龐樹(shù)民，唐建華，王 琳，曲 杰

（1.中海石油技術(shù)檢測(cè)有限公司，天津 300452；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程分公司，天津 300452；3.中國(guó)船級(jí)社海工審圖中心，天津 300384）

海底復(fù)合軟管新型接頭

龐樹(shù)民1，唐建華2，王 琳3，曲 杰2

（1.中海石油技術(shù)檢測(cè)有限公司，天津 300452；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程分公司，天津 300452；3.中國(guó)船級(jí)社海工審圖中心，天津 300384）

傳統(tǒng)的復(fù)合軟管內(nèi)脹外扣接頭型式在較大口徑、較高壓力的情況下，其連接強(qiáng)度明顯不足；扣壓過(guò)程中容易對(duì)接頭和軟管本身造成一定的損傷，需要對(duì)接頭金屬進(jìn)行冷變形加工，這對(duì)接頭金屬的強(qiáng)度、硬度、延展性等提出了較高的要求，嚴(yán)重限制了金屬材料的選擇。這就要求設(shè)計(jì)一種新型軟管接頭。文章介紹了新型注膠接頭的結(jié)構(gòu)和靜壓爆破試驗(yàn)結(jié)果，表明該接頭型式滿足壓力、密封性、防腐性和可靠性等各方面的要求。

海底管道；復(fù)合軟管；注膠接頭；防腐性能；密封性能

0 引言

在海洋石油開(kāi)采工程中，海底管道將海上油氣田、儲(chǔ)油設(shè)施或陸上終端連接成一個(gè)有機(jī)的整體，使海上生產(chǎn)設(shè)施的各個(gè)環(huán)節(jié)通過(guò)管道形成相互關(guān)聯(lián)、相互協(xié)調(diào)作業(yè)的生產(chǎn)操作系統(tǒng)。

隨著海上油氣田的不斷開(kāi)發(fā)，管道輸送工藝已被廣泛應(yīng)用于海洋石油工業(yè)。全世界已經(jīng)有超過(guò)175 000 km的海底管道，這個(gè)長(zhǎng)度相當(dāng)于地球周長(zhǎng)的4.4倍，墨西哥灣最深的海底管道的工作深度達(dá)到了2 743 m，挪威最長(zhǎng)的海底管道長(zhǎng)度達(dá)到了120 km[1]。

隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，軟管技術(shù)發(fā)展迅速，軟管在動(dòng)力性能、地形適應(yīng)性、抗腐蝕、安裝等方面的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，越來(lái)越多的油田開(kāi)發(fā)采用軟管來(lái)代替鋼管。

復(fù)合軟管是由鋼材及塑料組成的復(fù)合管，主要用于海底的原油或天然氣輸送。根據(jù)不同的外部環(huán)境 （耐壓）、所需輸送的流體特性 （耐腐蝕）和輸送條件 （耐溫），可選擇不同的管材層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料[2]。

軟管的應(yīng)用首先面臨的問(wèn)題是如何將軟管與平臺(tái)連接，因而需要設(shè)計(jì)新型軟管接頭，在保證強(qiáng)度和密封性的前提下，軟管的復(fù)合材質(zhì)采用通常的金屬材質(zhì)，便于安裝法蘭或進(jìn)行焊接等操作。

1 復(fù)合軟管接頭的新型式

1.1 現(xiàn)有復(fù)合軟管接頭的問(wèn)題

（1）傳統(tǒng)的扣壓方式依靠接頭金屬的冷變形，擠壓復(fù)合軟管的包覆層和內(nèi)襯層，通過(guò)復(fù)合軟管的形變滿足連接強(qiáng)度要求。當(dāng)口徑和壓力增大時(shí)，為了獲得更大的連接強(qiáng)度，需要相應(yīng)加大扣壓量，導(dǎo)致接頭金屬內(nèi)部容易產(chǎn)生裂紋等損傷；同時(shí)復(fù)合軟管的包覆層與內(nèi)襯層產(chǎn)生破壞，給復(fù)合軟管后期使用埋下安全隱患。而且當(dāng)輸送壓力和復(fù)合軟管口徑達(dá)到一定程度時(shí)，將超出扣壓接頭的能力范圍，加大扣壓量已不能滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）傳統(tǒng)的扣壓方式接頭密封性是通過(guò)扣壓過(guò)程中復(fù)合軟管的彈性形變使接頭與復(fù)合軟管緊密接觸，產(chǎn)生密封效果，但這種密封結(jié)構(gòu)的密封效果十分有限，無(wú)法滿足高壓輸送要求，而且在管道長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，復(fù)合軟管的壓縮量無(wú)法得到后續(xù)補(bǔ)充。隨著時(shí)間推移，該結(jié)構(gòu)的密封性會(huì)越來(lái)越差，以致產(chǎn)生嚴(yán)重后果，造成重大的人員、財(cái)產(chǎn)和生態(tài)損失。

（3）在傳統(tǒng)的扣壓方式中，接頭金屬需要較大的塑性變形，這對(duì)接頭金屬的強(qiáng)度、硬度、延展性等有較高的要求，限制了金屬材料的選擇范圍，導(dǎo)致大量防腐性能較好的合金材料無(wú)法應(yīng)用?？蹓航宇^往往需要實(shí)施額外的防腐措施，增加了施工難度和管道的后期維護(hù)費(fèi)用，也增加了管道的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

（4）傳統(tǒng)的扣壓接頭的內(nèi)脹塊需提前置入，其尺寸需稍小于復(fù)合軟管內(nèi)徑，但是無(wú)論如何優(yōu)化仍或多或少存在縮徑現(xiàn)象，給管道的輸送量造成影響，也給通球掃線帶來(lái)一定的困難。

鑒于以上原因，需要設(shè)計(jì)一種新的接頭方式，既可以獲得較高的連接強(qiáng)度，又能保證密封性，同時(shí)在防腐、通球等日常運(yùn)行維護(hù)方面更加方便。

1.2 新型注膠接頭結(jié)構(gòu)方案 （見(jiàn)圖1）

1.2.1 新型接頭的強(qiáng)度和可靠性

通過(guò)焊接將注膠接頭直接與復(fù)合軟管金屬承拉層連接在一起，使二者之間具有較高的連接強(qiáng)度；向注膠接頭空腔內(nèi)注入大量的環(huán)氧樹(shù)脂，通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂的固化，使注膠接頭與復(fù)合軟管組成一個(gè)整體，為注膠接頭提供足夠的連接強(qiáng)度。在這個(gè)過(guò)程中不需要像傳統(tǒng)的扣壓接頭那樣進(jìn)行冷變形操作，可避免接頭產(chǎn)生塑性變性和裂紋；另外也不需要扣壓操作，避免了復(fù)合軟管的內(nèi)襯管和包覆層形變。這就保證了復(fù)合軟管和接頭的完整性，顯著提高了總體可靠性。

1.2.2 新型接頭的密封性

在接頭前端設(shè)計(jì)環(huán)形空腔，在空腔內(nèi)放入Y型密封圈，通過(guò)擰緊高強(qiáng)度螺栓，使Y型密封圈產(chǎn)生初始變形，具有初始密封效果；當(dāng)復(fù)合軟管內(nèi)部充滿高壓輸送介質(zhì)時(shí)，高壓介質(zhì)就會(huì)進(jìn)一步壓縮Y型密封圈，使密封效果得到進(jìn)一步提高，且輸送介質(zhì)壓力越高，Y型密封圈的密封效果越好。通過(guò)選擇合適的Y型密封圈制作材料，其承受的最大密封壓力可達(dá)100 MPa以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前中國(guó)石油行業(yè)涉及的最大壓力。

1.2.3 新型接頭的防腐性

注膠接頭在安裝過(guò)程中無(wú)扣壓方式，只涉及到焊接這種常規(guī)方式，這將大大拓寬材料的選擇范圍?？梢愿鶕?jù)輸送介質(zhì)的成分、溫度和所處海域的海況等綜合考慮，通過(guò)選擇不同的防腐材料，使接頭自身滿足不同的防腐要求，避免了安裝陽(yáng)極等額外的防腐工作量，降低了施工費(fèi)用、施工風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.4 新型接頭的其他優(yōu)點(diǎn)

新型接頭沒(méi)有內(nèi)脹過(guò)程，可以使接頭內(nèi)徑和復(fù)合軟管內(nèi)徑設(shè)計(jì)制作得完全相同，這不但避免了接頭縮徑對(duì)整條管道輸送量的影響，而且方便了日后的通球清掃工作，避免了因縮徑產(chǎn)生卡球現(xiàn)象。

同時(shí)，新型接頭在設(shè)計(jì)上可以預(yù)留很大的空腔，方便日后設(shè)計(jì)安裝排氣閥、通電裝置、監(jiān)測(cè)裝置等，而且這些裝置都可以安裝在接頭外套內(nèi)部，避免施工過(guò)程對(duì)它們?cè)斐蓳p壞。

2 注膠接頭試驗(yàn)

2.1 注膠接頭靜壓試驗(yàn)

截取一段復(fù)合軟管，兩端安裝上新型注膠接頭，根據(jù)API 17B-2002“Recommended Practice for Flexible Pipe”要求，通過(guò)高壓水泵向軟管中緩慢注水加壓，當(dāng)壓力大于設(shè)計(jì)壓力的1.3倍時(shí)關(guān)閉接頭兩端的閥門(mén)，通過(guò)壓力傳感器記錄24 h內(nèi)軟管內(nèi)部壓力變化情況，以此驗(yàn)證新型接頭密封性能[3-4]。

2.1.1 測(cè)試方案

（1）試件兩端用接頭封堵，將其中一端連接閥門(mén)，再接高壓注水管道，另一端接上閥門(mén)及壓力表。

（2）將試件平置在支架上，試件兩端允許自由伸長(zhǎng)，測(cè)量并記錄下打壓前試件的長(zhǎng)度，用π尺測(cè)量打壓前試件兩端及試件中段處的外徑，標(biāo)記測(cè)量點(diǎn)的位置。

（3）安裝壓力表，并用管道連接試件與加壓泵，如圖2所示。

（4）打開(kāi)放氣閥門(mén)放氣，同時(shí)向管內(nèi)注水，直到有水冒出，并排放約10 min，保證軟管內(nèi)的氣體全部排凈，以避免保壓時(shí)由于氣體存在引起的壓力不穩(wěn)。

（5）關(guān)閉放氣閥門(mén)，對(duì)試件內(nèi)部進(jìn)行打壓，隨著壓力的升高，觀察設(shè)備和軟管有無(wú)泄漏。逐步加壓到32 MPa以上 （≥設(shè)計(jì)壓力×1.3）。

（6）保持壓力穩(wěn)定，根據(jù)API 17B規(guī)范，穩(wěn)壓持續(xù)期至少24 h。

（7）對(duì)壓力表24 h內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，檢查試樣是否有漏水、鼓包現(xiàn)象，測(cè)量并記錄打壓后試件的長(zhǎng)度以及試件兩端和中段打壓后的外徑。

（8）測(cè)試結(jié)束后開(kāi)始泄壓，泄壓從打壓泵端開(kāi)始，泄壓要緩慢進(jìn)行，否則容易引起軟管的變形。

（9）泄壓后測(cè)量并記錄打壓后試件的長(zhǎng)度、兩端及中段打壓后的外徑。

2.1.2 測(cè)試結(jié)果

圖3為2010年10月8日至10日的試驗(yàn)曲線。D 152 mm （6 in）22 MPa復(fù)合軟管安裝新型接頭后在32MPa（≥設(shè)計(jì)壓力×1.3）壓力條件下維持24h，壓力下降0.6 MPa，壓降為1.89%，小于閥門(mén)關(guān)閉前壓力的4%；伸長(zhǎng)16.1 mm，伸長(zhǎng)率為1.20%。復(fù)合軟管無(wú)破壞、無(wú)泄漏，接頭無(wú)變形和損壞，滿足API規(guī)范要求，證明新型接頭密封性能良好。

2.2 爆破試驗(yàn)

截取一段復(fù)合軟管，兩端安裝上新型注膠接頭，通過(guò)高壓水泵向軟管不停地注水加壓，直到軟管破壞為止，根據(jù)API規(guī)范要求，軟管的破壞壓力應(yīng)大于設(shè)計(jì)壓力的3倍，以此驗(yàn)證復(fù)合軟管及接頭的強(qiáng)度[3-4]。

2.2.1 試驗(yàn)過(guò)程

（1）測(cè)量試驗(yàn)用管的內(nèi)徑、外徑、長(zhǎng)度等參數(shù)，用焊接好的接頭完成扣壓。

（2）通過(guò)三通和轉(zhuǎn)換接頭連接壓力表和閥門(mén)，并用管道將試件與加壓泵連接。

（3）將試件放置在挖好的溝槽中，測(cè)量并記錄打壓前試件的長(zhǎng)度。用π尺測(cè)量打壓前試件兩端及試件中段處的外徑，標(biāo)記測(cè)量點(diǎn)的位置，如圖4所示。

（4）打開(kāi)放氣閥門(mén)放氣，同時(shí)向管內(nèi)注水，直到有水冒出，并排放約10min，排凈軟管內(nèi)的氣體。

（5）關(guān)閉放氣閥門(mén)，對(duì)試件內(nèi)部進(jìn)行打壓，隨著壓力的升高，觀察設(shè)備和軟管有無(wú)泄漏。逐步緩慢加壓，直到試件破壞為止。結(jié)束打壓，記錄試件破壞時(shí)壓力表的讀數(shù)。

（6）測(cè)量并記錄試件的長(zhǎng)度以及試件兩端和中段處的外徑。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

表1為爆破試驗(yàn)壓力數(shù)據(jù)，圖5為壓力隨時(shí)間的變化曲線。

表1 爆破試驗(yàn)壓力數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果表明，D 152 mm復(fù)合軟管注膠接頭爆破壓力均達(dá)到66 MPa以上，而且都是軟管本體發(fā)生爆破，接頭完好無(wú)損，證明新型注膠接頭強(qiáng)度性能良好，超過(guò)軟管本體，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 存在的問(wèn)題及解決方案

（1）金屬增強(qiáng)層通過(guò)焊接的方式與接頭連接，為了使金屬增強(qiáng)層的每根扁鋼都能起到很好的連接作用，需要使每根扁鋼獨(dú)立與接頭連接，這就要求接頭空腔有較大的空間；另外，為提供足夠的強(qiáng)度，需要有足夠厚度的環(huán)氧樹(shù)脂，這也需要接頭空腔有足夠大的體積。這些都造成新型注膠接頭體積過(guò)大，給新型接頭的生產(chǎn)上盤(pán)、安裝鋪設(shè)造成了一定的困難。

（2）在新型接頭的制作過(guò)程中需要安裝的部件較多，而且這些部件無(wú)法提前組裝；許多根扁鋼都要和接頭進(jìn)行獨(dú)立焊接；接頭內(nèi)部的環(huán)氧樹(shù)脂還需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的固化。這些都造成了新型接頭制作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，一旦在海上施工過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，將嚴(yán)重影響施工工期，產(chǎn)生大量額外費(fèi)用。

（3）該新型接頭應(yīng)用于柔性立管時(shí)，與復(fù)合軟管接觸的根部容易產(chǎn)生過(guò)度的彎曲，需要增加抗彎裝置才能作為柔性立管接頭應(yīng)用。

[1]周俊.深水海底管道S型鋪管形態(tài)及施工工藝研究 [D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[2]APISPEC 17J-2002，Specification for Unbonded Flexible Pipe[S].

[3]ISO/DIS 13628-2-2004，F(xiàn)lexible Pipe Systems for Subsea and Marine Application[S].

[4]API RP 17B-2002，Recommended Practice for Flexible Pipe[S].

[5]DNV-OS-F101-2002，Submarine Pipeline Systems[S].

New Type Joint of Subsea Flexible Pipes

PANG Shu-min（CNOOC Technology Inspection Co.， Ltd.， Tianjin 300452， China），TANG Jian-hua，WANG Lin，et al.

It shows that the connection strength of a traditional internal expanding and external buckling joint is obviously insufficient to larger caliber pipe and at higher pressure.The joint and flexible pipe themselves get certain damage in the process of buckling,so it needs to process joint metal with the cold deformation approach,which demands higher intensity,hardness and ductility of the metal,and seriously limits the metal material selection.It not only increases the production cost of the joints,but also brings new problems to anticorrosion of the joints.So it needs to design a new type of joint.This paper introduces the structure ofa new glue injected joint and its static pressure blasting test,and shows that this type joint meets the requirement for pressure,sealing,anticorrosion and reliability,etc.

subsea pipeline;composite flexible pipe;glue injected joint;anticorrosion performance;seal performance

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.04.005

龐樹(shù)民 （1961-），男，天津人，高級(jí)工程師，1982年畢業(yè)于吉林工業(yè)大學(xué)工程機(jī)械專業(yè)，從事海洋石油管道設(shè)計(jì)工作。

2011-08-21；

2012-04-24