易滌非，李挺前，尹彥坤

（湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東湛江524057）

國產(chǎn)復(fù)合軟管在潿洲6-1油田復(fù)產(chǎn)項(xiàng)目中的應(yīng)用

易滌非，李挺前，尹彥坤

（湛江南海西部石油勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東湛江524057）

潿洲6-1油田復(fù)產(chǎn)項(xiàng)目首次使用國產(chǎn)復(fù)合軟管進(jìn)行海上輸氣，這存在一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，必須對(duì)國產(chǎn)復(fù)合軟管在該工程中的應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)或計(jì)算分析。文章從復(fù)合軟管介紹、復(fù)合軟管的在位狀態(tài)、運(yùn)輸及鋪設(shè)等，介紹了該復(fù)合軟管在應(yīng)用過程中需要進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)或計(jì)算的內(nèi)容和試驗(yàn)方法，并對(duì)遇到的問題提出解決方法。該國產(chǎn)復(fù)合軟管在潿洲6-1油田復(fù)產(chǎn)工程中得到了成功的應(yīng)用。

海上輸氣；國產(chǎn)復(fù)合軟管；試驗(yàn)評(píng)價(jià)；試驗(yàn)方法；應(yīng)用

0 引言

潿洲6-1平臺(tái)三口井由于受油藏影響及自身作業(yè)條件限制，無法繼續(xù)生產(chǎn)而關(guān)停，為了恢復(fù)該平臺(tái)產(chǎn)能，須對(duì)三口井進(jìn)行人工舉升。若通過引WZ12-1PAP平臺(tái)注氣壓縮機(jī)出口的高壓天然氣經(jīng)海管至WZ6-1油田對(duì)該三口井進(jìn)行氣舉，則需要在WZ12-1PAP與WZ6-1平臺(tái)之間新鋪設(shè)一條約12 km的海管。

潿洲6-1油田復(fù)產(chǎn)項(xiàng)目在可研階段對(duì)該項(xiàng)目新鋪設(shè)海管是采用常規(guī)鋼管還是國產(chǎn)復(fù)合軟管進(jìn)行了對(duì)比。常規(guī)鋼管鋪管船費(fèi)用高，每段鋼管長度通常是12.2m，海上焊接檢驗(yàn)工作量巨大，鋪設(shè)周期長；而復(fù)合軟管的鋪設(shè)采用一般的動(dòng)力定位船即可，鋪設(shè)船只費(fèi)用相對(duì)較便宜，另外復(fù)合軟管因?yàn)槭沁B續(xù)纏繞在絞盤上，整盤軟管長度可達(dá)幾千米，海上連接工作量很少，鋪設(shè)周期短。本項(xiàng)目的對(duì)比結(jié)果表明，采用國產(chǎn)復(fù)合軟管方案其工程投資可節(jié)省約5000萬元人民幣，因此確定該條海管采用國產(chǎn)復(fù)合軟管。但國產(chǎn)復(fù)合軟管還沒有用于海上輸氣的先例，存在一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，為確保國產(chǎn)復(fù)合軟管滿足本項(xiàng)目的要求并安全可靠地實(shí)施，項(xiàng)目組進(jìn)行了大量的調(diào)研、論證、試驗(yàn)。筆者有幸參與了該項(xiàng)目，下面對(duì)國產(chǎn)復(fù)合軟管在運(yùn)輸、鋪設(shè)、運(yùn)行方面需要考慮的問題以及解決方法進(jìn)行總結(jié)，以供類似項(xiàng)目參考。

1 復(fù)合軟管介紹

復(fù)合軟管是由多種不同材料組成的，不同材料位于不同層，所起作用也各不相同，使軟管的性能得到提高，特別是應(yīng)用了金屬材料，極大地提高了軟管的性能。

國產(chǎn)復(fù)合軟管一般由五層構(gòu)成，由內(nèi)向外依次為內(nèi)襯層（聚乙烯）、金屬增強(qiáng)層（鋼帶層）、隔離層、金屬保護(hù)層（鋼帶層）、非金屬保護(hù)層（聚乙烯）。所有這些層之間是非粘結(jié)的，可以相對(duì)滑移，如圖1所示。

圖1 國產(chǎn)復(fù)合軟管剖面示意

2 復(fù)合軟管的在位狀態(tài)

復(fù)合軟管在位狀態(tài)主要需考慮三個(gè)問題，一是內(nèi)壓，二是內(nèi)襯層外壓壓潰，三是垂向穩(wěn)定性。

潿洲6-1平臺(tái)三口井的氣舉壓力為7 MPa，氣舉量為5萬m3/d，根據(jù)海底管道水力計(jì)算結(jié)果，確定復(fù)合軟管內(nèi)徑及壓力參數(shù)如表1所示。

表1 復(fù)合軟管參數(shù)

2.1 內(nèi)壓

從表1中可看出，復(fù)合軟管在運(yùn)行期間需要承受的最大內(nèi)壓為16.9 MPa，此外由于輸送介質(zhì)為高壓氣體，對(duì)于復(fù)合軟管還需要考慮軟管爆破壓力大于等于39 MPa。復(fù)合軟管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法準(zhǔn)確模擬計(jì)算復(fù)合軟管的承壓能力，因此需要用試驗(yàn)的方法測(cè)定復(fù)合軟管的承壓能力?？紤]可能出現(xiàn)的情況，需要進(jìn)行如下試驗(yàn)，以驗(yàn)證復(fù)合軟管能否滿足本項(xiàng)目的壓力要求。

2.1.1 靜水壓力試驗(yàn)

考慮水壓測(cè)試應(yīng)滿足試驗(yàn)壓力16.9 MPa的要求，需要對(duì)復(fù)合軟管的承壓能力進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)復(fù)合軟管試件充水打壓，進(jìn)行靜水壓力試驗(yàn)，同時(shí)在打壓檢驗(yàn)過程中需要時(shí)刻檢測(cè)管道的伸長變形量，保證管道的變形不對(duì)管材的承壓能力造成影響，試驗(yàn)裝置見圖2。

圖2 靜水壓力試驗(yàn)裝置示意

試驗(yàn)判斷條件：在試驗(yàn)壓力≥16.9 MPa情況下，根據(jù)API SPEC 17J規(guī)范的要求，穩(wěn)壓24 h，壓降≤4%，復(fù)合軟管無破壞、無泄漏，接頭無變形和損壞。

2.1.2 靜氣體壓力試驗(yàn)

考慮到管道的輸送介質(zhì)是氣體，需要對(duì)復(fù)合軟管在氣體介質(zhì)條件下的承壓能力進(jìn)行驗(yàn)證。

試驗(yàn)方法與靜水壓力試驗(yàn)方法類似，不同的是需要把打壓設(shè)備換成氣體增壓泵，另外氣體壓力試驗(yàn)比較危險(xiǎn)，需要在空曠的環(huán)境下，并且與人保持一定的安全距離。

試驗(yàn)判斷條件：試驗(yàn)壓力≥16.9 MPa，根據(jù)API SPEC 17J規(guī)范的要求，穩(wěn)壓24 h，壓降≤4%，復(fù)合軟管無破壞、無泄漏，接頭無變形和損壞。

2.1.3 高溫靜水壓力試驗(yàn)

考慮輸送管道進(jìn)口端的溫度為55℃，需要對(duì)復(fù)合軟管在高于此溫度下的承壓能力進(jìn)行驗(yàn)證。

試驗(yàn)方法與靜水壓力試驗(yàn)方法不同的是需要把試件放入恒溫水箱中，其他與靜水壓力試驗(yàn)一致。

試驗(yàn)判斷條件：在70℃恒溫水中，試驗(yàn)壓力≥16.9 MPa，根據(jù)API SPEC 17J規(guī)范的要求，穩(wěn)壓24 h，壓降≤4%，復(fù)合軟管無破壞、無泄漏，接頭無變形和損壞。

2.1.4 彎曲靜水壓力試驗(yàn)

考慮到復(fù)合軟管在平臺(tái)端有彎曲段，起膨脹彎作用，需要對(duì)復(fù)合軟管在最小彎曲半徑條件下的承壓能力進(jìn)行驗(yàn)證。

試驗(yàn)方法與靜水壓力試驗(yàn)方法基本一致，不同的是需要把復(fù)合軟管試件彎曲，使其達(dá)到最小彎曲半徑狀態(tài)。

試驗(yàn)判斷條件：在試驗(yàn)壓力≥16.9 MPa情況下，根據(jù)API SPEC 17J規(guī)范的要求，穩(wěn)壓24 h，壓降≤4%，復(fù)合軟管無破壞、無泄漏，接頭無變形和損壞。

2.1.5 爆破壓力試驗(yàn)

為保障管道輸送氣體的安全，滿足爆破壓力39 MPa的要求，需要對(duì)復(fù)合軟管的最高承壓能力進(jìn)行驗(yàn)證。

試驗(yàn)方法與靜水壓力試驗(yàn)方法相同，但是需要對(duì)試件緩慢加壓直到試件破壞。

試驗(yàn)判斷條件：在試驗(yàn)爆破壓力超過39 MPa情況下，根據(jù)API RP 17B規(guī)范的要求，接頭無變形和損壞。

2.2 內(nèi)襯層壓潰試驗(yàn)

在輸送天然氣過程中會(huì)發(fā)生透析現(xiàn)象，從而使得少量氣體透過內(nèi)襯層到達(dá)金屬增強(qiáng)層，氣體不斷累積，可能會(huì)導(dǎo)致軟管鼓包或破裂，為了解決此問題，在接頭處設(shè)置泄壓閥。泄壓閥為單向閥，打開壓力為0.7～0.8 MPa（考慮水深30~40 m)，關(guān)閉壓力為0.6～0.7 MPa，在內(nèi)輸介質(zhì)停止時(shí)，此時(shí)內(nèi)襯層最大可能受到0.8 MPa的外壓，因此需要對(duì)內(nèi)襯層的抗外壓能力進(jìn)行驗(yàn)證。這里需要說明，由于潿洲海域水深基本在40 m以下，對(duì)于復(fù)合軟管海底承受的外壓不超過0.4 MPa，所以如果內(nèi)襯層能承受外壓0.7～0.8 MPa，那么復(fù)合軟管的海底外壓壓潰問題就不存在了。

將內(nèi)襯層作為試件，將試件裝入密封裝置中，試件兩端與密封裝置之間用密封圈密封，并用法蘭擰緊，使密封裝置內(nèi)的試件外壁與裝置之間形成環(huán)形密封空間，通過對(duì)環(huán)形空間充水打壓進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置見圖3。

試驗(yàn)判斷條件：在試驗(yàn)壓力＞0.8 MPa情況下，內(nèi)管未出現(xiàn)屈曲變形即滿足要求。

2.3 垂向穩(wěn)定性分析

考慮復(fù)合軟管埋在泥面以下，需要校核在運(yùn)行期間管道下沉或者上浮的可能性，采用鋼管常規(guī)的垂向穩(wěn)定性計(jì)算方法即可驗(yàn)證復(fù)合軟管是否滿足要求。本項(xiàng)目的復(fù)合軟管雖然是用于輸送氣體的，但其下沉均按管內(nèi)充滿水考慮，而上浮則按管內(nèi)充滿氣體或者空氣考慮。

圖3 壓潰試驗(yàn)裝置示意

3 復(fù)合軟管的運(yùn)輸

復(fù)合軟管是纏繞在絞盤上整盤運(yùn)輸?shù)模ㄒ妶D4），在海上每盤軟管之間通過不銹鋼接頭焊接在一起。每盤軟管的長度就決定了海上焊接不銹鋼接頭的數(shù)量，從而影響到海上施工周期。為了盡可能縮短海上施工周期，就要求每盤軟管盡量長。而影響每盤軟管長度的因素：一是絞盤直徑，二是纏繞層數(shù)。

絞盤直徑的大小取決于：

（1）運(yùn)輸工具?？紤]汽車和船兩種，顯而易見汽車的尺寸和裝載能力使得絞盤直徑偏小，而船則可適應(yīng)較大直徑的絞盤，但是要用船直接裝運(yùn)整盤軟管，需要把軟管生產(chǎn)車間建在岸邊。

（2）復(fù)合軟管彎曲半徑。絞盤的半徑必須要大于復(fù)合軟管允許的最小彎曲半徑，以確保復(fù)合軟管彎曲纏繞在絞盤上仍處于其彈性范圍內(nèi)，在引出絞盤時(shí)能立即恢復(fù)原始狀態(tài)。復(fù)合軟管的允許最小彎曲半徑由試驗(yàn)測(cè)得，根據(jù)API RP 17B，復(fù)合軟管彎曲變形的橢圓度應(yīng)不大于3%，取一段復(fù)合軟管試件，在不同彎曲半徑下對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得橢圓度為3%時(shí)的彎曲半徑即為允許的最小彎曲半徑。

纏繞層數(shù)的多少取決于復(fù)合軟管的抗擠壓能力。絞盤內(nèi)圈的復(fù)合軟管受到外面幾層復(fù)合軟管自重產(chǎn)生的擠壓作用，需要對(duì)此狀態(tài)進(jìn)行校核，確保內(nèi)圈復(fù)合軟管不會(huì)被壓壞。

圖4 軟管絞盤

4 復(fù)合軟管的鋪設(shè)

本項(xiàng)目的復(fù)合軟管適合采取邊挖溝邊鋪設(shè)的方式。其海上鋪設(shè)系統(tǒng)組成主要包括：埋設(shè)犁、臍帶絞車、收放線器、排線器、張緊器、升降裝置、門吊、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。鋪設(shè)方案見圖5，復(fù)合軟管從絞盤引出，經(jīng)過張緊器，從尾部的軟管托架下海，在海底通過埋設(shè)犁的導(dǎo)引落入溝底。

圖5 復(fù)合軟管鋪設(shè)示意

在鋪設(shè)過程中，主要需關(guān)注三個(gè)問題，一是復(fù)合軟管的軸向拉力，二是復(fù)合軟管的彎曲半徑，三是復(fù)合軟管的水平橫向穩(wěn)定性。

4.1 復(fù)合軟管的軸向拉力

根據(jù)鋪設(shè)方案，需要對(duì)鋪設(shè)過程中各種工況下（不同水深、高低潮位、棄管、拾管等）復(fù)合軟管所受到的最大軸向拉力進(jìn)行計(jì)算（力學(xué)模型見圖6，可使用Zenriser等類似的軟件模擬計(jì)算），通過控制軟管入水角、軟管尾傾斜角度、軟管長度、軟管入水點(diǎn)與著地點(diǎn)水平距離、錨鏈直徑和長度、鋼絲繩直徑和長度、護(hù)攬水平距離，使得計(jì)算出的軸向拉力不超過允許最大軸向拉力（根據(jù)實(shí)際情況考慮一定的安全系數(shù)）。復(fù)合軟管的允許最大軸向拉力通過軸向拉力試驗(yàn)測(cè)得：使用扣壓機(jī)進(jìn)行軸向拉力試驗(yàn)，根據(jù)API SPEC 17J要求，取伸長率小于4%時(shí)的試驗(yàn)拉力為復(fù)合軟管的允許最大軸向拉力。

4.2 復(fù)合軟管的彎曲半徑

圖6 鋪設(shè)狀態(tài)軟管力學(xué)模型

根據(jù)鋪設(shè)方案，需要找出在鋪設(shè)過程中各種工況下復(fù)合軟管可能出現(xiàn)的最小彎曲半徑，使其大于允許最小彎曲半徑，并且考慮一定的安全系數(shù)。如不滿足，則需要控制4.1中所述參數(shù)，使其滿足最小彎曲半徑要求。

4.3 復(fù)合軟管的水平橫向穩(wěn)定性

采用鋼管常規(guī)的水平橫向穩(wěn)定性計(jì)算方法計(jì)算，即使用AGA軟件進(jìn)行水平橫向穩(wěn)定性分析。

5 結(jié)束語

對(duì)于本項(xiàng)目使用的國產(chǎn)復(fù)合軟管，除了考慮以上主要問題以外，還考慮了很多細(xì)節(jié)問題，比如接頭形式、接頭材質(zhì)、接頭防腐、與立管的連接等，在本項(xiàng)目中這些問題都得到了很好的解決，確保了國產(chǎn)復(fù)合軟管滿足本項(xiàng)目要求，能夠安全可靠地應(yīng)用。目前本條復(fù)合軟管已經(jīng)鋪設(shè)完成，并投入使用。潿洲6-1油田復(fù)產(chǎn)項(xiàng)目復(fù)合軟管的成功應(yīng)用，證明了國產(chǎn)復(fù)合軟管在潿洲海域可以用于海上輸氣，為國產(chǎn)復(fù)合軟管用于海上輸氣開辟了先例，也為降低海管鋪設(shè)成本找到了新的途徑。

[1]DNV-OS-F101-2000，Submarine Pipeline Systems[S].

[2]DNV RP E305-1998，On-bottom Stability Design[S].

[3]API SPEC 17J-1999，Specification for Unbonded Flexible Pipe, second edition[S].

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

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.03.004

易滌非（1982-），男，重慶人，工程師，2004年畢業(yè)于天津大學(xué)，從事海洋固定式平臺(tái)及海底管道設(shè)計(jì)工作。

2011-03-03