王火平 陳再勝 劉義勇 徐志毅 王 怡

(中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司)

番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產(chǎn)干式維修技術(shù)研究與應(yīng)用

王火平 陳再勝 劉義勇 徐志毅 王 怡

(中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司)

番禺30-1天然氣海管淺灘段因外力原因發(fā)生泄漏,為盡快恢復(fù)生產(chǎn)采用橡膠密封臨時(shí)管卡進(jìn)行了應(yīng)急搶修。為保障海管長(zhǎng)期安全運(yùn)行,研究并實(shí)施了通過構(gòu)筑鋼板樁圍堰形成干式環(huán)境后采用焊接隔離套筒進(jìn)行永久性維修的創(chuàng)新技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)的研究與成功應(yīng)用,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)海管維修技術(shù)的一項(xiàng)空白,同時(shí)也為國(guó)內(nèi)登陸海管近岸段(尤其是淺灘段)的維修提供了一種新的思路和技術(shù)保障,對(duì)今后類似工程具有借鑒意義。

番禺30-1天然氣海管;淺灘段;鋼板樁圍堰;不停產(chǎn)干式維修;隔離套筒

1 工程概況

番禺30-1天然氣海管為帶混凝土配重層的單層管,直徑為508 mm,2011年底因船舶挖沙造成海管破裂發(fā)生泄漏,泄漏點(diǎn)位置距登陸點(diǎn)約10 km,位于珠江西江河道口的攔門沙淺灘,海圖水深為0～0.5 m,低潮時(shí)可露出海面。根據(jù)潛水員的探摸結(jié)果,該天然氣海管存在2個(gè)破損點(diǎn),二者相距約1.8 m,破損類型為沿海管圓周方向的凹坑,中間有小裂口。為盡快恢復(fù)生產(chǎn),經(jīng)過多方案比選后,采用橡膠密封臨時(shí)管卡維修方法對(duì)2個(gè)破損點(diǎn)分別進(jìn)行了應(yīng)急封堵?lián)屝?圖1),保障了向下游供氣。

圖1 番禺30-1天然氣海管應(yīng)急封堵情況

為保障番禺30-1天然氣海管長(zhǎng)期運(yùn)行安全,在應(yīng)急搶修完成后立即開展了永久維修方案的研究。由于目前國(guó)內(nèi)具有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、用于海管維護(hù)的常壓干式艙和高壓干式艙維修所需的大型浮吊船舶無法進(jìn)入淺灘施工現(xiàn)場(chǎng),因此通過技術(shù)研究與優(yōu)化,成功設(shè)計(jì)了通過構(gòu)筑鋼板樁圍堰形成干式施工環(huán)境后并在臨時(shí)管卡外部直接焊接隔離套筒的“干式維修”創(chuàng)新方案,并在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了良好效果。該項(xiàng)不停產(chǎn)干式維修技術(shù)的研究與成功應(yīng)用,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)海管維修技術(shù)的一項(xiàng)空白,對(duì)今后類似工程具有借鑒作用。

2 不停產(chǎn)干式維修技術(shù)研究

2.1 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過調(diào)研得知,在水工行業(yè)應(yīng)用廣泛的鋼板樁圍堰可提供干式施工環(huán)境,但在此之前從未在海管維修工程中應(yīng)用過。經(jīng)過反復(fù)論證和分析,認(rèn)為雙排鋼板樁圍堰用于番禺30-1天然氣海管永久維修是可行的,關(guān)鍵是要解決圍堰沖刷問題和淺灘段的施工難題。

受海底徑流和潮流影響,番禺30-1天然氣海管維修所處區(qū)域的流向和泥沙運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜,圍堰防沖刷是鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。為此,將圍堰設(shè)計(jì)成具有“流水線”型的菱形結(jié)構(gòu)(圖2),圍堰外圍5 m范圍內(nèi)拋填砂袋護(hù)底,可有效減輕沖刷影響。該結(jié)構(gòu)形式圍堰總平面尺寸約為30 m×18 m,兩側(cè)封堵止水段長(zhǎng)度約為30 m,維修作業(yè)區(qū)尺寸約為12 m×9 m。為論證此方案的可行性,進(jìn)行了嘗試性作業(yè),但因淺灘水淺,鋼板樁施工船舶無法靠近作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行鋼板樁施工,因此該方案無法實(shí)施。

圖2 番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產(chǎn)干式維修雙排鋼板樁圍堰方案

為解決施工難題,經(jīng)過進(jìn)一步研究,認(rèn)為可以采用土工模袋吹砂筑島后再施打鋼板樁形成圍堰的逆向施工方法,即采用砂袋吹填方式先筑島再進(jìn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備施打鋼板樁。經(jīng)過嘗試性作業(yè),證實(shí)該方案是可行的。圖3為番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產(chǎn)干式維修筑島鋼板樁圍堰方案。優(yōu)化后的筑島鋼板樁圍堰主要由以下5個(gè)部分組成:

圖3 番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產(chǎn)干式維修筑島鋼板樁圍堰方案

1)圍堰主體。圍堰總平面約為120 m×70 m,鋼板樁頂標(biāo)高海拔為-0.50 m,在低潮位時(shí)先插設(shè)固定土工模袋的鋼管,里外雙層,間隔為5 m,用繩索固定,再用小型船舶配合人工鋪設(shè)土工模袋,用自吸自泵船向土工模袋里吹灌砂,每層模袋吹灌砂厚度不大于1 m,最終形成圍堰主體。

2)外圍鋼板樁。外圍鋼板樁的主要作用是防止圍堰主體發(fā)生潰砂,鋼板樁采用15m長(zhǎng)的拉森Ⅳ型,采用施工機(jī)械用液壓振動(dòng)錘子逐根施打鋼板樁。

3)消浪鋼板樁。由于圍堰東南方向存在破碎波,實(shí)際施工時(shí)發(fā)現(xiàn)上浪造成潰砂嚴(yán)重,為此在圍堰東南側(cè)方向的外圍鋼板樁約3 m處額外增加一排消浪鋼板樁而形成一道防浪墻,每3根鋼板樁為一組,每組間距為一個(gè)鋼板樁寬度。

4)維修作業(yè)區(qū)。維修作業(yè)區(qū)尺寸為25 m×6 m,深度為6 m,作業(yè)區(qū)四周采用雙排鋼板樁,沿深度方向最內(nèi)層同排鋼板樁間設(shè)有3層圍檁,采用HW350×350型鋼連接,作業(yè)區(qū)內(nèi)部和4個(gè)角采用鋼管(直徑325 mm,壁厚10 mm)內(nèi)撐,以保證作業(yè)區(qū)的穩(wěn)定性。作業(yè)區(qū)四周設(shè)有雙排D500旋噴樁止水帷幕,以解決作業(yè)區(qū)滲水問題,防止作業(yè)區(qū)底部發(fā)生管涌。為確保海管維修作業(yè)安全,作業(yè)區(qū)兩側(cè)各設(shè)有逃生樓梯通道、軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)、安全圍欄等安全措施。

5)兩側(cè)封堵止水區(qū)。兩側(cè)封堵止水區(qū)長(zhǎng)度約為30 m,封堵區(qū)沿海管方向設(shè)置2排鋼板樁,間距4 m, 2排鋼板樁之間采用鋼管內(nèi)撐,以保證其整體剛度;兩端封堵區(qū)進(jìn)行專門防滲封堵處理,在海管上方設(shè)置較短的鋼板樁(鋼板樁樁尖距海管頂不小于0.5 m),與海管兩側(cè)鋼板樁連成箱形空間結(jié)構(gòu),采用專業(yè)機(jī)器注入聚丙酰胺材料讓沙質(zhì)產(chǎn)生低強(qiáng)度固結(jié)。

由于番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產(chǎn)干式維修現(xiàn)場(chǎng)施工期不在臺(tái)風(fēng)季節(jié),鋼板樁圍堰強(qiáng)度設(shè)計(jì)按臨時(shí)性建筑物考慮,不考慮臺(tái)風(fēng)工況。正常作業(yè)工況參考番禺30-1天然氣海管的原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)波高2 m(周期為8 s)、流速2 m/s、風(fēng)速17.1 m/s,設(shè)計(jì)荷載主要考慮了波浪力、風(fēng)載荷、水流力、土壓力、水壓力。

根據(jù)板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[1]的設(shè)計(jì)要求,對(duì)外圍的單排鋼板樁、維修作業(yè)區(qū)雙排鋼板樁及支護(hù)強(qiáng)度分別進(jìn)行了校核,其中外圍鋼板樁考慮了高水位和低水位2種工況。校核結(jié)果表明,鋼板樁及支撐強(qiáng)度滿足要求,整個(gè)圍堰穩(wěn)定性滿足安全使用要求。

為確定維修作業(yè)區(qū)的滲水情況,還對(duì)圍堰滲流進(jìn)行了計(jì)算,分別計(jì)算了深水側(cè)和淺水側(cè)的滲流量,得出圍堰每小時(shí)滲水總量約為0.8 m3,海管維修期間可采用抽水泵以維持干式環(huán)境。

2.2 不停產(chǎn)維修技術(shù)研究

干式條件下干式焊接質(zhì)量才能得到保證。對(duì)于海管永久維修來說,常用的焊接方法有更換受損管段或采用焊接套袖對(duì)受損管段進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),這2種方法均須停產(chǎn)維修并對(duì)海管進(jìn)行隔離封堵,對(duì)正常生產(chǎn)影響較大。此外,隔離封堵所需的焊接三通需要在海管上開孔,可能對(duì)海管帶來二次風(fēng)險(xiǎn)。

為最大程度地降低對(duì)正常生產(chǎn)的影響,經(jīng)過研究提出了采用類似于壓力容器罩的隔離套筒維修方法,即海管在不停輸條件下在臨時(shí)管卡外部直接焊接隔離套筒。該方法無需拆除臨時(shí)管卡,并且可實(shí)現(xiàn)海管在不停輸條件下進(jìn)行維修,關(guān)鍵是如何控制帶壓焊接和臨時(shí)管卡泄漏存在的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.1安全風(fēng)險(xiǎn)控制

隔離套筒維修方法在國(guó)內(nèi)尚無應(yīng)用案例,在國(guó)外亦無類似案例。為了證實(shí)其可行性,對(duì)該方案進(jìn)行了深入研究和分析,并試制了一套隔離套筒進(jìn)行論證試驗(yàn),結(jié)果表明隔離套筒維修技術(shù)是安全可靠的,帶壓焊接和臨時(shí)管卡泄露風(fēng)險(xiǎn)可控。

1)帶壓焊接風(fēng)險(xiǎn)控制。番禺30-1天然氣海管運(yùn)行的正常操作壓力高達(dá)7.5 MPa,根據(jù)關(guān)于帶壓封堵的計(jì)算公式[2],未考慮海管壁厚腐蝕時(shí)最大可施焊壓力為17.6 MPa,遠(yuǎn)大于海管的正常操作壓力。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量,壁厚腐蝕量小于1 mm,在不停輸條件下可安全進(jìn)行帶壓焊接。

2)臨時(shí)管卡泄漏風(fēng)險(xiǎn)控制。為確保不停產(chǎn)帶壓焊接時(shí)臨時(shí)管卡可能發(fā)生的氣體滲漏風(fēng)險(xiǎn)能夠得到有效控制,設(shè)計(jì)了一種具有導(dǎo)流功能的薄壁筒體式金屬隔離囊(圖4),可以承受0.1 MPa壓力。隔離囊由兩側(cè)鋁板和不銹鋼薄壁筒體組成,鋁板和海管連接處采用橡膠密封,其他連接采用A/B膠密封,鋁板兩側(cè)設(shè)有直徑25.4 mm工藝孔用于氮?dú)庋h(huán)?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí),將隔離囊安裝在臨時(shí)管卡外部,通過氮?dú)庋h(huán)將可能產(chǎn)生的滲漏氣體導(dǎo)流至作業(yè)區(qū)上方的安全區(qū)域,從而有效保證動(dòng)火作業(yè)安全。

3)隔離套筒壁厚控制。隔離套筒壁厚太大,焊接質(zhì)量和變形難以控制。為確保焊接質(zhì)量可靠,采取了2個(gè)優(yōu)化措施將壁厚由原設(shè)計(jì)的45 mm縮小至32 mm:一是參考海管運(yùn)行最大關(guān)斷壓力9 MPa,隔離套筒的設(shè)計(jì)壓力取為9.5 MPa;二是切除臨時(shí)管卡的突出物將隔離套筒內(nèi)徑縮小至900 mm。

2.2.2隔離套筒結(jié)構(gòu)形式

隔離套筒由與海管連接套袖、隔離套筒、中間連接套袖等3個(gè)部分組成(圖5),均分為上下兩部分。其中,與海管連接套袖的作用是避免封頭與海管直接焊接,其環(huán)角焊縫位置距臨時(shí)管卡約為500 mm;中間連接套袖用于連接2個(gè)隔離套筒,其兩端不與海管焊接,大大降低了焊接溫度對(duì)臨時(shí)管卡密封的影響。

隔離套筒兩端采用圓球形封頭形式,最大程度降低焊縫處的應(yīng)力集中,并且球形封頭與筒體錯(cuò)位組對(duì)焊接,避免出現(xiàn)十字焊道。隔離套筒各設(shè)有2個(gè)工藝孔,施工完成后用專業(yè)絲堵進(jìn)行封堵并蓋上管帽。隔離套筒及其附件表面采用防腐涂層與鋁基陽(yáng)極聯(lián)合保護(hù),套袖采用防腐涂層保護(hù),連接套袖兩端與海管焊接節(jié)點(diǎn)處采用熱縮套進(jìn)行防護(hù)。

番禺30-1天然氣海管設(shè)計(jì)壓力為14.2 MPa,運(yùn)行期間最大關(guān)斷壓力為9 MPa;隔離套筒設(shè)計(jì)壓力取9.5 MPa,設(shè)計(jì)壽命為20 a,內(nèi)徑為900 mm,總重約為3.5 t,相關(guān)參數(shù)見表1。

圖5 番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產(chǎn)干式維修隔離套筒示意圖

表1 番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產(chǎn)干式維修隔離套筒參數(shù)表

2.2.3隔離套筒強(qiáng)度校核

番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產(chǎn)干式維修隔離套筒強(qiáng)度按照海管附件的設(shè)計(jì)要求[3]進(jìn)行校核,內(nèi)壓安全系數(shù)為1.1,屈服應(yīng)力許用系數(shù)為0.67,采用Abaqus軟件進(jìn)行有限元分析。按照焊縫強(qiáng)度校核的要求[4],對(duì)套袖與海管連接的環(huán)角環(huán)焊縫(尺寸為24 mm× 30 mm)和套袖與套筒連接的熔透環(huán)焊縫進(jìn)行校核,其中環(huán)角焊縫采用F-3型S-N曲線,熔透焊縫采用F型S-N曲線,安全等級(jí)高時(shí)校核系數(shù)取0.1[5]。

表2為番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產(chǎn)干式維修隔離套筒校核的工況表,校核結(jié)果表明隔離套筒強(qiáng)度滿足規(guī)范要求,焊縫疲勞壽命滿足20年的使用要求。

表2 番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產(chǎn)干式維修隔離套筒強(qiáng)度校核工況

2.2.4隔離套筒對(duì)海管運(yùn)行影響分析

由于隔離套筒結(jié)構(gòu)造成海管局部重量加大,會(huì)造成海管局部沉降。結(jié)合海床土壤性質(zhì),根據(jù)DNV-OS-F101規(guī)范[3]對(duì)番禺30-1天然氣海管強(qiáng)度進(jìn)行了校核。不考慮地震工況,海管最大位移為14.2 mm,最大應(yīng)力比(UC)值為0.269;考慮地震工況,海管最大位移為14.4 mm,UC值為0.228。2種工況下UC值均小于1,表明海管強(qiáng)度滿足規(guī)范要求,也說明隔離套筒重量對(duì)海管運(yùn)行影響較小。

3 實(shí)施效果

通過技術(shù)研究和優(yōu)化,不停產(chǎn)干式維修創(chuàng)新技術(shù)成功應(yīng)用于番禺30-1天然氣海管永久維修工程中,適時(shí)解除了海管運(yùn)行的一大隱患,保障了海管長(zhǎng)期運(yùn)行安全,取得了良好的應(yīng)用效果。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí),很好地利用了番禺30-1平臺(tái)的停產(chǎn)時(shí)機(jī),對(duì)海管進(jìn)行了適當(dāng)降壓,最大程度降低了臨時(shí)管卡意外泄漏的風(fēng)險(xiǎn),保障了“帶壓焊接”動(dòng)火作業(yè)安全。

該項(xiàng)目的成功實(shí)踐表明,通過構(gòu)筑鋼板樁圍堰形成干式環(huán)境后采用焊接隔離套筒對(duì)海管進(jìn)行永久性維修是可行的。對(duì)于海管近岸段尤其是淺灘段來說,鋼板樁圍堰干式維修方法比其他干式維修手段更易實(shí)施,施工環(huán)境更為安全可靠;對(duì)于已采取臨時(shí)管卡措施的海管永久維修來說,相比其他維修技術(shù),焊接隔離套筒技術(shù)具有“安全可靠、對(duì)生產(chǎn)影響小、對(duì)海管影響小”等特點(diǎn)。

通過構(gòu)筑鋼板樁圍堰形成干式環(huán)境后采用焊接隔離套筒的不停產(chǎn)維修技術(shù)成功應(yīng)用于番禺30-1天然氣海管永久維修工程,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的一項(xiàng)空白,同時(shí)也為國(guó)內(nèi)登陸海管的近岸段,尤其是淺灘段的維修提供了一種新的思路和技術(shù)保障,對(duì)今后類似工程具有借鑒意義。

[1] 中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTS+167-3-2009板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)疫總局.GB/T28055-2011鋼制管道帶壓封堵技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[3] DNV.DNV-OS-F101-2010 Submarine pipeline systems[S].Norway:DNV,2010

[4] AWS.AWS-D1.1-2010 Structural welding code-steel[S].USA: ASW,2010

[5] DNV.DNV-RP-C203-2010 Fatigue strength analysis of offshore steel structure[s].Norway:DNV,2010.

Study and application of pipeline repair technology without shutdown in a dry environment for the very shallow water section of PY 30-1 subsea gas pipeline

Wang Huoping Chen Zaisheng Liu Yiyong Xu Zhiyi Wang Yi
(Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,518067)

The PY 30-1 subsea gas pipeline suffered leaks in the very shallow water area due to accidental impact,therefore the temporary rubber sealed clamps were employed for emergency repair in order to resume production rapidly.To ensure longtime operation reliability,an innovative permanent repair technology has been studied and executed successfully,that is to weld stand-off sleeves in a dry environment by creating a steel sheet pile cofferdam.This technology has filled the gap in the domestic subsea pipeline repair techniques,and also provides a new solution and technical support for repairing the shallow shoal section,especially the very shallow water section of the domestic landing subsea pipeline,which can be used as reference for the future similar projects.

PY 30-1 subsea gas pipeline;very shallow water section;steel sheet pile cofferdam;online pipeline repair under dry environment;stand-off sleeve

2013-11-21改回日期:2014-01-20

(編輯:葉秋敏)

王火平,男,工程師,現(xiàn)主要從事海洋工程技術(shù)管理工作。地址:廣東省深圳市南山區(qū)蛇口工業(yè)二路1號(hào)海洋石油大廈B座12樓(郵編:518067)。E-mail:wanghp5@cnooc.com.cn。