一種免海水進入的柔性軟管高效鋪設技術

戚 蒿，陳大江，汪建明

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，廣東 湛江 524057)

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一種免海水進入的柔性軟管高效鋪設技術

戚 蒿，陳大江，汪建明

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，廣東 湛江 524057)

以南海某氣田軟管安裝項目為例，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成套設備，并發明了一種采用注漿氣囊跨越已有海底管線和免海水進入軟管的高效鋪設技術。采用該成套設備和高效鋪設技術，不但可節省大量的海上軟管鋪設作業時間，提高軟管鋪設效率；而且可保護軟管免受海水介質的腐蝕，提高軟管的整體使用壽命。

柔性軟管；成套設備；注漿氣囊；免海水；鋪設技術

在邊際油田開發中，盡管單位長度柔性軟管造價較高，但較鋼管海管的最大優勢在于對地形適應性好、防腐性能好、易鋪設和可回收等特點[1]，在天氣、海況允許的條件下，可以實現軟管的連續鋪設，從而節省大量的海上作業時間[2]。同時，可以采用軟管代替部分立管和膨脹彎[3]。南海某氣田項目兩固定平臺之間需鋪設1條長約10 km、304.8 mm(12″)的大口徑海底輸氣軟管用于將井口平臺的油氣輸送到中心平臺進行處理，該軟管結構示意見圖1。

圖1 軟管結構示意

由于軟管骨架層通常選用不銹鋼材質，經模擬海水腐蝕試驗得知：不銹鋼材質在海水中的浸泡時間有限，否則會對軟管的整體使用壽命產生影響。而且，骨架層結構為鎖扣型式，成型后的骨架之間存在間隙，使得骨架與內壓密封層之間會殘存少量海水，雖然后續會進行軟管清管、排水和干燥作業，但很難將海水置換干凈。同時，由于該項目軟管鋪設時間被安排在天氣海況較差的冬季進行，這就要求在允許的天氣窗口內完成軟管與立管的對接，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效率的作業內容。

為了避免海水進入軟管內對骨架層不銹鋼材質的腐蝕影響，實現軟管的免海水進入鋪設作業，研制了一種免海水進入的爆破膜。同時，為了進一步提高軟管的海上鋪設效率，以及最大限度地減少潛水員的水下作業時間，研制了軟管段間快速連接器和球型法蘭連接器。

1 軟管鋪設成套設備的研制

1.1 爆破膜

在軟管直管段鋪設完成，與平臺立管連接之前，常規的做法是將軟管拖拉封頭拆除，再將軟管接頭與立管對接，這樣就會使得海水進入軟管內。為了實現軟管與立管對接時的免海水進入，設計了一種全通徑拉脫式金屬密封膜片，即爆破膜，見圖2。

圖2 爆破膜結構示意

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

爆破膜的設計應滿足如下技術要求。

1)承受水深所產生的靜水水壓而不致破裂。

2)為滿足通球要求，在金屬膜片四周設計環向刻槽(見圖2)，使得拉脫后的爆破膜內徑不得小于管道內徑。

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小于管道內徑。

4)膜片的拉脫力小于20 kN。

1.2 軟管段間快速連接器

由于軟管在過駁和海上鋪設期間經常發生打扭現象，同時，為了節省軟管接頭海上焊接和無損探傷檢測時間，以及避免軟管臨時棄管時切斷軟管的問題出現，研制一種軟管段間快速連接器，其主要組成見圖3。

圖3 段間快速連接器結構圖

該連接器的結構特點是：連接器的2端對稱，一側管接頭安裝密封鋼圈，以內六角螺釘及鋼圈卡環固定，并在管接頭凹槽內安裝O形密封圈。2管接頭的對接是以卡箍(2塊對稱)抱緊，通過拉伸器實現螺栓、螺母的緊固和預緊。安裝完成后，利用O形密封圈進行背壓密封，背壓測試壓力1.5 MPa，保壓15 min；利用密封鋼圈進行流道密封，測試壓力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)與水下結構設施(水下管匯或水下采油樹)的連接。在水下結構設施的安裝中，由于安裝精度的誤差問題，比如，水平度、艏向及位置等，導致海底管道與水下結構設施對接困難。同樣，軟管與立管對接時，由于立管彎頭角度、法蘭垂直度等安裝誤差或尺寸偏差問題，也會導致軟管接頭與立管法蘭對接困難，容易造成水下法蘭在管道偏差外應力作用下出現密封不嚴的問題，容易發生泄漏。

水下管道系統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。為了解決角度調整問題，保證長期使用及法蘭密封設計[4]，同時，為了方便軟管與立管的對接，減小潛水員的水下工作量，研制一種球形法蘭連接器來實現軟管接頭角度的調節，調節角度范圍為10°以內。該球形法蘭連接器主要包括球體、球法蘭、定位法蘭、第一環密封面法蘭、第二環密封面法蘭、螺柱、花籃螺栓及調節螺栓等，見圖4。

圖4 球型法蘭連接器結構

2 免海水進入軟管高效鋪設技術

以該氣田項目2平臺之間的軟管鋪設為例，介紹免海水進入的軟管高效鋪設方法。鑒于軟管的起始端鋪設、正常鋪設、甩尾和棄管、拾管等施工工藝與常規的S-lay鋪管船[5]所采用的S形鋪設方法[6]類似，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方法是在新管線鋪設前在原有管線2側鋪設混凝土壓塊，在混凝土壓塊2側疊放沙袋，或者在已有管線上方安裝鋼結構保護裝置[7]，在其上方鋪設新管線。但新鋪管線的實際路由與設計路由不可避免地會存在一定的偏差，使得基礎處理的范圍或鋼結構保護裝置的尺寸必須適當放大才能滿足要求，無形中增加了海上工作量。傳統的海管交叉跨越處理方法存在以下主要缺點。

1)需要專門動員作業船舶在新管線鋪設前對交叉跨越點進行預處理，產生極大的作業成本。

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

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

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。

針對海管交叉跨越技術作業時間長、成本高、風險大的缺點，設計和應用新型軟管跨越技術，即軟管在跨越已有海底管線前預先將注漿氣囊綁扎于軟管設計位置，注漿氣囊隨軟管下放并準確放置于已有管線2側，然后對氣囊進行注漿，直至新鋪軟管與原有海管垂直間距在200～300 mm時停止注漿作業。

下面簡要介紹采用注漿氣囊跨越已有管線的施工步驟。

1)借助ROV觀察軟管著泥點位置，利用軟管長度標記核實軟管水中懸鏈線長度。

2)當軟管著泥點與擬交叉跨越點的距離大于懸鏈線的長度時暫停鋪設，工作人員于船艉操作平臺上綁扎水下信標及回收繩，并記錄信標綁扎點在軟管上對應的刻度，比如，515 m。

3)啟動鋪設系統，軟管繼續下放，當軟管上綁扎信標的位置著泥后，ROV打點標記信標位置。

4)定位人員核算信標與擬交叉跨越點的距離，比如，175 m。

5)使用船艉卷揚機回收信標(回收采用直接拉斷信標固定繩方式)。

6)軟管繼續沿設計路由下放，待鋪設至軟管有680 m刻度標識時停止鋪設，在680 m標識線的2側綁扎注漿氣囊(見圖5)，在氣囊2個端部綁扎浮球，使氣囊下水時兩端漂浮于軟管之上，避免到達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，繼續軟管鋪設作業，如圖6所示，ROV實時觀察氣囊水中姿態，在軟管鋪設過程中應保證著泥軟管與已有管線垂直，否則，通過絞船微調鋪設路由。

圖6 注漿氣囊隨軟管下放示意

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

9)施工船舶上開始注漿作業，ROV實時觀察注漿氣囊的狀態，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。

10)ROV關閉氣囊側水下閥門，斷開注漿管線快速接頭，回收管線，交叉跨越施工作業完成，見圖7。

圖7 交叉跨越處理完成

2.2 免海水進入鋪設技術

要實現軟管的免海水進入，應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與軟管接頭法蘭之間(見圖8)，并通過螺栓拉伸器緊固。

圖8 爆破膜安裝示意

2)在平臺立管頂部安裝同孔注氣排水密封裝置，并預穿一根經過尼龍過塑的鋼絲繩，以便與爆破膜上的牽拉鋼絲繩連接。

3)連接平臺工廠風與同孔注氣排水裝置，將立管內的海水排空，關閉裝置上的閥門，保證立管內無海水進入。

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

下面以該氣田平臺側立管與軟管連接為例，簡單介紹免海水進入軟管施工工藝。

1)施工人員上平臺將2根牽拉鋼絲繩一端與平臺上100 kN卷揚機連接，另一端與軟管球形法蘭連接器上的螺栓孔連接。

2)平臺施工人員向立管內注淡水，使立管內水位與海水持平，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，啟動卷揚機緩慢將軟管末端牽拉至立管法蘭處，見圖9。

圖9 軟管牽拉示意

4)緩慢啟動卷揚機，繼續牽拉作業，潛水員采用扳手調節球形法蘭連接器上的花籃螺栓，使球形法蘭球面旋轉調節并與立管法蘭面平行對接；潛水員采用2根細螺栓進行法蘭螺栓孔對接。

5)盲板拆除完畢后，平臺施工人員向立管內注氣，使立管內氣壓達到0.7 MPa，關閉注氣閥，保持立管內壓力，將海水從立管內排除。

6)在法蘭對接過程中，預留鋼絲繩連接空間，潛水員連接預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法蘭面距離以185 mm及72 mm交叉布置。

9)潛水員打開助浮氣囊放氣閥，將氣囊內部的空氣排掉，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)拉緊螺栓時分3次上緊，第1、2次分別按50%、80%轉矩緊固。第3次按順時針依次上緊，按100%轉矩緊固。

12)拆除液壓拉伸器并回收，法蘭連接完畢。

13)起動預安裝在平臺上的150 kN爆破膜牽拉絞車，緩慢將爆破膜片從立管內拉出(見圖10)，確認軟管內無殘留部件，軟管連接完成。

圖10 爆破膜拉脫后的實物

3 結論

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成套設備的成功研制，不僅實現了軟管在整個鋪設過程中的免海水進入作業，使得軟管骨架層免受海水介質的腐蝕影響，保證了軟管的整體設計壽命，而且極大提供了軟管的海上鋪設效率，降低了軟管施工過程中的成本。同時，采用注漿氣囊實現了新鋪管線與水下已有管線的交叉跨越，不僅節省了交叉跨越點的預處理作業，而且降低了水泥壓塊或鋼結構保護框架安裝過程中碰撞已有管線的風險。經測算，與傳統軟管的鋪設作業相比，免海水進入的柔性軟管鋪設技術至少節省了10天的海上作業時間。該項技術的成功應用可為后續類似軟管鋪設項目的實施提供一定的參考和借鑒。

[1] 陳海.國產海底軟管在海上油氣田的應用[J].石油機械，2016(5)：61-65.

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

[3] 趙冬巖.撓性軟管在渤海海底管道的應用[J].中國海上油氣(工程)，1994(4)：24-26.[4] 郎一鳴.國內創新水下球形法蘭設計研究[J].海洋石油，2015(3)：84-88.

[5] 黃維平，曹靜，張恩勇.國外深水鋪管方法與鋪管船研究現狀及發展趨勢[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形鋪設施工技術探討[J].中國造船，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