魯振興，王志業(yè)，王旭東，高指林，崔成楊

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

近年來(lái)的勘探研究表明，海底尤其是深海海底埋藏著十分豐富的石油和天然氣資源，海洋已成為我國(guó)油氣開(kāi)發(fā)的重要接替區(qū)[1]。例如在我國(guó)南海，石油儲(chǔ)量約有230×108～300×108t，天然氣338×1012m3，其中70%在深水[2]。加大海洋油氣資源尤其是深水油氣資源的開(kāi)發(fā)力度刻不容緩。

海底管道是進(jìn)行海洋油氣資源開(kāi)發(fā)的重要工程設(shè)施[3]，由于鋼材在海洋環(huán)境中腐蝕嚴(yán)重，海底油氣管道一旦發(fā)生腐蝕泄漏將帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題和巨額的經(jīng)濟(jì)損失，因此海底管道的防腐蝕非常重要?？紤]到海底管道防腐蝕的重要性，以及海底管道鋪設(shè)和維護(hù)的高技術(shù)、高投入、高風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)，海底管道一般采用外涂層和陰極保護(hù)相結(jié)合的方式進(jìn)行防腐蝕[4]。犧牲陽(yáng)極是海底管道常用的陰極保護(hù)手段，是對(duì)海底管道涂層保護(hù)的必要補(bǔ)充，安裝在海底管道上的手鐲式陽(yáng)極可以對(duì)海底管道提供長(zhǎng)期、有效的保護(hù)。

同淺水海底管道一樣，深水海底管道的手鐲式陽(yáng)極一般也在鋪管船作業(yè)線內(nèi)安裝，然后沿著托管架或其他裝置隨海底管道一起入水。深水海底管道鋪設(shè)過(guò)程中，施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較大、作業(yè)船舶費(fèi)用高昂，對(duì)深水海底管道鋪設(shè)的各作業(yè)環(huán)節(jié)以及手鐲式陽(yáng)極的質(zhì)量和效率提出了更高要求。本文分析了傳統(tǒng)手鐲式陽(yáng)極安裝工藝應(yīng)用于深水海底管道鋪設(shè)時(shí)存在的不足，對(duì)手鐲式陽(yáng)極的安裝形式進(jìn)行了優(yōu)化，給出了一種適用于深水海底管道鋪設(shè)的新型手鐲式陽(yáng)極安裝工藝。

1 傳統(tǒng)手鐲式陽(yáng)極安裝工藝

1.1 安裝形式與工藝

根據(jù)手鐲式陽(yáng)極半瓦在海底管道上固定方式和電連接方式的不同，傳統(tǒng)手鐲式陽(yáng)極安裝工藝一般分為以下兩種。

（1）焊接式安裝形式，如圖1所示：手鐲式陽(yáng)極的陽(yáng)極芯沿海底管道的軸向伸出，陽(yáng)極芯與海底管道直接焊接，從而使陽(yáng)極半瓦固定在管體上并與之實(shí)現(xiàn)電連接。其安裝工藝見(jiàn)表1。

圖1 傳統(tǒng)手鐲式陽(yáng)極焊接式安裝形式

表1 傳統(tǒng)手鐲式陽(yáng)極焊接式安裝工藝

（2）導(dǎo)線式安裝形式，如圖2所示：手鐲式陽(yáng)極的陽(yáng)極芯扁鋼沿海底管道環(huán)向伸出，陽(yáng)極芯扁鋼相互焊接使陽(yáng)極半瓦在管道上抱緊固定，然后通過(guò)導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極與海底管道的電連接。該安裝工藝如表2所示。

表2 傳統(tǒng)手鐲式陽(yáng)極導(dǎo)線式安裝工藝

圖2 傳統(tǒng)手鐲式陽(yáng)極導(dǎo)線式安裝形式

1.2 安裝工藝的不足

深水海底管道鋪設(shè)時(shí)，船舶費(fèi)用高、施工風(fēng)險(xiǎn)大，對(duì)手鐲式陽(yáng)極安裝的質(zhì)量、效率提出了更高要求；另外，深水海底管道鋪設(shè)張力高于淺水，手鐲式陽(yáng)極通過(guò)托管架或其他裝置下水時(shí)所受的摩擦阻力更大，容易發(fā)生滑脫。針對(duì)深水海底管道鋪設(shè)中對(duì)手鐲式陽(yáng)極安裝的要求，傳統(tǒng)手鐲式陽(yáng)極的焊接式和導(dǎo)線式安裝工藝都存在一些不足，具體分析見(jiàn)表3。

表3 傳統(tǒng)手鐲式陽(yáng)極安裝工藝的不足

從表3可以看出，傳統(tǒng)的手鐲式陽(yáng)極安裝工藝均存在施工效率低的問(wèn)題，而且均未考慮海底管道鋪設(shè)時(shí)陽(yáng)極下水過(guò)程中的受力情況，存在陽(yáng)極滑脫失效的風(fēng)險(xiǎn)，不滿(mǎn)足深水海底管道鋪設(shè)的要求。在某深水海底管道鋪設(shè)項(xiàng)目中，就曾出現(xiàn)過(guò)手鐲式陽(yáng)極通過(guò)托管架下水時(shí)發(fā)生脫落的情況。

2 優(yōu)化后的手鐲式陽(yáng)極安裝工藝

2.1 手鐲式陽(yáng)極安裝形式的適應(yīng)性?xún)?yōu)化

為適應(yīng)深水海底管道鋪設(shè)對(duì)手鐲式陽(yáng)極安裝高效率、高質(zhì)量的要求，本文對(duì)用于深水海底管道的手鐲式陽(yáng)極的陽(yáng)極芯結(jié)構(gòu)形式、安裝形式等進(jìn)行了一些適應(yīng)性?xún)?yōu)化：

（1）為克服傳統(tǒng)工藝中陽(yáng)極芯手工焊接效率低、涂層剝除和修補(bǔ)工作量大的問(wèn)題，采用“環(huán)向扁鋼+螺栓系統(tǒng)”代替陽(yáng)極芯與海底管道之間的焊接固定。具體為：在手鐲式陽(yáng)極沿海底管道軸向伸出的陽(yáng)極芯扁鋼上增加焊接環(huán)向扁鋼，并附帶螺栓系統(tǒng)；成對(duì)的手鐲式陽(yáng)極在海底管道表面抱緊后，不是通過(guò)陽(yáng)極芯與海底管道焊接固定，也不是通過(guò)陽(yáng)極芯之間相互焊接固定，而是通過(guò)環(huán)向扁鋼附帶的螺栓系統(tǒng)提供的扭矩壓力將陽(yáng)極在海底管道表面抱緊固定。

（2） 為防止手鐲式陽(yáng)極在下水過(guò)程中發(fā)生滑脫，利用計(jì)算機(jī)模擬分析海底管道鋪設(shè)時(shí)陽(yáng)極下水過(guò)程所受的最大摩擦阻力，計(jì)算出螺栓系統(tǒng)的扭矩，確保手鐲式陽(yáng)極下水過(guò)程中在極限受力情況下不出現(xiàn)滑脫。其中螺栓的扭矩可以按照式（1）計(jì)算[5]：

式中：T為螺栓扭矩，K為擰緊力矩系數(shù)，F(xiàn)為預(yù)緊力，d為螺紋公稱(chēng)直徑。

單個(gè)螺栓最小預(yù)緊力F可按照式（2） 簡(jiǎn)化計(jì)算，同時(shí)不應(yīng)超過(guò)螺栓的許用預(yù)緊力。

式中：Fmax為陽(yáng)極所受的最大摩擦阻力，n為螺栓數(shù)量，μ為摩擦系數(shù)。

（3）根據(jù)螺栓扭矩及預(yù)緊力要求，選用合適的防松脫螺栓，并在海底管道涂層與陽(yáng)極之間增加防滑橡膠片，進(jìn)一步增強(qiáng)陽(yáng)極和涂層之間的摩擦力。

（4） 將手鐲式陽(yáng)極邊緣由直角改為45°斜角，以減少陽(yáng)極下水時(shí)的摩擦阻力。

（5）采用銅釬焊技術(shù)安裝導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)手鐲式陽(yáng)極與海底管道之間的電連接。

（6）采用快干型雙組分無(wú)溶劑涂料修復(fù)導(dǎo)線銅釬焊窗口區(qū)域，以確保陽(yáng)極安裝后海底管道能迅速下水。

優(yōu)化后的海底管道手鐲式陽(yáng)極安裝形式見(jiàn)圖3。

圖3 優(yōu)化后的手鐲式陽(yáng)極安裝形式

2.2 優(yōu)化后的手鐲式陽(yáng)極安裝工藝

通過(guò)對(duì)深水海底管道手鐲式陽(yáng)極的陽(yáng)極芯結(jié)構(gòu)形式、安裝形式的優(yōu)化，本文給出了優(yōu)化后的深水海底管道手鐲式陽(yáng)極安裝工藝[6]，具體見(jiàn)表4。

上述優(yōu)化后的深水海底管道手鐲式陽(yáng)極安裝工藝避免了陽(yáng)極芯與海底管道之間及陽(yáng)極芯之間的焊接工作，大幅減少了管道涂層的剝除面積，通過(guò)預(yù)先的計(jì)算分析，規(guī)避了陽(yáng)極下水過(guò)程中滑脫失效的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，安裝工藝的前3個(gè)步驟均可在手鐲式陽(yáng)極安裝前完成，鋪管作業(yè)線上僅需進(jìn)行陽(yáng)極半瓦裝配、螺栓系統(tǒng)緊固和導(dǎo)線連接工作。

上述深水海底管道手鐲式陽(yáng)極安裝形式和工藝已應(yīng)用于南海區(qū)域某深水項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)該項(xiàng)目驗(yàn)證，優(yōu)化后的工藝有效克服了傳統(tǒng)手鐲式陽(yáng)極安裝工藝的不足，能夠滿(mǎn)足深水海底管道鋪設(shè)的高質(zhì)量、高效率要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

深水海底管道鋪設(shè)對(duì)手鐲式陽(yáng)極安裝的質(zhì)量和效率提出了較高的要求。本文分析了傳統(tǒng)手鐲式陽(yáng)極安裝工藝應(yīng)用于深水海底管道鋪設(shè)時(shí)，存在的安裝效率低、陽(yáng)極存在滑脫風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合深水海底管道鋪設(shè)的質(zhì)量、效率要求，對(duì)手鐲式陽(yáng)極安裝形式進(jìn)行了適應(yīng)性?xún)?yōu)化，包括使用“環(huán)向扁鋼+螺栓系統(tǒng)”代替陽(yáng)極芯與海底管道之間的焊接固定，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬分析了極限受力工況下螺栓扭矩，采用銅釬焊技術(shù)和快干型修補(bǔ)涂料等進(jìn)行焊接和修補(bǔ)，并給出了優(yōu)化后的手鐲式陽(yáng)極安裝工藝。經(jīng)過(guò)深水海底管道鋪設(shè)項(xiàng)目驗(yàn)證，優(yōu)化后的工藝能夠滿(mǎn)足深水海底管道鋪設(shè)中對(duì)手鐲式陽(yáng)極安裝的高質(zhì)量、高效率要求。