柔性軟管在沉降區(qū)海底管道治理中的應(yīng)用

趙百龍 夏新(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

隨著柔性軟管設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的快速發(fā)展，柔性軟管被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各海域的海洋工程中，與鋼制管道相比，柔性軟管具有對海底地形適應(yīng)性好、防腐性能好、易鋪設(shè)和可回收等特點(diǎn)[1]。通過采用柔性管道更換鋼制管道的方式，對沉降區(qū)海底管道進(jìn)行綜合治理，利用柔性管道優(yōu)良的彎曲柔性、抗疲勞性能以及對沉降后的海底地形的強(qiáng)適應(yīng)能力，來應(yīng)對地質(zhì)沉降的特殊海底地質(zhì)環(huán)境，可以消除地質(zhì)沉降對海底管道造成損壞的風(fēng)險(xiǎn)。在東海某海底輸氣管道淺層氣構(gòu)造引起的沉降治理中得到應(yīng)用，經(jīng)過工程實(shí)踐取得了良好效果。

1 柔性軟管結(jié)構(gòu)

柔性軟管是一種由金屬和高分子材料制成的復(fù)合管道，具有強(qiáng)度高、耐高壓、耐腐蝕、柔性好、絕熱性好、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

柔性管道結(jié)構(gòu)如圖1所示，從內(nèi)到外分別是骨架層、內(nèi)壓密封層、抗壓鎧裝層、耐磨層、抗拉鎧裝層、中間包覆層及外保護(hù)層。

圖1 柔性軟管結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)制作工藝的不同，柔性軟管可以分為非粘結(jié)性柔性管和粘結(jié)性柔性管。粘結(jié)性柔性管由不同的功能層組成，制作過程中需要硫化，層與層之間粘結(jié)牢固，不會(huì)產(chǎn)生相對位移，制造長度受到限制，常用于長度較短的工程，例如跨接管、漂浮管[2]。非粘結(jié)性柔性管由幾個(gè)獨(dú)立功能層組成，層與層之間沒有固定的連接，允許層相對位移，能更好的滿足海底應(yīng)用的特殊要求，因此廣泛應(yīng)用于海底油氣管道，是目前海底油氣管道的主流形式。

2 柔性軟管應(yīng)用實(shí)例

東海某油田海底油氣管道途徑沉降區(qū)(圖2)，該區(qū)域?yàn)闇\層氣發(fā)育區(qū)，平均水深30m，區(qū)域內(nèi)海床面以下2m 左右基本看不到明顯地層，基本看不到清晰的海底油氣管道影像，海底油氣管道穿越沉降區(qū)的長度約80m。

圖2 沉降區(qū)示意圖

盡管該段海底管道埋深較大，但是由于淺層氣不定期噴發(fā)，尤其在同時(shí)受到臺風(fēng)、強(qiáng)流、風(fēng)暴潮等各種極端天氣因素影響時(shí)，海床擾動(dòng)引起淺層氣大量噴發(fā)，使海床產(chǎn)生地層凹陷，造成海底管道出現(xiàn)懸空，極有可能出現(xiàn)管道疲勞損傷。外加海底管道承受管道內(nèi)部壓力和水壓循環(huán)載荷等，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致管道疲勞損傷發(fā)生擴(kuò)展，產(chǎn)生裂紋甚至發(fā)生管道斷裂。

由于海底管道原路由沉降區(qū)對海底管道造成損傷的風(fēng)險(xiǎn)較高，對該段海底管道進(jìn)行綜合治理，以降低地質(zhì)沉降因素對海底管道的影響。

柔性軟管具有優(yōu)良的伸縮性和抗疲勞性能，即便是在臺風(fēng)、強(qiáng)流、風(fēng)暴潮等各種極端工況下即使出現(xiàn)裸露懸空，也不會(huì)發(fā)生疲勞破壞，對沉降后的海底地形有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，施工簡單，施工時(shí)間較短，施工費(fèi)用較低，使用壽命可以滿足至少20年壽命要求。

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果，采用柔性軟管更換原穿越沉降區(qū)的鋼制管道，對海底管道進(jìn)行綜合治理。柔性軟管采用3段連續(xù)弧形鋪設(shè)，鋪設(shè)半徑分別為40m 和50m，軟管與原鋼制管道連接點(diǎn)距離沉陷區(qū)邊緣80m，軟管總長257m，考慮10%的鋪設(shè)精度和沉降裕量，柔性軟管實(shí)際長度最終確定為300m。

3 柔性軟管在沉降區(qū)海底管道治理中應(yīng)用實(shí)施步驟

3.1 作業(yè)坑開挖

施工船舶根據(jù)提前設(shè)計(jì)的拋錨點(diǎn)位，在定位設(shè)備的引導(dǎo)下，由拖輪完成拋錨就位作業(yè)。拋錨就位完成后，在船舶甲板連接調(diào)試水下挖溝機(jī)，利用挖溝機(jī)對兩個(gè)選擇的連接點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)坑開挖，最終作業(yè)坑尺寸長約10m，寬約4m，管線懸空約1m 的作業(yè)坑，以方便切割設(shè)備及水泥涂層清理設(shè)備的安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 連接點(diǎn)水下帶壓開孔封堵

管線挖溝暴露作業(yè)結(jié)束后，在原鋼制管道兩個(gè)選擇的連接點(diǎn)外側(cè)，使用高壓水設(shè)備清理水泥涂層和防腐層，直至露出金屬管道，測量安裝位置管道的橢圓度和直度，滿足安裝帶壓開孔設(shè)備和機(jī)械連接器的要求。

在原鋼制管道清理完涂層的位置安裝機(jī)械三通、三明治閥和開孔/封堵卡具，進(jìn)行帶壓開孔封堵作業(yè)。封堵狀態(tài)持續(xù)維持，直至柔性軟管鋪設(shè)連接完成，清管試壓合格。由于水下維持封堵時(shí)間較長，需要對安裝完成的機(jī)械三通底部懸空進(jìn)行沙袋回填固定，保證設(shè)備的穩(wěn)定性。

3.3 原管道切割回收

封堵狀態(tài)確認(rèn)后，使用金剛石繩鋸機(jī)對選好的接入點(diǎn)進(jìn)行水下冷切割。切割完成后，再對廢棄的海底管道每20m 切割回收。

3.4 柔性軟管鋪設(shè)連接

在一側(cè)連接點(diǎn)附近下放重力錨至海底，將柔性軟管一端與重力錨連接，牽拉軟管入水，進(jìn)行起始鋪設(shè)。起始鋪設(shè)完畢后，施工船舶按照設(shè)計(jì)路由前行，同時(shí)下放柔性軟管，通過定位設(shè)備控制船舶行進(jìn)，確保鋪設(shè)路由始終處于設(shè)計(jì)路由上。到達(dá)另一側(cè)連接點(diǎn)后，在柔性軟管末端軟管法蘭綁浮球，通過吊機(jī)和卷揚(yáng)機(jī)牽拉下放入水。

在選擇的連接點(diǎn)原鋼制管道上安裝機(jī)械連接器，將柔性軟管兩側(cè)末端法蘭與機(jī)械連接器法蘭進(jìn)行連接。機(jī)械連接器是一種機(jī)械密封式水下連接件，一端采用機(jī)械式的壓緊密封與管線連接，另一端的法蘭面與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)法蘭或其他設(shè)備連接，既避免鋼制管道與法蘭的焊接，又能夠滿足管線的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)載荷。

3.5 試壓干燥后保護(hù)

柔性軟管與原鋼制管道連接完成后，從施工船舶甲板上釋放試壓軟管，與一側(cè)封堵設(shè)備上的試壓閥門相連，通過封堵設(shè)備與新鋪設(shè)的軟管聯(lián)通，另一側(cè)封堵設(shè)備連接口閥門關(guān)閉。加壓至試壓壓力，保持壓力6h，觀察新鋪設(shè)的柔性軟管壓力有無異常。

試壓完成后，通過試壓軟管向新鋪設(shè)的柔性軟管內(nèi)注入氮?dú)猓瑢⑷嵝攒浌苤械乃懦觯乐购９芡懂a(chǎn)后生成水合物。

試壓干燥完成后，取出封堵器，解除封堵狀態(tài)。對機(jī)械三通兩側(cè)及機(jī)械連接器尾端的裸露鋼制管段進(jìn)行防腐處理和沖埋保護(hù)，沖埋完畢后對鋪設(shè)軟管進(jìn)行路由及埋設(shè)情況后調(diào)查確認(rèn)。

4 結(jié)語

在沉降區(qū)海底管道治理作業(yè)中，采用柔性軟管更換原鋼制管道的方式，柔性軟管以其優(yōu)良的抗疲勞性能，對土體沉降后的地形有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，并且施工工藝簡單，施工時(shí)間短，費(fèi)用較低，具有很好的推廣價(jià)值。