng)在世界上的應(yīng)用歷史已有20多年,應(yīng)用最多的是在北海、墨西哥灣以及西非等海域。1980年,在北海Conoco的Murchison油田上設(shè)計安裝了第一個集束管系統(tǒng)。海上安裝采用控制深度拖管法 (CDTM),承載管外徑323 mm,總長度800 m。隨后,在北海和墨西哥灣以及世界各地設(shè)計和安裝了許多不同尺度的管束系統(tǒng),其復(fù)雜性、總長度和內(nèi)置管 (含電纜)數(shù)量以及水深顯著增長。隨著世界深水油氣田的不斷開發(fā),集束管道技術(shù)也得以廣泛應(yīng)用,迄今為止,世界各地已鋪設(shè)了超過100條的集束管道,最大水深為1 400 m,最大外套管直徑1 270 mm,最長記錄為32 km。

圖7 封閉式集束管

5 結(jié)語

通過以上對海底保溫管道發(fā)展?fàn)顩r的介紹,不難看出,在淺水海域和邊際油田開發(fā)中,單層保溫配重管得到了較好的發(fā)展應(yīng)用。隨著人類對海洋石油資源認知水平的不斷提高,海洋油氣勘探開發(fā)已從淺海走向深海,甚至超深海,深水油氣田開發(fā)已成為世界石油工業(yè)的熱點和科技創(chuàng)新的前沿。我國南海具有豐富的油氣資源和天然氣水合物資源,石油地質(zhì)儲量約為230×108～300×108t,占我國油氣總資源量的三分之一,其中70%蘊藏于深海區(qū)域。而在深水油氣田的開發(fā)領(lǐng)域,國內(nèi)海管涂敷技術(shù)與世界先進水平之間還存在較大的差距,采用濕式保溫的單壁管 (聚氨酯復(fù)合涂層體系、聚丙烯復(fù)合涂層體系)及集束管將是未來我國深水海底保溫管道技術(shù)發(fā)展的方向。

[1]丁新龍,韓雪艷.海底管道混凝土加重技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].石油工程建設(shè),2007,33(4):8-12.

[2]安維杰.海洋石油工程海底管道設(shè)計[M].北京:石油工業(yè)出版社,2007:3-4.

[3]馬良.海底管道建設(shè)中的幾點設(shè)想[J].中國海洋平臺, 2000,15(4):37-40.

[4]李寧.我國海洋石油油氣儲運回顧與展望[J].油氣儲運,2003,22(9):30-32.

[5]曹靜.國外單重保溫管道應(yīng)用介紹[EB].北京:中海石油研究中心.2007.

[6]Lou Watkins,Elmer Hershey.Syntactic foam thermal insulation forultra-deepwater oil and gas pipelines [C].Offshore Technology Conference.Houston,Texas USA,30 April-3 May,2002.

[7]Bart van Belle,Emerson.Advances in high-temperature syntactic foam technology for offshore systems[C]. Offshore Technology Conference.Houston,Texas USA,6-9 May,2002.

[8]Enrico Berti.Syntactic polypropylene coating solution provides thermal insulation for Bonga risers[J].Offshore,2004,64(2).

[9]Allan Boye Hanse,CeciliaRydin.Developmentand qualification of novel thermal insulation systems for deepwater flowlines and risers based on polypropylene[C].Offshore Technology Conference.Houston, Texas USA,6-9 May,2002.

[10] ShiweiWilliam Guan,Nick Gritis,Adam Jackson.Advanced onshore and offshore pipeline coating technologies[C].Pipeline Technology (Integrity) Conference&Expo.Shanghai,China,September 14-17,2005.

[11]宋儒鑫.深水開發(fā)中的海底管道和海洋立管[J].船舶工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟信息,2003,218(6):31-42.

[12]宋儒鑫,王金英.海洋集束管道——油田內(nèi)部輸送的一種精明解決方案[J].中國造船,2003,44(10):105-120.

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.10.015

2009-11-27)