長距離海底天然氣管線損傷維修方法

梁光輝　成二輝

（海洋石油工程股份有限公司）

長距離海底天然氣管線損傷維修方法

梁光輝*成二輝

（海洋石油工程股份有限公司）

長距離天然氣管線發生意外損傷后，其首要問題是對管內大量的天然氣進行置換并避免大量海水灌注，同時進行各種搶修方案的編制，以應對不同損傷類型的搶修工作。對長距離天然氣管線損傷維修方法進行了闡述，并以某一長距離天然氣管線意外損傷維修工程為例，敘述了管線斷裂后的維修方法，可對今后類似的管線損傷有一定的借鑒作用。

長距離天然氣管線損傷封堵隔離維修舷側起吊切割

0　概述

長距離油氣輸送管線是國民經濟的大動脈，而海底管線作為海上油氣田開發、生產與產品外輸的主要生產設施，被喻為海上油氣田的“生命線”。油氣長輸管線的事故會造成人員傷亡和直接經濟損失，以及下游的油氣田和下游的工礦企業停工減產的間接損失。特別是輸氣管線直接擔負大中城市巨大的生活供氣，一旦中途中斷供氣，將影響千家萬戶的生活和社會的正常秩序，造成巨大影響和經濟損失。

管線一旦發生損傷泄漏，在未確定準確損傷形式之前，必須準備多個不同的維搶修方案。同時，準備各種不同的維修資源，在最短的時間內動員至海上施工現場。隨著水下調查的進展，逐步細化并確定最終的維修方案。

本文將對長距離海底天然氣管線不同損傷形式的維修方法進行介紹，并以某一海底管線維修工程為例，闡述該類型管線的維搶修方法。

1　長距離天然氣管線維修方法

1.1損傷形式

海底管線泄漏大體上可以分為如下三種損傷形式［1］。

（1）管線小泄漏

管線小泄漏，即泄漏點尺寸比較小。這種泄漏一般是由局部腐蝕或焊接缺陷等原因引起的小破損造成的，如小孔、小坑或小裂紋等。

管線小泄漏又分泄漏點有無凹陷兩種情況。若泄漏點處無凹陷或凹陷較小，采用管卡維修后，可以進行正常生產和通球作業。若泄漏點處有較大凹陷，采用管卡維修后管線的正常生產和通球都將受到影響，因此需要在維修前將凹陷部分切除。

對于凹陷面不能切除的情況，管卡維修后可選擇適當施工時機進行永久維修。

（2）管線局部破損

管線局部破損一般是由于大面積腐蝕或者外力作用造成的，其泄漏點軸向尺寸或者環向尺寸較大，泄漏點附近海管圓度發生較大變化，不能滿足小尺寸管卡安裝要求。

對于軸向尺寸較大的漏點，在詳細測量海管泄漏點尺寸和圓度后，可根據測量尺寸特制機械管卡進行維修，也可考慮切除破損點，更換短節維修。

管線局部破損也分漏點有無凹陷兩種情況，對于有凹陷的情況，處理措施和管線小泄漏相同。

（3）管線大范圍的破損

管線大范圍的破損一般是由于外力作用（如錨刮傷、挖泥船損傷等）或者惡劣自然環境（如海床變遷、地震、海嘯等）所致。這種情況一般不能通過管卡維修，只可考慮更換短節維修。

1.2維修方法

長距離海底天然氣管線多是由海上輸向陸地的登陸管線，大多需要跨越航道區、漁業活動區、挖沙區等。管線受外部因素影響較大，其安全風險也隨之增大。一旦發生意外損傷，首先要考慮的是如何置換或封堵管內存留氣體，避免發生大量泄漏甚至爆炸的安全事故，同時盡量減少管線內部海水的灌入。再根據管線損傷的情況，選擇適用的維修方案進行維修。

1.2.1置換和管內封堵

天然氣海管發生泄漏后，需要立即停產，但為了防止海水倒灌，管內仍需保持微正壓。因此，損傷點持續泄漏的天然氣對現場維修工作帶來了極大的安全風險。根據多次天然氣管線泄漏的案例分析，從陸地終端向管內返灌氮氣，一方面可避免由于天然氣泄漏造成閃爆等嚴重的后果，另一方面可避免海水的大量灌入。

另外，如果管線損傷較為嚴重需要切割，或者沒有大量的氮氣進行返灌，則需要考慮進行管內封堵隔離。封堵隔離的方法大致有以下幾種。

（1）遙控封堵隔離

遙控封堵隔離技術是20世紀90年代挪威PSI公司開發的一種作用于管內的高壓封堵技術。美國TDW公司（美國TDW公司于2005年收購了挪威PSI公司）和Oil States公司也對水下油氣漏點封堵隔離技術作出了有意義的探索。目前這些公司和水下油氣漏點封堵隔離技術已經相當成熟，研制出整套的管線高壓智能封堵系統，并已生產出用于陸地和海底油氣管線管內壓力隔離的產品，有了實際的應用。我國在管線應急封堵與壓力隔離方面的研究起步較晚，還處于探索與實驗階段。內脹式管內高壓封堵器目前已經有了一些有意義的探索和研究，并有了一定的成果［3］。

（2）凝膠隔離

凝膠廣泛應用于油田水基壓裂劑、泥漿添加劑以及食品行業添加劑等，國內某一10吋（254 mm）的原油管線維修時也曾成功地應用過。

凝膠段塞的成膠物質為羥丙基凝膠，具有許多優異的特性。經過化學處理后，水不溶物及殘渣大幅度降低。羥丙基凝膠粉溶于水后成為凝膠溶液，加入有機硼交聯劑后在短時間內形成果凍狀膠體凝膠。交聯后的凝膠具有抗高溫、穩定性好等特點，不溶解于原油、凝析油、水，無毒。凝膠在一定的時間內能自然水解，水解產物無污染，黏度低（與水近似）。

封堵隔離施工之前需要現場技術資料，進行實驗室試驗，確定凝膠濃度、交聯劑濃度、交聯時間，使成膠的彈性好，而且抗剪切性強，不易開裂，水力條件下流動性好。凝膠段塞既可以在自然條件下經過一定時間自然降解成水溶液，也可以通過添加破膠劑來促進水解，縮短降解時間。

（3）帶壓開孔封堵

根據三通類型可分為干式焊接三通式帶壓開孔封堵和濕式機械三通式帶壓開孔封堵。

焊接三通式帶壓開孔封堵技術需要在封堵位置形成干式環境，然后在干式環境內焊接三通，安裝閘板閥和開孔機，進行開孔作業。開孔結束后安裝封堵機，實現對管線的封堵。

機械三通式帶壓開孔封堵技術無需形成干式環境，可直接在水下完成機械三通、閘板閥和開孔機的安裝，并在濕式環境下完成帶壓開孔封堵作業，實現對管線的封堵。

1.2.2封堵管卡維修方法

封堵管卡維修方法適用于海管發生局部小漏且管線未發生影響管線正常運行的較大變形的情況。根據結構形式，管卡可分為臨時橡膠密封管卡、臨時水泥管卡、永久機械管卡和結構管卡等。

若使用臨時橡膠密封管卡或水泥管卡，則搶修完成后需要在適當時機進行后續的永久維修；若使用永久機械管卡和結構管卡，一般設計壽命在20～25年，不同廠家的設計壽命不盡相同，在安裝完成后一般無需特殊維護。

1.2.3平管起吊維修方法

平管起吊維修方法適用于水深較淺的海域及管線發生極大范圍破損的情況，需停產進行更換管段。平管起吊維修方法屬永久維修，維修完成后需對法蘭進行保護，后期無需進行日常監測或維護。

具體維修施工步驟為：停產情況下，切除破損管線；使用平管起吊船舶將兩個切割點分別起吊至施工船舶甲板；在切割點位置打磨并焊接法蘭，將海管下放至海床上；測量并預制需要更換的短節；水下安裝短節，完成維修。

1.2.4機械連接器維修方法

簡單而言，機械連接器維修法就是將破損管段切割后，用短節替換，而替換的短節用連接器與原管線連接。

具體維修方法為：先將破損管段切除；如果是混泥土配重管線，使用液壓風鎬或其它清除設備去除混凝土；如果是雙層管線，利用環向切割機切割剝離管端外管，同時將海管兩端清理打磨干凈，達到安裝水下機械連接器的要求。完成后在兩端安裝機械連接器，最后測量、預制并安裝短節，回填作業坑，結束維修作業。

1.2.5干式艙維修方法［2］

常壓干式艙已在數次海管維修工程中起到了重要的作用，比較有代表性的有2001年渤西天然氣管線不停產開孔封堵維修工程及2007年東方1-1登陸管線維搶修工程。常壓干式艙適用于15 m以淺的水域。在以下情況下可考慮使用常壓干式艙：（1）不滿足起管焊接維修的條件，而且缺少濕式維修的機械連接器備件；（2）不停產帶壓開孔封堵維修采用焊接三通，非采用機械三通的情況。

具體維修方法為：潛水員水下調查管線損傷情況，確定管線切割位置；使用挖溝設備對海管切割位置開挖作業面，滿足干式艙就位要求；清除管線表面涂層，滿足切割和干式艙密封的要求；干式艙就位，打固定樁并放沉板壓沙袋，增加其穩定性。測量并制作兩側密封門，水下安裝密封。利用排水泵將干式艙內水排凈，形成干式環境；對管線表面進行清理后開始冷切割及端部開坡口作業，進行法蘭焊接；干式艙拆除，短節安裝，完成維修作業。

2　斷裂管線維修案例

渤海灣某油田一條14吋（356 mm）天然氣登陸管線曾發生意外損傷。該管線全長約90 km，路由穿越多個養殖區、挖溝區，來往船只頻繁，風險級別較高。在管線發生損傷泄漏后，平臺隨即停產，但在未做水下探摸調查前，并不了解損傷的形式，所以平臺入口處仍維持微量壓力，以防止泄漏點海水灌入。

于此同時，為保證維修作業船到達現場后的施工安全，從陸地終端向管內返注氮氣，以稀釋和置換管內和泄漏點位置的天然氣。

在未確定損傷形式前，提前準備了兩套維修方案，分別針對穿孔小漏且無較大變形的損傷及裂縫大漏甚至斷裂的損傷兩種形式。

對于穿孔小漏，準備了國產臨時封堵管卡和進口永久封堵管卡兩套備件。

對于裂縫大漏和斷裂，考慮到泄漏位置海圖水深約10 m，準備了水下冷切割及舷側起吊設備。

維修作業船現場就位后，經潛水員水下探摸，發現海管已經斷開，斷口上部整齊，下部有變形，探摸到近岸端的海管，海管最大懸空2～3 m，懸空長度10 m，斷口向陸地方向4 m位置為焊縫節點。遠岸端的海管，管頭埋在泥面以下，距離管頭位置31 m和43 m的兩處均發生明顯的折彎。

根據這種情況，必須采用更換損傷管段的方案進行維修，而且管線已經斷開，管內已經灌注海水，所以陸地終端隨即停止氮氣的返注。

2.1管線吹泥暴露

海底管線舷側起吊之前需要將管線暴露于海床。根據該管線舷側起吊的計算報告，需從管端部向兩側進行吹泥，分別暴露70 m，以滿足舷側起吊的需要。圖1為挖溝機吹泥作業示意圖。

圖1　挖溝機吹泥作業

吹泥暴露作業的步驟如下：

（1）連接調試挖溝機電力系統、軟管連接系統、拖拉纜等，并進行試運轉。

（2）定位工程師在距離斷口兩側各70 m位置做好模擬標記。

（3）在潛水員引導下，挖溝機就位于斷口正上方約0.5 m處。

（4）通過挖溝機前后兩個聲納觀測挖溝的效果，以及管線裸露懸空的情況。

2.2管線損傷段冷切割

管線兩處折彎損傷段必須在水下切除，考慮到吊裝的問題，在水下切兩刀將損傷段回收至甲板。常用的水下冷切割設備有閘刀鋸、爬管式切割機、分瓣式切割機、鉆石線切割機等。圖2為目前常用的水下冷切割設備。

該項目采用閘刀鋸進行水下切割。先將閘刀鋸安裝在管線節點位置，然后將管線連同保溫層、防腐層整體切割斷開，最后將損傷段回收到甲板上，見圖3。圖4所示為一個距斷口43 m處的彎曲點。

2.3舷側起吊

損傷管段切除回收后，開始進行管線舷側起吊焊接新法蘭。舷側起吊作業需要進行詳細的計算分析，以保證管線內部應力滿足結構強度要求，并使舷吊受力在設備允許和可控范圍內。

該管線采用一個5 t浮袋配合兩個舷吊完成舷側起吊工作，起吊示意圖如圖5所示。

管線起吊至甲板后，搭設舷外腳手架。然后，進行端面處理，進行新法蘭的焊接、射線檢驗及防腐作業。這些工作完成后，再按照計算分析報告將管線緩慢放回海底。

圖2　常用的水下冷切割設備

圖3　距斷口31 m處的折彎點

圖4　距斷口43 m處的彎曲點

2.4法蘭測量和短節預制

由于損傷管段較長，分兩段進行預制和安裝。先在甲板上預制一根36 m長的新管段，吊放入水與遠岸端法蘭進行連接。連接完成后，再進行水下法蘭測量，得到準確的數據后再進行第二段新管段的預制工作。

圖5　管線舷側起吊

使用水下測量儀測量兩法蘭平面之間的距離和角度。測量時如果角度過大，即兩端的海管不在同一條直線上，則需要根據測量的距離和角度進行CAD模擬，然后調整管線的位置，再進行測量，直到兩端的海管調整在一條直線上。

當然，要是兩端海管在絕對一條直線上，兩端法蘭測量儀的角度都必須為零。根據多個項目經驗，如果角度在±1°范圍內，此時計算好兩端法蘭面之間的距離，則短節對接起來會比較順利，一次合格率較高。

該項目管線經過搬管微調后，法蘭測量結果一端水平角度是0°，另一端水平角度是+1°，非常理想。圖6所示為法蘭測量示意圖。

圖6　法蘭測量

2.5水下連接

短節預制完成后，浮吊船吊機將短節吊裝下水，潛水員水下指揮吊機，并通過浮袋配合，完成短節的對接。潛水員穿上所有法蘭螺栓后，先使用棘輪扳手緊固螺栓，然后使用液壓拉伸器按照液壓拉伸程序對螺栓進行對稱、均勻加力。

管線連接完成后其示意圖如圖7所示。

圖7　更換短節連接完成

2.6收尾作業

管線連接完成后，即完成管線的主體維修作業。復產及收尾作業還包括：（1）管線整體試壓、排水、干燥惰化；（2）管線法蘭保護；（3）懸空裸露段回填保護。

由于該管線是嚴重的斷裂損傷，已經沒有封堵隔離的必要。管線維修完成后，管內的海水必須在全線試壓完成后按程序進行排水和干燥惰化，所需的工期較長，即管線復產的周期較長。

如果管線未發生斷裂，則處理的方式分為以下兩種情況：

（1）管線為穿孔小漏，或者漏點較大但并未發生影響正常生產和通球的變形，可返灌氮氣，維持泄漏點微正壓，采用安裝永久機械管卡或者結構管卡的方法進行維修。

（2）管線為裂縫大漏，且影響管線的正常生產和通球，可根據現場實際情況選擇本文第1.2.1條中的方法進行封堵隔離，再選擇本文第1.2.3～1.2.5條中的方法進行切割，更換損傷段，完成維修作業。

3　結束語

長距離海底天然氣管線一旦發生損傷，其維修難度比一般管線都大，主要是需要考慮和解決很多棘手的問題。一方面需要避免泄漏位置天然氣外逸造成的閃爆風險，另一方面需要采取有效的封堵隔離措施以減少海水的灌注，避免維修后排水、干燥、惰化等周期性較長的工作，保證管線快速恢復生產。與此同時，要制定快速有效的維修方法，在保證施工安全的前提下，緊湊、有序、快捷地完成封堵卡具的安裝或損傷管段的更換。當然也應該看到，水下管內封堵隔離作業在國內并不成熟，還需要不斷的科學研究和工程實踐來提高國內相關的技術和裝備能力。

［1］張仕民，譚桂斌，朱霄霄，等.油氣管道維搶修技術進展［J］.石油機械，2011，39（10）：174-178.

［2］房曉明.海底管線干式維修技術［J］.哈爾濱工程大學學報，2007，29（7）：651-657.

［3］孫東昌，田海慶.淺海海底管線維修技術和裝備研究［J］.海洋工程，2006，24（4）：56-61.

Maintenance Methods for Long Distance Submarine Natural Gas Pipeline Damage

Liang GuanghuiCheng Erhui

When the accidental damage of the long distance natural gas pipeline occurs，the natural gas within the pipe must be replaced，the seawater perfusion be avoided and the emergency repair schemes be settled according to different damage types.The maintenance methods for the long distance natural gas pipeline damages are described in this paper.Meanwhile，taking a maintenance work of an accidental damage for an example，the maintenance methods for pipeline rupture are introduced which is of great reference value.

Long distance；Natural gas pipeline；Damage；Plugging and isolation；Maintenance；Side lifting；Cutting

TQ 055.8

2015-06-17）

*梁光輝，男，1983年生，工程師。塘沽市，300451。