國內外深水海底管道技術發展現狀概述

胡知輝，佟光軍，郭學龍，田 凱，付光明

1.中國石油集團海洋工程有限公司工程設計院，北京100028

2.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580

近年來，隨著深水油氣田的不斷開發和天然氣輸送管道的建設，海底管道的數量在不斷增加，同時海底管道的安裝水深也在不斷增加。目前，正在規劃的部分深水海底管道項目的水深已經超過3 000 m[1]，給制管和施工技術帶來了新的挑戰。另外，對深水復雜海床處理技術、應急維搶修技術和海底管道檢測及完整性管理技術也提出了更高的要求。

目前海底管道管材等級以X65為主，但隨著制管技術和焊接工藝的進步，高強度管材會在未來的深水海底管道項目中得到逐步應用，如Nord Stream管道項目和Langeled管道項目鋼管已經使用了X70[1-2]管材。國外已經開展了X80等高強度管材用于海底管道的論證研究工作。通過提高管材等級，能夠減小鋼管壁厚，并降低管廠制管難度和成本，縮短海上焊接和安裝工期。另外，為了滿足深水海底管道安裝鋪設的需要，鋪管船更新換代的速度可明顯加快，鋪管能力和專業化程度越來越高[3]。

1 典型深水海底管道工程介紹

深水海底管道主要包括兩類，一類是跨區域長距離天然氣輸送管道，如已經建成投產的Nord Stream管道，正在建設的Turk Stream管道等；另一類是深水油氣田開發過程中的回接管道和外輸管道，根據深水油氣田開發模式的不同，回接管道主要包括管匯之間和管匯至浮式平臺之間的輸送管道。

國外主要已經建成投產的跨區域長距離天然氣輸送海底管道工程如表1所示。鋪設管徑最大、路由最長的海底管道是2012年建成投產的北溪管道（Nord Stream），該管道是俄羅斯輸往德國的天然氣管道，路由全長1 225 km，最大設計壓力22 MPa，最大水深210 m，年輸送天然氣550億m3，海底管道管材采用SAWL X70[4]；鋪設水深最深的海底管道是2017年開始建設的TurkStream管道，該管道是俄羅斯輸往土耳其的天然氣管道，路由最大水深為2 200 m，由兩條并行的32 in（1 in=25.4 mm）海底管道組成，路由全長925 km，最大設計壓力為30 MPa，年輸送天然氣315億m[3-5]。

表1 國外主要跨區域長距離天然氣海底輸送管道工程情況

除表1中介紹的已建項目外，還有正在規劃或即將建設的跨區域長距離天然氣輸送管道工程：中東輸往印度的SAGE天然氣管道（管徑為27.2 in，最大水深為3 450 m，設計壓力為40 MPa，路由長度為1 300 km，管材計劃采用X70）[6]，以色列輸往希臘的Eastern Med天然氣管道（管徑24～28 in，最大水深3 300 m，路由長度2 200 km）[7]，阿爾及利亞輸往意大利的Galsi天然氣管道（管徑26 in，最大水深2 800 m，路由長度565 km）[8]。

國外主要深水油氣田開發建設的海底管道工程如表2所示，主要集中在墨西哥灣和巴西海域，伴隨著深水油氣田的開發，海底管道的鋪設水深也在不斷增加，Perdido Norte油氣田海底管道安裝水深達到2 961 m。管道輸送壓力和安裝水深的增加，對管材和鋪管船都提出了更高的要求。

表2 國外主要深水油氣田開發建設的海底管道工程情況

國內荔灣3-1深水管道是目前國內水深最深（1 500 m）、壁厚最大、輸送壓力最高的海底管道，深水段管徑為22 in，最大設計壓力23.9 MPa[10]；目前中海油正在進行開發的陵水17-2深水氣田，水深1 336 m，計劃采用“深水半潛式生產處理平臺+深水水下生產系統+干氣接入主干管網”的開發方案，也需要鋪設深水海底管道。

2 深水海底管道管材選擇

深水海底管道設計主要采用DNVGL-ST-F101（2017）規范，隨著水深的增加，壓潰和屈曲分析是深水海底管道設計中重點考慮的問題，需要安裝止屈器來抵抗外壓壓潰及屈曲傳播的風險[11]。另外，還包括自由懸跨、鋪設安裝、地震、海床液化和邊坡穩定性分析等。

深水海底管道的施工難度與水深×管徑成正比，隨著水深的增加，海底管道將承受更高的外壓，需要通過增加壁厚來提高抗壓潰能力；同時隨著輸送壓力和管徑的提高，需要通過增加壁厚來保證管道在位安全，圖1給出24、28、32 in三種管徑不同水深所需的最小壁厚（管材等級X65）。因此為了滿足一些深水項目需要，鋼管壁厚度逐漸增加，目前部分項目鋼管的壁厚超過40 mm，已經達到制管和施工能力的極限[12]。如Turk Stream管道直徑32 in、水深2 200 m處管道壁厚為39 mm，SAGE管道項目管材采用X70、管道直徑27.2 in、最大深水3 450 m處管道壁厚為40.5 mm。

圖1 海底管道所需最小壁厚與水深的關系

目前海底管道普遍采用的管材等級為X65，國外Nord Stream和Langeled等大管徑海底管道，已采用X70鋼級鋼管，以減小鋼管壁厚，國內南海荔灣深水管道項目也部分采用X70鋼級鋼管[13]。管道若采用X70高等級鋼材，能夠減少一定鋼管壁厚，進而降低管廠制管難度和成本，同時管道重量的減少可以有效降低鋪設張力。

X70等高強度等級管材，由于合金化成分較高，鋼的可焊性和韌性偏低，同時對焊接裝備水平和工藝水平要求較高，焊接熱影響區軟化的傾向性較大[14]。因此高強度管材與中低強度管道鋼相比，難以獲得優質、無缺陷的焊接接頭，工藝焊接性比較差。但深水油氣輸送管道受輸送介質及海洋環境作用，容易造成介質腐蝕，而海流作用造成的管道振動則可能導致疲勞破壞，與陸上長輸管道相比，預定服役要求更加苛刻，對其使用焊接性有很高的要求。

但隨著焊接技術的發展，逐漸開發出適合高強度管線鋼的高效焊接方法的焊接工藝，如全自動熔化極氣體保護焊（GMAW），優化焊縫金屬和母材強度匹配等，能夠減小焊接飛濺和熱變形，提高焊縫缺口斷裂韌性，為高強度管材在海底管道中的應用奠定了一定的基礎。

3 深水鋪管船資源

目前，適用于深水海底管道安裝的主要方法是S-lay、J-lay和Reel-lay（簡稱R-lay） 鋪設。S-lay鋪設過程中，管道在托管架的支撐下自然彎曲成S形曲線，管道下彎段的曲率由張緊器產生的拉力來控制，管道上彎段的曲率和彎曲應力由滑道支撐和托管架的曲率來控制，隨著鋪設水深的增加，對鋪管船托管架和張緊器的性能要求越高。J-lay鋪設是一種將管道接近垂直的形態下放到海床上的鋪設方法，該方法的優點是所需的張力較S-lay小、鋪設后管道殘余應力小，是深水和超深水管道鋪設比較適用的方法[15]。R-lay鋪設需預先在陸地上預制成一定長度的連續管，然后上卷到卷筒上，因此管徑不宜太大，一般管徑為4～18in，在管道鋪設階段，將管道從卷筒上退卷，經校直后通過張緊器將其鋪設到海底[16]，該方法的優點是鋪設速度快且受環境條件影響小。

對于S-lay、J-lay和R-lay三種鋪設方法，需要采用對應的鋪管船進行海底管道鋪設，黃維平[17]、劉嵬輝和李艷[18]等相關文獻已經對國內外鋪管船進行了介紹和對比分析，本文著重闡述新投入使用的Pioneering Spirit、Saipem Castorone 和 HMC Aegir等功能較強的深水鋪管船的關鍵設備和技術參數，如表3所示。Pioneering Spirit是一艘新投入的海上平臺棄置船，如圖2所示，同時擁有強大的S-lay鋪管能力，該船托管架長210 m，張緊器張力20 000 kN，能夠進行深水大管徑海底管道S-lay鋪設，目前正在進行Turk Stream管道鋪設。圖3所示Lewek Constellation是EMAS新投入使用的新一代超深水R-lay鋪管起重船，該船剛性管道鋪設能力為4～16 in，對應張緊器張力為8 000 kN；柔性管的鋪設能力為4～24 in，對應張緊器能力為5 200 kN[19]。圖4所示Aegir是HMC新投入使用的R-lay和J-lay鋪管船，R-lay卷筒的載管能力達到了2×2 000 t，最大鋪管直徑為16 in；J-lay能夠進行4節點管道鋪設。圖5所示Castorone是Saipem新投入使用的S-lay鋪管船，同時預留J-lay鋪管能力，船上有3節點接管車間，S-lay能夠進行3節點12 m、雙節點18 m管道鋪設，主作業線上有7個工作站，J-lay塔上配有2個工作站，能夠進行3節點管道鋪設[20]。另外，SUBSEA 7正在建造新一代R-lay鋪管船，預計2020年交付。隨著大量多功能新型鋪管船的服役，深水管道鋪設能力將得到大幅度提高，特別是Pioneering Spirit和Castorone等功能強大的S-lay鋪管船投入使用，增強了深水條件下S-lay鋪管作業能力。

表3 深水鋪管船關鍵設備和技術參數

圖2 Pioneering Spirit S-lay鋪管船

圖3 L ewekConstellation號Reel-lay鋪管船

4 結束語

圖4 HMCAegir號J-lay和R-lay鋪管船

圖5 Saipem Castorone號S-lay鋪管船

基于國內外重點深水海底管道項目的分析，介紹了深水海底管道的發展趨勢和關鍵技術，并從管材選擇和安裝資源兩個方面進行了研究。隨著深水海底管道鋪設水深的不斷增加，高強度管材和新的設計技術將在海底管道中得到應用；另外為了滿足未來深水海底管道的安裝需求，一批功能強大的新型鋪管船投入服役，促進了新的鋪設方法和大型鋪管船的發展。