戚 蒿，陳大江，汪建明

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，廣東 湛江 524057)

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一種免海水進(jìn)入的柔性軟管高效鋪設(shè)技術(shù)

戚 蒿，陳大江，汪建明

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，廣東 湛江 524057)

以南海某氣田軟管安裝項(xiàng)目為例，研制爆破膜、段間快速連接器和球型法蘭連接器等軟管鋪設(shè)成套設(shè)備，并發(fā)明了一種采用注漿氣囊跨越已有海底管線和免海水進(jìn)入軟管的高效鋪設(shè)技術(shù)。采用該成套設(shè)備和高效鋪設(shè)技術(shù)，不但可節(jié)省大量的海上軟管鋪設(shè)作業(yè)時(shí)間，提高軟管鋪設(shè)效率；而且可保護(hù)軟管免受海水介質(zhì)的腐蝕，提高軟管的整體使用壽命。

柔性軟管；成套設(shè)備；注漿氣囊；免海水；鋪設(shè)技術(shù)

在邊際油田開(kāi)發(fā)中，盡管單位長(zhǎng)度柔性軟管造價(jià)較高，但較鋼管海管的最大優(yōu)勢(shì)在于對(duì)地形適應(yīng)性好、防腐性能好、易鋪設(shè)和可回收等特點(diǎn)[1]，在天氣、海況允許的條件下，可以實(shí)現(xiàn)軟管的連續(xù)鋪設(shè)，從而節(jié)省大量的海上作業(yè)時(shí)間[2]。同時(shí)，可以采用軟管代替部分立管和膨脹彎[3]。南海某氣田項(xiàng)目?jī)晒潭ㄆ脚_(tái)之間需鋪設(shè)1條長(zhǎng)約10 km、304.8 mm(12″)的大口徑海底輸氣軟管用于將井口平臺(tái)的油氣輸送到中心平臺(tái)進(jìn)行處理，該軟管結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 軟管結(jié)構(gòu)示意

由于軟管骨架層通常選用不銹鋼材質(zhì)，經(jīng)模擬海水腐蝕試驗(yàn)得知：不銹鋼材質(zhì)在海水中的浸泡時(shí)間有限，否則會(huì)對(duì)軟管的整體使用壽命產(chǎn)生影響。而且，骨架層結(jié)構(gòu)為鎖扣型式，成型后的骨架之間存在間隙，使得骨架與內(nèi)壓密封層之間會(huì)殘存少量海水，雖然后續(xù)會(huì)進(jìn)行軟管清管、排水和干燥作業(yè)，但很難將海水置換干凈。同時(shí)，由于該項(xiàng)目軟管鋪設(shè)時(shí)間被安排在天氣海況較差的冬季進(jìn)行，這就要求在允許的天氣窗口內(nèi)完成軟管與立管的對(duì)接，軟管段與段之間的連接，以及已有管線的交叉跨越等影響鋪設(shè)效率的作業(yè)內(nèi)容。

為了避免海水進(jìn)入軟管內(nèi)對(duì)骨架層不銹鋼材質(zhì)的腐蝕影響，實(shí)現(xiàn)軟管的免海水進(jìn)入鋪設(shè)作業(yè)，研制了一種免海水進(jìn)入的爆破膜。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高軟管的海上鋪設(shè)效率，以及最大限度地減少潛水員的水下作業(yè)時(shí)間，研制了軟管段間快速連接器和球型法蘭連接器。

1 軟管鋪設(shè)成套設(shè)備的研制

1.1 爆破膜

在軟管直管段鋪設(shè)完成，與平臺(tái)立管連接之前，常規(guī)的做法是將軟管拖拉封頭拆除，再將軟管接頭與立管對(duì)接，這樣就會(huì)使得海水進(jìn)入軟管內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)軟管與立管對(duì)接時(shí)的免海水進(jìn)入，設(shè)計(jì)了一種全通徑拉脫式金屬密封膜片，即爆破膜，見(jiàn)圖2。

圖2 爆破膜結(jié)構(gòu)示意

其中，金屬膜片通過(guò)熔極焊與八角墊焊接在一起。該爆破膜安裝在硬管短節(jié)與軟管接頭之間，在軟管與立管對(duì)接和鎖緊后將金屬膜片從立管內(nèi)取出。

爆破膜的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下技術(shù)要求。

1)承受水深所產(chǎn)生的靜水水壓而不致破裂。

2)為滿足通球要求，在金屬膜片四周設(shè)計(jì)環(huán)向刻槽(見(jiàn)圖2)，使得拉脫后的爆破膜內(nèi)徑不得小于管道內(nèi)徑。

3)為便于拉脫后的金屬膜片沿立管順利拉出，收縮變形后的膜片應(yīng)小于管道內(nèi)徑。

4)膜片的拉脫力小于20 kN。

1.2 軟管段間快速連接器

由于軟管在過(guò)駁和海上鋪設(shè)期間經(jīng)常發(fā)生打扭現(xiàn)象，同時(shí)，為了節(jié)省軟管接頭海上焊接和無(wú)損探傷檢測(cè)時(shí)間，以及避免軟管臨時(shí)棄管時(shí)切斷軟管的問(wèn)題出現(xiàn)，研制一種軟管段間快速連接器，其主要組成見(jiàn)圖3。

圖3 段間快速連接器結(jié)構(gòu)圖

該連接器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：連接器的2端對(duì)稱(chēng)，一側(cè)管接頭安裝密封鋼圈，以?xún)?nèi)六角螺釘及鋼圈卡環(huán)固定，并在管接頭凹槽內(nèi)安裝O形密封圈。2管接頭的對(duì)接是以卡箍(2塊對(duì)稱(chēng))抱緊，通過(guò)拉伸器實(shí)現(xiàn)螺栓、螺母的緊固和預(yù)緊。安裝完成后，利用O形密封圈進(jìn)行背壓密封，背壓測(cè)試壓力1.5 MPa，保壓15 min；利用密封鋼圈進(jìn)行流道密封，測(cè)試壓力15 MPa，保壓1 h。

1.3 球型法蘭連接器

海管連接器用于海底管道(膨脹彎、跨接管或軟管)與水下結(jié)構(gòu)設(shè)施(水下管匯或水下采油樹(shù))的連接。在水下結(jié)構(gòu)設(shè)施的安裝中，由于安裝精度的誤差問(wèn)題，比如，水平度、艏向及位置等，導(dǎo)致海底管道與水下結(jié)構(gòu)設(shè)施對(duì)接困難。同樣，軟管與立管對(duì)接時(shí)，由于立管彎頭角度、法蘭垂直度等安裝誤差或尺寸偏差問(wèn)題，也會(huì)導(dǎo)致軟管接頭與立管法蘭對(duì)接困難，容易造成水下法蘭在管道偏差外應(yīng)力作用下出現(xiàn)密封不嚴(yán)的問(wèn)題，容易發(fā)生泄漏。

水下管道系統(tǒng)連接中的角度偏差不僅使得法蘭連接不可靠，也使得水下施工困難。為了解決角度調(diào)整問(wèn)題，保證長(zhǎng)期使用及法蘭密封設(shè)計(jì)[4]，同時(shí)，為了方便軟管與立管的對(duì)接，減小潛水員的水下工作量，研制一種球形法蘭連接器來(lái)實(shí)現(xiàn)軟管接頭角度的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)角度范圍為10°以?xún)?nèi)。該球形法蘭連接器主要包括球體、球法蘭、定位法蘭、第一環(huán)密封面法蘭、第二環(huán)密封面法蘭、螺柱、花籃螺栓及調(diào)節(jié)螺栓等，見(jiàn)圖4。

圖4 球型法蘭連接器結(jié)構(gòu)

2 免海水進(jìn)入軟管高效鋪設(shè)技術(shù)

以該氣田項(xiàng)目2平臺(tái)之間的軟管鋪設(shè)為例，介紹免海水進(jìn)入的軟管高效鋪設(shè)方法。鑒于軟管的起始端鋪設(shè)、正常鋪設(shè)、甩尾和棄管、拾管等施工工藝與常規(guī)的S-lay鋪管船[5]所采用的S形鋪設(shè)方法[6]類(lèi)似，這里不再贅述。

2.1 采用注漿氣囊跨越已有海底管線

海管跨越處理的常規(guī)方法是在新管線鋪設(shè)前在原有管線2側(cè)鋪設(shè)混凝土壓塊，在混凝土壓塊2側(cè)疊放沙袋，或者在已有管線上方安裝鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)裝置[7]，在其上方鋪設(shè)新管線。但新鋪管線的實(shí)際路由與設(shè)計(jì)路由不可避免地會(huì)存在一定的偏差，使得基礎(chǔ)處理的范圍或鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)裝置的尺寸必須適當(dāng)放大才能滿足要求，無(wú)形中增加了海上工作量。傳統(tǒng)的海管交叉跨越處理方法存在以下主要缺點(diǎn)。

1)需要專(zhuān)門(mén)動(dòng)員作業(yè)船舶在新管線鋪設(shè)前對(duì)交叉跨越點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理，產(chǎn)生極大的作業(yè)成本。

2)由于每塊混凝土壓塊都需要單獨(dú)吊裝安裝，大量的混凝土壓塊吊裝將會(huì)導(dǎo)致增加海上工作量。

3)混凝土壓塊吊裝、海底安放中需要嚴(yán)格控制避免與原有管線磕碰，安全風(fēng)險(xiǎn)極大。

4)新鋪軟管需要精確控制確保從混凝土壓塊上跨越，難度較大。

針對(duì)海管交叉跨越技術(shù)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、成本高、風(fēng)險(xiǎn)大的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)和應(yīng)用新型軟管跨越技術(shù)，即軟管在跨越已有海底管線前預(yù)先將注漿氣囊綁扎于軟管設(shè)計(jì)位置，注漿氣囊隨軟管下放并準(zhǔn)確放置于已有管線2側(cè)，然后對(duì)氣囊進(jìn)行注漿，直至新鋪軟管與原有海管垂直間距在200～300 mm時(shí)停止注漿作業(yè)。

下面簡(jiǎn)要介紹采用注漿氣囊跨越已有管線的施工步驟。

1)借助ROV觀察軟管著泥點(diǎn)位置，利用軟管長(zhǎng)度標(biāo)記核實(shí)軟管水中懸鏈線長(zhǎng)度。

2)當(dāng)軟管著泥點(diǎn)與擬交叉跨越點(diǎn)的距離大于懸鏈線的長(zhǎng)度時(shí)暫停鋪設(shè)，工作人員于船艉操作平臺(tái)上綁扎水下信標(biāo)及回收繩，并記錄信標(biāo)綁扎點(diǎn)在軟管上對(duì)應(yīng)的刻度，比如，515 m。

3)啟動(dòng)鋪設(shè)系統(tǒng)，軟管繼續(xù)下放，當(dāng)軟管上綁扎信標(biāo)的位置著泥后，ROV打點(diǎn)標(biāo)記信標(biāo)位置。

4)定位人員核算信標(biāo)與擬交叉跨越點(diǎn)的距離，比如，175 m。

5)使用船艉卷?yè)P(yáng)機(jī)回收信標(biāo)(回收采用直接拉斷信標(biāo)固定繩方式)。

6)軟管繼續(xù)沿設(shè)計(jì)路由下放，待鋪設(shè)至軟管有680 m刻度標(biāo)識(shí)時(shí)停止鋪設(shè)，在680 m標(biāo)識(shí)線的2側(cè)綁扎注漿氣囊(見(jiàn)圖5)，在氣囊2個(gè)端部綁扎浮球，使氣囊下水時(shí)兩端漂浮于軟管之上，避免到達(dá)海底泥面將氣囊端部壓在軟管下面。

圖5 注漿氣囊綁扎示意

7)注漿氣囊綁扎完成后，繼續(xù)軟管鋪設(shè)作業(yè)，如圖6所示，ROV實(shí)時(shí)觀察氣囊水中姿態(tài)，在軟管鋪設(shè)過(guò)程中應(yīng)保證著泥軟管與已有管線垂直，否則，通過(guò)絞船微調(diào)鋪設(shè)路由。

圖6 注漿氣囊隨軟管下放示意

8)當(dāng)2個(gè)氣囊著泥后，ROV解除注漿氣囊固定及浮球綁扎繩，微調(diào)氣囊位置并將氣囊平攤放在泥面上，暫停作業(yè)。

9)施工船舶上開(kāi)始注漿作業(yè)，ROV實(shí)時(shí)觀察注漿氣囊的狀態(tài)，直至新鋪軟管與已有管線垂直間距滿足要求后停止注漿作業(yè)。

10)ROV關(guān)閉氣囊側(cè)水下閥門(mén)，斷開(kāi)注漿管線快速接頭，回收管線，交叉跨越施工作業(yè)完成，見(jiàn)圖7。

圖7 交叉跨越處理完成

2.2 免海水進(jìn)入鋪設(shè)技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)軟管的免海水進(jìn)入，應(yīng)在軟管端頭下水之前提前完成以下工作。

1)將爆破膜安裝在硬管短節(jié)與軟管接頭法蘭之間(見(jiàn)圖8)，并通過(guò)螺栓拉伸器緊固。

圖8 爆破膜安裝示意

2)在平臺(tái)立管頂部安裝同孔注氣排水密封裝置，并預(yù)穿一根經(jīng)過(guò)尼龍過(guò)塑的鋼絲繩，以便與爆破膜上的牽拉鋼絲繩連接。

3)連接平臺(tái)工廠風(fēng)與同孔注氣排水裝置，將立管內(nèi)的海水排空，關(guān)閉裝置上的閥門(mén)，保證立管內(nèi)無(wú)海水進(jìn)入。

4)在導(dǎo)管架陸地建造時(shí)，預(yù)先安裝一套軟管接頭拖拉對(duì)接裝置，該裝置主要由導(dǎo)向滑輪組、牽拉鋼絲繩、滑輪組固定支撐等組成。

下面以該氣田平臺(tái)側(cè)立管與軟管連接為例，簡(jiǎn)單介紹免海水進(jìn)入軟管施工工藝。

1)施工人員上平臺(tái)將2根牽拉鋼絲繩一端與平臺(tái)上100 kN卷?yè)P(yáng)機(jī)連接，另一端與軟管球形法蘭連接器上的螺栓孔連接。

2)平臺(tái)施工人員向立管內(nèi)注淡水，使立管內(nèi)水位與海水持平，潛水員下水拆除立管盲板法蘭。

3)潛水員下水拆除球形法蘭連接器法蘭上的軟管拖拉封頭，啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)緩慢將軟管末端牽拉至立管法蘭處，見(jiàn)圖9。

圖9 軟管牽拉示意

4)緩慢啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)，繼續(xù)牽拉作業(yè)，潛水員采用扳手調(diào)節(jié)球形法蘭連接器上的花籃螺栓，使球形法蘭球面旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)并與立管法蘭面平行對(duì)接；潛水員采用2根細(xì)螺栓進(jìn)行法蘭螺栓孔對(duì)接。

5)盲板拆除完畢后，平臺(tái)施工人員向立管內(nèi)注氣，使立管內(nèi)氣壓達(dá)到0.7 MPa，關(guān)閉注氣閥，保持立管內(nèi)壓力，將海水從立管內(nèi)排除。

6)在法蘭對(duì)接過(guò)程中，預(yù)留鋼絲繩連接空間，潛水員連接預(yù)留在立管中和爆破膜上的牽拉鋼絲繩。

7)緩慢拉近立管法蘭和球形法蘭。

8)將所有螺栓穿入，并擰上螺母，螺栓頂面與球形法蘭連接器側(cè)法蘭面距離以185 mm及72 mm交叉布置。

9)潛水員打開(kāi)助浮氣囊放氣閥，將氣囊內(nèi)部的空氣排掉，解除氣囊與軟管的綁扎固定，船上工作人員將氣囊回收至船甲板。

10)潛水員安裝液壓螺栓拉伸器，螺栓上緊后拉力為286 kN。

11)拉緊螺栓時(shí)分3次上緊，第1、2次分別按50%、80%轉(zhuǎn)矩緊固。第3次按順時(shí)針依次上緊，按100%轉(zhuǎn)矩緊固。

12)拆除液壓拉伸器并回收，法蘭連接完畢。

13)起動(dòng)預(yù)安裝在平臺(tái)上的150 kN爆破膜牽拉絞車(chē)，緩慢將爆破膜片從立管內(nèi)拉出(見(jiàn)圖10)，確認(rèn)軟管內(nèi)無(wú)殘留部件，軟管連接完成。

圖10 爆破膜拉脫后的實(shí)物

3 結(jié)論

隨著爆破膜、軟管段間快速連接和球形法蘭連接器等一系列軟管鋪設(shè)成套設(shè)備的成功研制，不僅實(shí)現(xiàn)了軟管在整個(gè)鋪設(shè)過(guò)程中的免海水進(jìn)入作業(yè)，使得軟管骨架層免受海水介質(zhì)的腐蝕影響，保證了軟管的整體設(shè)計(jì)壽命，而且極大提供了軟管的海上鋪設(shè)效率，降低了軟管施工過(guò)程中的成本。同時(shí)，采用注漿氣囊實(shí)現(xiàn)了新鋪管線與水下已有管線的交叉跨越，不僅節(jié)省了交叉跨越點(diǎn)的預(yù)處理作業(yè)，而且降低了水泥壓塊或鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)框架安裝過(guò)程中碰撞已有管線的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)測(cè)算，與傳統(tǒng)軟管的鋪設(shè)作業(yè)相比，免海水進(jìn)入的柔性軟管鋪設(shè)技術(shù)至少節(jié)省了10天的海上作業(yè)時(shí)間。該項(xiàng)技術(shù)的成功應(yīng)用可為后續(xù)類(lèi)似軟管鋪設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施提供一定的參考和借鑒。

[1] 陳海.國(guó)產(chǎn)海底軟管在海上油氣田的應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2016(5)：61-65.

[2] 閆嗣伶，楊中娜，李文曉，等.海底柔性管道技術(shù)研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2012(1)：9-11.

[3] 趙冬巖.撓性軟管在渤海海底管道的應(yīng)用[J].中國(guó)海上油氣(工程)，1994(4)：24-26.[4] 郎一鳴.國(guó)內(nèi)創(chuàng)新水下球形法蘭設(shè)計(jì)研究[J].海洋石油，2015(3)：84-88.

[5] 黃維平，曹靜，張恩勇.國(guó)外深水鋪管方法與鋪管船研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].海洋工程，2011(1)：135-142.

[6] 王允，遲艷芬，魏中格，等.中深水海底管道S形鋪設(shè)施工技術(shù)探討[J].中國(guó)造船，2014(2)：342-351.

[7] 易滌非，鄧欣，唐少華.一種新型海底管線跨越保護(hù)裝置[J].廣東造船，2014(5)：74-76.

A High-efficiency Unflooded Laying Technology of Flexible Pipe

QI Hao, CHEN Da-jiang, WANG Jian-ming

(CNOOC Energy Technology & Service-Oil Production Services Co., Zhanjiang Guangdong 524057, China)

Taking a flexible pipe laying project in a gas field of south China sea for instance, a set of laying complete equipment, such as rupture disk, segmental quick connector and spherical flange connector were developed to make the seawater-free ingress into the pipe and the laying of flexible pipe efficiently and securely. A high efficiency laying technology of flexible pipe was invented to crossing the existing pipeline by grouting airbags and to make the seawater-free ingress. Thw complete equipment and laying technology can save plenty of laying time, improve laying efficiency, prevent the flexible pipe from the corrosion of seawater medium and increase its entire service life.

flexible pipe; completed equipment; grouting airbag; unflooded; laying technology

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.025

2016-07-10

戚蒿(1982—)，男，碩士，工程師

U674.34

A

1671-7953(2016)05-0099-05

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋石油工程

E-mail:qihao@cnooc.com.cn