海底油气管道夹具维修技术

赵兵杰，朱宏武，唐德渝，张金亚，龙 斌

(1.中国石油大学(北京)机械与油气储运工程学院，北京 102249;2.中国石油集团工程技术研究院，天津 300451;3.中国石油天然气集团公司 海洋工程重点实验室，天津 300451)

海底油气管道被喻为油气田的生命线。管道安全、可靠运行是海上油气生产的根本保证。由于海洋环境的复杂性以及管线自身情况，海底管道的破坏总是不可避免的。据统计，每1 000 km 管道每年出现管道损伤泄漏的概率为0.2%［1］。而且每一次破坏都会造成油田停产，甚至污染海洋环境，给企业和国家带来巨大的经济损失［2-4］。海底油气管道的损坏大都是突发性的，对管道的维修因其自身参数不同，所处环境条件各异，采取的方法和手段也不相同。在众多海底油气管道维修技术中，这里重点阐述管道夹具维修技术。该技术已成功应用于我国海底油气管道维抢修工程中［5-8］。

1 海底油气管道夹具维修方法

夹具维修是在泄漏部位的管道外安装紧固件-夹具，达到维修管道泄漏的目的，夹具设备是夹具维修技术的关键部件设备。夹具都是制作成两半状，使用时用螺栓连接法或焊接法固定到管道上［9］。因此，夹具分为焊接式和螺栓连接式。焊接式夹具可以提高修复的可靠性，该方法可以修补20 m 长的管段和大半径弯头。螺栓连接式夹具使用更方便，目前国际主要管道维抢修公司如QCS、Oceaneering International、Oil states等主要采用螺栓连接式夹具对海底油气管道进行临时性和永久性维修。

夹具维修可以用于局部较大的机械破坏或泄漏、腐蚀穿孔、裂纹、轴向或周向凹痕和环焊缝处的缺陷［10］，可修复:①金属损失为管壁厚度的90%、平均为80%的任何长度的裂纹;②深度达管径9%的凹痕，同时伴有金属损失及深度达管壁厚度12%的裂纹;③环焊缝金属损失或长度为环焊缝周长60%的裂纹。夹具维修要求管道所上夹具段变形应在夹具的精度允许范围之内。夹具维修程序简单，主要应用于单层钢管维修。采用夹具维修方便快捷，所用的船舶小，费用较低，具有一定的使用市场和价值。

对于我国渤海湾海底管道夹具维修，一种方法是在海上提管允许的情况下，将海底管道直接提到工作船上，在工作船上对管道损坏部位进行预处理后，直接对管道进行夹具修复安装;另一种方法是由于我国渤海湾水深为60 m 以浅，通常采用人工潜水直接进行水下人工潜水安装。水域浑浊、水下能见度极低的情况下人工潜水安装时采用跟随信标(绑扎限位卡)对夹具直接进行水下安装。此时需利用水下冲吸泥设备开挖和清理作业面，满足对海底管道进行预处理及安装夹具所需空间要求，对管道损坏部位进行预处理后，人工潜水对管道水下进行夹具修复安装。

对于深水海底管道夹具维修，是无潜水支持的维修，采用ROV 液压操纵夹具作业，需支持ROV 的定位船。以Oil States 公司安装单夹具维修为例，介绍夹具维修程序如下［5］:

1)安排支持船、人员、维修设备及其他辅助设备到维修现场，检查泄漏和预封堵损坏段;

2)将无潜水支持的提管架PLF(pipeline lift flame)下放并跨骑在海床上的管道上，损坏段两端各安放一个PLF。并通过ROV 操控PLF 将管道提起离开海床，如图1(a)所示;

3)ROV 监控下，下放液压夹具到损坏处，如图1(b)所示;

4)ROV 打开液压夹具，安装在管道上，如图1(c)所示;

5)ROV 关闭、拧紧夹具，包装法兰，并进行密封测试，如图1(d)所示;

6)ROV 操纵PLF 下放管道回到海床，如图1(e)所示;

7)回收PLF，维修完成，如图1(f)所示;

8)进行支持船、人员、维修设备及其他辅助设备的复员。

2 国外夹具设备

国内生产厂家的夹具设备主要应用于陆地油气管道，用作临时维修时，夹具能够正常封堵油气管道2-3个月，能保证油气在夹具四周密封处不泄漏。用作永久性维修时，可把夹具与管道整体焊接到一起。国内生产厂家目前没有应用于海底油气管道夹具设备［11］。国外海底油气管道夹具设备技术比较成熟，拥有大量的工程应用［12-17］。根据海底油气管道夹具圆周向密封形式的不同，夹具可分为密封条形和法兰盘压缩密封型。

2.1 密封条型

PLIDCO 公司海底油气管道耦合式修复夹具用于水下管道泄漏永久性修复［18-19］，该夹具密封采用单圈密封条密封。如图2 所示。该夹具带有钢制限位环，防止密封条在安装过程中移位或者受损;修复夹具覆盖环氧涂层，用于腐蚀防护;还配有牺牲阳极，保护夹具不受腐蚀，通常情况下，牺牲阳极的平均使用寿命为20年;镀锌的螺栓螺母，最大限度地提高其在海洋苛刻环境下的耐腐蚀性;带有吊环，这对于大直径和非标长度的夹具安装，吊环是必须的，更方便水下安装;设计有密封剂注口，水下应用的情况下，一方面，在密封剂或密封脂的作用下，可将夹具与管道之间圆周区域中的水排出来。另一方面，在运行管线上安装夹具时，可以帮助改变管道内介质的泄漏方向，从而保证安装的顺利进行。此外，在油气生产运行过程中能够对夹具在管线上进行焊接作业。

Shidarian 公司的海底油气管道夹具拥有双密封结构，即具有双重密封条［20］，如图3 所示。通过螺栓把夹具拧紧并安装到管道后，夹具能够对泄露部分进行结构上的强度增强和永久密封。此外，夹具也可作为管道的永久附件与管道焊接到一起。夹具采用双重密封，密封更加可靠。夹具安装吊环及铰链结构，便于水下安装;夹具还具有螺栓镀锌保护、外层环氧漆保护、牺牲阳极保护以及可按照用户需求加装密封剂注口。

图2 PLIDCO 海底管道修复夹具Fig.2 PLIDCO subsea pipeline repair clamp

图3 Shidarian 海底管道夹具Fig.3 Shidarian subsea pipeline clamp

2.2 法兰盘压缩密封型

QCS、Oceaneering International、Oil states 公司海底油气管道永久修复夹具［21-27］:三个公司的海底油气管道夹具根据夹具指定放置位置后是否能够对夹具提供开合力可分为有动力辅助安装与非动力辅助安装两种结构形式。两种结构形式的夹具都是由两半块状卡瓦构成的，用来修理损坏或者泄露的海底油气管道。

又根据内部结构的不同，海底油气管道夹具分为全结构和非结构两种形式，主要功能如图4、图5 所示。两种结构形式都能够使夹具对管道的密封区域提供压力容器式的封装密封。其中，全结构形式，通常用于严重影响管道完整性、破坏更加严重的海底油气管道，如海底油气管道的环焊缝缺陷、扭转及穿刺破坏。全结构形式夹具利用其两端的张力碗和张力卡瓦机械结构牢固地抓紧管道，将管道的轴向载荷转移至夹具本身，同时能够把管道受破坏部分的周向应力移除，对管道整体结构进行增强。

非结构形式，不具有张力碗和张力卡瓦结构，通常用于修复结构合理和只有轻微损坏的海底油气管道，如管道的针孔泄漏，局部管壁变薄或浅的凹痕。夹具安装后，设计的夹具对管道提供了高质量的密封，管道结构强度增强，管道的设计寿命得到延长。

两种形式的海底油气管道夹具通过螺栓螺母结构安装固定在泄露管道上后，夹具螺栓受载，两半块夹具关闭并压缩夹具端面，形成金属与金属直接接触，防止端面密封材料被挤出，密封材料与夹具两个半块紧密贴合实现对管道的轴向密封。夹具的圆周向密封采用弹性环密封装置，对密封结构永久施加挤压作用。并且具有密封保护套防止密封材料被挤出，对密封结构起限制作用。对于大管径尺寸海底油气管道的维抢修，法兰盘式的圆周向密封效果更好，采用挤压密封保护方式更有意义。夹具外部涂有海洋用环氧底漆进行防腐保护，设计并安装有镀铝锌阳极对管道夹具进行牺牲阳极保护，确保海底油气管道夹具的使用寿命。

图4 全结构海底管道夹具Fig.4 Full-structure subsea pipeline clamp

图5 非结构海底管道夹具Fig.5 Non-structure subsea pipeline clamp

3 全结构法兰盘压缩密封型海底油气管道夹具设计要点

海底油气管道夹具设备是夹具维修技术的关键部件设备，该关键设备的质量直接决定管道夹具维修工程成败。国内海底管道夹具设备的研究才刚刚起步，目前还没有应用于海底油气管道，伴随着我国海洋石油管道维抢修市场需求，亟需国内研究人员研发海底油气管道夹具设备。对此，国内应开展无潜水支持的全结构法兰盘压缩密封型海底油气管道夹具研究［5］，以满足未来我国南海深海油气管道的维抢修需求。

无潜水支持的全结构法兰盘压缩密封型海底油气管道夹具的设计，要根据目前国际通用设计准则以及国际通用的海底管道维修标准进行设计。对于夹具主体材料、连接螺栓螺母材料、法兰结构材料的选择，应符合的相应标准有:API SPEC 6H:Specification on End Closures，Connectors and Swivels、API SPEC 5L:Specification for Line Pipe、ASME Boiler Pressure Vessel Code，Section VIII，Division 1 and 2、NACE MR0175，Sulfide Stress Cracking Resistant Metallic Materials for Oilfield Equipment、DNV OS-F101 2010:submarine pipeline systems、DNV-RP-F113:pipeline subsea repair。夹具通过螺栓或者法兰结构与管道固定连接紧固后，在管道与夹具之间形成“压力容器式”封装结构，夹具相应的壁厚、连接主螺栓数量及分布距离、夹具连接耳板及压力容器相关结构应当按照压力容器的国际标准进行相关计算，确保夹具在管线运行压力下的安全性。

密封技术为夹具设备的关键技术。夹具密封材料选择，依据设备采用全结构法兰盘压缩密封型及管道中输送介质的性能来选择，需要考虑材料的压缩性能、气密性能、耐油性、抗氧化性、耐酸性、耐海水性等性能。对于大部分的海底油气管道夹具的密封，密封材料可采用美国杜邦公司生产的Viton-B70 作为设备密封件的密封材料。Viton-B70 的主要性能指标:比重为1.77 g/cm3，屈服强度为12.8 MPa，伸长率(断裂)为210%，压缩永久变形(200℃)为50%，硬度计硬度(支撑A)为73。对于全结构法兰盘压缩密封型夹具，夹具的轴向密封建议采用具有半自紧密封形式的结构以及双密封结构，以提高夹具设备承受的工作压力及设备密封的可靠性。

图6 圆周向密封原理Fig.6 The Circumferential sealing principle

法兰盘压缩密封型海底油气管道夹具的圆周向密封原理如图6 所示，夹具通过拧紧法兰盘上的螺栓对弹性环密封装置施加轴向压力，而另一端有一轴肩(轴向限位结构)对弹性环密封装置在轴向起限制运动作用。其结果是，弹性环密封装置中的密封材料受轴向力挤压发生变形，轴线向长度变小，径向长度变长，密封材料接触管壁并与管壁紧密贴合，形成密封能力。其中，弹性环密封装置具有密封保护套，防止密封材料被挤出，对密封结构起限制作用。

在法兰盘压缩密封型管道夹具的圆周向密封中，需要对密封材料与管道接触密封的能力按照静密封中的接触密封进行相关计算，开展此方面的静密封接触密封理论研究;按照材料力学、弹塑性力学计算达到相关密封能力后密封材料的变形情况、密封材料受力状况及此时密封材料所需轴向力的大小，进而确定法兰盘螺栓对夹具密封所需预紧力大小，确定法兰盘上螺栓的数量及螺栓大小，以及水下安装过程中对夹具每个法兰盘螺栓所需施加的预紧力大小。

法兰盘压缩密封型海底油气管道夹具圆周向密封与夹具的轴向密封配合，可以采用双密封结构，以提高夹具设备密封的可靠性。对于夹具的圆周向密封与夹具的轴向密封接合，应当是每个轴向弹性环密封装置与夹具的轴向半自紧式密封单独接合，则可形成两个相对独立的压力容器式密封舱结构，夹具对管道形成的双重密封舱结构则提高了夹具设备密封的可靠性。

此外，还需对夹具设备采用牺牲阳极进行阴极保护，为了实现海底管道的永久修复，需要根据采纳的阳极块的形状，计算所需阳极块的总质量;为了抵御海水对夹具的腐蚀，需要对夹具外部涂防腐漆进行防腐涂层保护。为了达到夹具使用年限，需要考虑防腐漆的涂层厚度，涂层的制作工艺;夹具螺栓螺母的保护，需要采用热镀锌处理，同样为了达到夹具的使用年限，需考虑热镀锌处理的材料、厚度要求;适应无潜水ROV 水下操作的液压缸辅助装置及主螺栓、法兰盘螺栓连接设计、转移轴向载荷及消除周向应力的张力碗和张力卡瓦结构等。

4 结 语

目前我国海上油田海底管道数量越来越多。且随着我国南海海洋石油开发步伐的加快，南海海域将要铺设更多的单层钢管海底管道。管道服役时间越来越长，发生损伤、泄漏的可能性越来越大，应用和开发亟需的、性能可靠、施工方便、快速的管道夹具维修技术，尤其是无潜水支持的全结构法兰盘密封型管道夹具设计技术，对于保障海底油气管道的正常运行具有重要的现实意义。

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