海底管道修復技術及我國的發展狀況

陳 晨 陳社鵬 谷風濤

（中國石油天然氣管道局國內事業部）（中國石油天然氣管道應急搶險中心）

0 引言

海底管道是海上油氣田開發和建設的重要組成部分，它是油、氣集輸和外輸的最主要的方式。隨著世界海洋能源的快速發展，海洋開發也日趨頻繁，從1954年Brown&Root公司在美國墨西哥灣鋪設世界上第一條海底管道以來，世界各國鋪設的海底管道總里程已達十幾萬公里。而我國海底油氣管道的發展僅有20多年的歷史，目前我國海底管道已超過4.0×103km[1]。從我國海洋石油2015年的遠景規劃來看，海洋能源的開發將是我國能源戰略的重要方向。1973年我國首次在山東黃島采用浮游法鋪設了3條500 m從系泊裝置至岸上的海底輸油管道。自那時至今，我國海底管道大部分已進入了服役中后期，事故頻發已經危及海底管道的運行安全。本文主要從海底管道維搶修技術方面闡述海底管道的失效形式和修復方法。

1 海底管道修復技術現狀

海底管道維搶修技術對于我國還比較陌生的時候，國外已經是非常成熟的技術了。以PLIDCO公司，TDW Offshore Services AS公司，Wachs Subsea公司，OCEANEERING公司等為代表的國外專業化公司，其技術水平已經發展至千米級深水維修階段，已經從潛水員輔助維修發展至水下無人維修系統。

在我國，隨著海洋油氣資源的不斷開發，油氣管道的安全運行也日漸被重視，發展我國自主產權的海底油氣管道維搶修技術和裝備已迫在眉睫。“十五”863計劃 “渤海大油田勘探開發關鍵技術”重大專項研制的 “水下干式管道維修系統”在渤海成功進行了海上試驗。該系統是由海洋石油工程股份有限公司聯合上海交通大學、中國石油大學 （北京）、北京石油化工學院和哈爾濱工程大學五家單位進行聯合研發的，目前只能在60 m以內水深進行管道維修研究及施工作業，與國外先進技術相比還有很大的差距。 “十二五”期間中國石油天然氣管道局進軍藍色海洋管道市場，并不斷研究和開發海洋管道維搶修技術和裝備。圖1為中國石油天然氣管道局自主開發的海底管道搶修卡具和機械式封堵三通。

圖1 海底管道搶修卡具和機械式封堵三通

2 海底管道分類

海底管道可按多種方式進行分類。

按照輸送方式劃分：海底輸油管道，海底輸氣管道，海底油氣混輸管道，海底輸水管道。

按海底管道的結構劃分：雙重保溫管，單層管道。

按工作范圍劃分：油氣集輸管道，油氣外輸管道。

3 海底管道損傷的原因

據相關資料統計，海底管道出現損傷、泄漏的概率為0.2% （按每年每1000 km管道發生損壞的概率統計）[3]。自1973年我國建設首條海底管道至今，大部分海底油氣管道已經步入了服役中后期，管道因內外腐蝕、地質災害及第三方破壞等因素影響，其損壞率有逐年遞增的趨勢。表1為1998～2012年我國海底管道泄漏事故的統計。

由表1和相關文獻資料可將管道受損原因大致歸納為6個方面：

（1）管線在路由選擇和設計時不合理，導致了管線在施工中遭到損壞，這種損壞往往并沒有被及時發現。此外，管線材料的內在缺陷在當時未被發現，但在后來的管線運行過程中逐漸暴露出來，也是造成管線損壞的原因。

表11998 ～2012年我國海底管道泄漏事故統計[10]

（2）海底管道的路由位置正好處于海上作業施工點或航道處，由于工程施工、船舶拋錨、拖網捕魚等作業造成了海底管道的刮傷、砸傷。

（3）管線周圍的土體受到海流的長期沖刷，造成埋設管線露出海床，并可能形成長的懸跨段，給管線安全運行造成危害。

（4）海面上航船等拋下的物體，也可能撞擊到管道，使得管道局部受力過大，造成管體破壞。

（5） 海底管道輸送的介質通常都具有一定的腐蝕性，長期輸送這樣的介質會造成管道內腐蝕。此外，海洋環境因素也會造成管道外腐蝕。管道內外腐蝕的共同影響，更易造成管道的腐蝕破壞。

（6）管內介質的流動會造成管體輕微振動。管線長期受到這種振動影響，會使管體周圍土質變松，再加之海流沖刷，就極易產生管道懸跨或管道浮出管溝的現象。

4 水下破損管道的修復方法

由于海底管道所處環境的特殊性，難免造成各種各樣的損壞。要修復損壞的管道或管道上的缺陷，需要根據管道損壞或缺陷的情況和作業能力來選擇合適的修復技術。一般情況下海底管道維修方式可分為如下幾種：鋼套袖修復法、外卡修復法、套筒修復法、機械連接器修復法、機械式三通維修法、法蘭修復法、水下焊接修復法等[2-5]。

4.1 鋼套袖修復法

鋼套袖修復法一般分為焊接式鋼套袖和機械式鋼套袖兩種。焊接式鋼套袖修復法是采用與原管道相同型號、分為兩個半圓形的鋼套將其套在破損管道表面，然后采用焊接的方式焊接半圓形鋼套，并在鋼套和管道間的縫隙填充密封材料，見圖2。機械式鋼套袖與焊接式鋼套袖類似，也是分為兩個半圓形鋼套，不同之處是機械式鋼套袖采用螺栓緊固上下半圓形鋼套，將其緊固在受損管道的外表面，并在鋼套內表面和管道外表面之間的間隙中填塞密封材料，見圖3。這種修復方式操作簡便，管道可不停輸，也無需管道斷管作業。但由于焊接式鋼套袖方法涉及水下焊接作業，水下焊接質量難以保證，因此只適用于修復管道小面積的腐蝕以及對淺水管道的修復。

圖2 焊接式鋼維修套

圖3 螺栓連接式鋼維修套

4.2 外卡具修復法

外卡具修復法是在海底管道泄漏部位安裝堵漏卡具，卡具主要由上下殼體、液壓機構、密封機構及端塞組成。施工時，通過安裝在卡具上的液壓機構將上下殼體張開，由潛水員牽引至管道維修處并扣在需修復的管段上，采用液壓扳手將上下殼體連接螺栓擰緊，兩側的端塞螺栓采用液壓扳手擰緊，保證卡具的軸向和環向密封條達到密封要求，最終達到管道設計運行要求。外卡具修復主要用于修復泄漏較小的管道，卡具形式如圖4所示。

圖4 海底管道搶修卡具

4.3 連接器修復法

連接器修復法可按照連接器的類別不同分為法蘭連接器修復法和機械三通修復法。

4.3.1 法蘭連接器修復法

法蘭連接器修復法是將原有管道進行機械斷管后，在管端安裝法蘭連接器，同時在更換管段端部預先焊接法蘭，替換管段采用法蘭連接的方式與原管道上的法蘭連接器進行機械式連接，達到修復的目的。

法蘭連接器修復法的主要步驟如下：切割破損管段后，將法蘭連接器安裝到管端，再安裝拉緊螺栓，然后通過螺栓拉伸器將螺栓擰緊。法蘭連接器上的凹槽受到力的作用，與管道外表面接觸，并使管道壁產生塑性變形，形成整體密封。安裝好法蘭連接器后，再安裝替換管段。法蘭分為標準法蘭、旋轉法蘭和球形法蘭。其中標準法蘭適用于水面管道維修，旋轉法蘭和球形法蘭適用于海底管道維修，見圖5。

圖5 法蘭連接器及法蘭連接器的安裝

法蘭連接器修復法適用于大面積管道破損的維修、長距離管道更換；可在水下調節安裝角度和方向，更加適宜于水下換管以及管道同軸度難以保證時的維修；作業過程比較簡單，潛水人員可進行操作，簡便易行。缺點是：由于全部采用非焊接形式，易產生機械密封不嚴、微泄漏等現象。

4.3.2 機械式三通修復法

機械式三通修復法按照工藝來說，應歸類于水下不停輸或者停輸開孔封堵修復工藝。機械式三通與水下開孔機和封堵器配合使用，即可達到修復管道的目的。機械式三通和陸地管道不停輸封堵工藝使用的三通功能一致，區別在于機械式三通是通過螺栓緊固和密封機構共同作用使其固定在管道上的，而陸地管道不停輸封堵采用的三通是直接焊接在管道上的。為了使得機械式三通便于在水下安裝，在設計過程中采用了液壓機構，使其能夠在水下自由打開和閉合，橫向和環向密封設計和端部卡瓦設計使得機械式三通使用更加安全。機械式三通的結構如圖6所示。

4.4 水下焊接修復法

水下焊接修復法是在水下切割破損管段，并對管道切口端部進行機械處理，完成修復短節與原管道的對口，再將處理后的管端與替換管段進行對口焊接，焊口作防腐處理，最終完成修復工作。

水下焊接修復法分為濕式焊接法、局部干式焊接法和干式焊接法。此外，還有水下摩擦疊焊修復法、等離子焊修復法等[6-7]。

圖6 機械式三通結構

4.4.1 水下濕式焊接法

水下濕式焊接法施工時，設備置于海水環境中，電弧與水之間沒有隔離措施，電弧僅依靠焊條在焊接作業過程中產生的氣體來保護，焊接質量難以控制，效率低，可靠性相對較差。

隨著我國水下焊接技術的不斷發展，近年來已經開發出了應用于水下焊接的專用焊條，進一步推動了水下濕式焊接技術朝著操作簡便、成本低廉、施工作業簡單的方向進一步發展。

4.4.2 水下局部干式焊接法

與水下濕式焊接法不同，水下局部干式焊接法是將焊接部位周圍局部范圍內的水用人工方法排除，形成局部氣室，焊弧將被保護在這個區域內，而焊接所需設備和人員則處在海水中。

4.4.3 水下干式焊接法

水下干式焊接法是將施焊部位區域水排出，形成 “干”式環境，之后再進行焊接操作。依據周圍壓力的不同，通常可以分為干式高壓焊接法和干式常壓焊接法兩種。

（1）水下干式常壓焊接是 “干”式環境，壓力為常壓狀態，此種狀態便于潛水員進行焊接作業，焊接質量與陸地相同，適合于淺水管道的修復。

（2）水下干式高壓焊接在最近幾年發展較快，研究此項技術較早的是北京石油化工學院，其在水下高壓焊接方面取得了一定成果。水下高壓焊接法是一種效率較高的水下管道維修方法，尤其對于深水海底管道的維修具有一定優勢，目前各國都在進行相關方面的研究和應用。

5 修復方法的選擇

在深海海底管道維修中，一般將管道損壞長度小于其管徑，且不危及管道整體結構的損壞稱為管道小損壞。例如，由于管道的局部腐蝕或管道焊接缺陷而造成的裂紋或小孔泄漏。相對于管道小損壞而言，管道受損長度大于其管徑，一般稱為管道大損壞。

管道維修一般應根據管道損壞程度、維修系統能力及作業支持船舶的綜合能力等因素選擇合適的維修方法。此外，還需考慮海底管道的基本參數（管徑、設計壓力、壁厚、管道形式）、水深、海底埋設深度、破壞位置、臨時性的還是永久性的維修措施、維修作業時間的長短、現有的維修技術和維修設備以及維修成本等。表2為Joseph Killeen等列舉出的海底管道可能出現的幾種損壞情況，以及可以選擇的相應維修方式。

表2 海底管道不同損壞類型采用不同的維修方式[10]

由表2可知，在海底管道上出現小孔或小裂紋泄漏時，可采用夾具進行永久性維修。夾具維修時，應保證維修夾具在安裝和使用過程中不會破壞原管道的完整性，并且不能破壞原管道的結構和力學特性。對于管道出現大面積腐蝕、破裂甚至變形時，可采用換管維修或采用重新鋪設的方式進行管道修復。

5.1 鑿槽、溝紋或凹痕

影響管道完整性的鑿槽、溝紋或凹痕，應在符合管道安全等級的管道壓力下立即進行修復，可采用外卡具修復或對開式套筒修復。

5.2 泄漏的修復

在對任何泄漏進行永久性修復前，應查明泄漏的真正原因，按照現場修復工藝規程和要求進行修復。對管體或焊縫處泄漏的永久性修復，應在停輸處理后將損壞管段切除，或采用對開式套筒加固進行修復。

6 結論

（1） 海底油氣管道損壞可以采用不同的方法進行修復，可依據管道的損壞程度和損壞原因合理選擇維修方法。但是管道修復過程必須按照相關的標準嚴格要求，以確保管道修復的安全。

（2）海底管道維修技術在我國仍處于初級階段，還有很多的工作需要完成，因此在積極研究和開發此類技術的同時，善于借鑒國外先進技術，再結合我國自身國情和技術手段，是快速提高自主創新能力的必要手段。

（3）我國海底管道維修技術將從淺海有潛維修向深水無潛維修技術方向發展，并逐步縮小與國外維搶修技術的差距。

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