海底管道连接工艺研究

曹为， 姜瑛， 付剑波

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

1 概述

海底管道系统是海上油气田开发、生产与集输的动脉，通过海底管道的铺设和连接，方能将井口、水下生产设施、水下工艺设备、生产平台、储油设施以及陆地终端等连成一个有机的整体。海底管道连接包括在水下完成海底管线与管线、管线与设备，或者设备与设备之间的连接，是构建完整的海底管道系统不可或缺的作业环节。

在海上油气田生产系统的开发建设中，海底管道连接有如下典型应用场合：

1）水下生产系统构建。海底管道连接技术被普遍运用在水下生产系统，如水下采油树与管汇、水下管汇与输油管线等之间的连接。

图1 连接新井口

2）新开发管线并入已建管网。如图1所示，利用已建设施开发新的卫星油田，采用水下连接技术使深水平台覆盖更大的油气藏面积和井口数；使边际小油田开发变得经济有效；也使油气田的分阶段开发经济可行（如流花油田和春晓气田）。原来的管线系统中一般预留了在线结构装置，以便接入新管线。

3）立管膨胀弯连接。在海底管线铺设浅水段中，利用膨胀弯连接海底平管和立管。

4）海底管道修复。当海底管道发生损坏时，在不停输状态下，用支管系统进行双位塞堵，切下破损管道，连接新管道，再撤下支管，完成管道维修。

2 海底管道连接机具

在深海中，海底管道连接已经不能通过潜水员下潜来操作，只能在工作母船上通过远程操作施工机具来完成海底管线的连接。这些水下连接作业机具需要适应深海高压低温腐蚀环境，且能够在ROV配合下完成管线的连接，并保证良好的密封性。

2.1 水下连接器

水下连接器是连接海底管道的核心装置。在国内外的深水海底管道连接中，目前应用最多的如图2（a）卡爪式连接器（Collet connector），图2（b）卡箍式连接器（Clamp connector）［1］以及图2（c）深水螺栓法兰连接器。

图2 水下连接器

卡爪式连接器是深水海底管道连接应用最多的连接器之一，尤其在垂直连接以及超深水管道连接中占据了主导地位。压力等级可达15000psi，连接管径为4″～64″［2］。卡箍式连接器在深水海底管道水平连接中的应用较多，在垂直连接中也取得了一定的应用实绩，实际应用最大水深已达1500 m，连接管径为2″～48″［3］。

卡爪式连接器和卡箍式连接器都具备以下优点：1）连接可靠、连接速度快；2）ROV操作友好，可用的ROV工具多；3）对中误差容忍度高。此外，卡爪式连接器对于垂直连接和水平连接均可适用，是垂直连接中应用的主要连接器形式。但是卡爪式连接器的结构相对复杂，费用高。而卡箍式连接器则结构简单，重量轻，对作业工具的要求低，费用也低。但是卡箍式连接器在垂直连接和超深水的应用纪录相对较少。

传统的螺栓法兰连接器需要潜水员在水下作业，只能应用于浅水海域。美国Sonsub公司和挪威Acergy公司分别研发了针对深水的螺栓法兰连接系统BRUTUS［4］和MATIS［5］，作业水深可达3000 m，连接管径分别可达24″和36″，主要用于水平连接，其中MATIS系统也可用于垂直连接。这种连接器由于采用工业标准件进行连接，连接安全可靠，而且费用低，采购周期短。但是整套连接系统较为复杂，连接速度慢，对于对中精度的要求很高。

2.2 辅助作业机具

在深水海底管道连接作业中，还需要一些辅助作业机具协同操作，才能完成整个连接过程。常用的辅助作业机具有：ROV，提管架，连接器安装工具（Running Tool），Hub/法兰清理工具，管道牵引工具，密封测试工具以及密封更换工具等［6］。

3 海底管道连接方法

深水海底管道连接方法主要有以下3种：跨接管连接；拉入式连接（Pull-in）；垂直引导式水平连接（Stab&Hinge-over）［7］。

各连接方法的具体过程虽有所不同，但都主要包括以下几个步骤：连接定位测量，水上预制，跨接管及机具下放，水下连接。

3.1 连接定位测量

水下定位测量技术在连接作业中的主要作用为：1）引导ROV及各辅助机具到达预定位置，为连接做准备。2）测量待连接的两个管端或设备端的相对位置，为跨接管预制提供精确数据。3）调整待连接管道的位置和角度，使之符合接近详细设计路径。常见的水下测量技术有声学测量法和机械拉绳测量法。

3.1.1 声学测量方法

声学测量方法是基于单个和多个海底应答器的定位导航技术，发挥长基线定位技术的高定位精度优势（亚米量级）和超短基线定位技术的大覆盖范围优势进行水下测量。

由高频应答器在海底组成测量矩阵，目标应答器装在管线接头、法兰盘或其他需要测量的设备端。测量矩阵可以测量任何新的目标应答器与在位矩阵的相对位置。测得的数据通过高可靠水声数据传输技术传递给水面指挥控制中心。

水声测量方法有一些不足［8］：1）水下悬浮物会使声速改变，出现测量误差。2）应答器在安装和回收过程中容易发生破坏或丢失。3）测量耗时较长，经济性不是很好。虽然声学测量方法有很多不足，但它仍然是使用最广泛的测量方法之一。

3.1.2 拉绳智能测量法

拉绳智能测量法是在传统的张紧绳测量法上发展而来的。拉绳智能测量装置适用于深水区域，由ROV配合完成测量，它可以精确地测量各基点之间的相对位置（包括距离和角度）。拉绳智能测量装置包括电脑监控系统、传感器、拉绳绞盘、检测绳和拉绳测量机械装置等。拉绳智能测量系统通过在待测设备端之间拉紧测量绳，并通过深度传感器、倾角计、绳长测量装置等测量两设备的相对位置。电脑监控系统主要功能是将拉绳测量装置的反馈信息，通过一定算法处理，求得管道三维姿态，得出管道距离与法兰角度的数值，并显示在PC界面上。

图3 声学测量方法

图4 拉绳测量系统

拉绳智能测量系统和声学测量方法测量精度相当，表2显示了两种方法的测量精度。但在以下场合，拉绳测量装置比声学测量装置更有优势：1）测量过程中有很大的环境噪声；2）漏斗等特殊地形造成潜在的声波反射；3）在钢结构（如海洋平台）下工作。

表1 声学方法和拉绳法测量精度比较

3.2 水上预制

通过水下定位测量得到待连接管端或设备端位置后，需要在甲板或者陆地完成连接管道的预制和接头的安装。对于较简单的膨胀弯连接，为了节省时间，通常在水下测量进行前或进行中就已经把连接管道两端预制好，中间留一道口或两道口（只点焊，以备调整）［9］。对于复杂的水下生产系统构建，完成所有水下设施测量后，需根据测量结果，预安装好连接接头、拖拉头、引导头等，在陆上布置好水下设备、管线终端、在线结构，并进行水下生产系统整体测试。

3.3 跨接管及机具的下放

在连接管道上栓好起吊索具，用浮吊或绞车将连接管道直接吊放下水，并在ROV引导下到达预先测定的区域。当海面涌浪较大时，还需在连接管道上安装充气浮袋，以避免因浮吊上下颠簸而引起连接管道一起上下运动。对垂直引导式水平连接，有时还要求作业船舶具备升沉补偿功能。

3.4 水下连接

3.4.1 跨接管连接

跨接管连接：采用预制跨接管作为“中间桥梁”，对海底管线与设备进行连接。跨接管连接是海底管线终端连接的理想方式，对于垂直连接和水平连接均可适用［10］，应用十分广泛。卡爪式连接器、卡箍式连接器以及深水螺栓法兰连接器均可用于跨接管连接。

1）垂直跨接管连接。采用卡爪式连接器的垂直跨接管连接过程如下：（1）跨接管携带连接器装置（包括连接器、密封元件等）下放，到达被连接的管端面（Hub）上方，通过导向装置完成初步对中。（2）跨接管继续下放，通过张开的卡爪引导完成最终对中，两Hub面接合。最终对中允许有一定的对中偏差。由ROV操控软着陆液压机构，控制两Hub面靠近、对中到接合的速率，以避免对密封元件造成破坏。（3）ROV操作，使连接器内部的锁紧液压缸膨胀，推动驱动环向下移动，使卡爪闭合，抓牢两对接Hub面，并对密封元件施加预载荷，形成密封。（4）密封试压。试压合格后，回收ROV等辅助作业工具，连接完成。

2）水平跨接管连接。采用深水螺栓法兰连接器的水平跨接管连接过程如下：（1）提管架吊放入水，将跨接管和海底管道从海床上抬起，对管道之间相对位置进行粗调，为连接作业做好准备。（2）ROV携带辅助连接工具（轴向对准机具和接应机具）吊放入水，将两根待连接管道拉近，形成对接区域，同时调整管道同轴度完成管道对中。（3）ROV携带螺栓法兰连接器吊放入水，完成管道法兰的螺栓连接。（4）密封试压。试压合格后，ROV携带作业机具返回，连接完成。

图5 垂直跨接管连接

3.4.2 拉入式连接

拉入式连接不采用“中间桥梁”，直接将海底管线拉入到连接点进行连接。拉入式连接对于海底管线的起始端连接和终端连接均可适用。

如图7所示，拉入式海底管道连接过程如下［11］：1）ROV将牵引绳系到海底管道拖管头上；2）ROV操作牵引绳绞车，将海底管道拉向连接点，由管道引导装置完成管道对中；3）ROV操作管道连接器完成Hub对接；4）密封试压。试压合格后，ROV携带作业机具返回，连接完成。

图6 水平跨接管连接

图7 拉入式海底管道连接

3.4.3 垂直引导式水平连接

垂直引导式水平连接：管线垂直下放、引导到连接点，然后旋转至水平方向，与水下设备进行连接。垂直引导和水平连接是理想的起始端连接方式，通常用于在没有任何其它铺管起始点支持的情况下，为深水铺管作业提供安全的起始点。

图8 垂直引导和水平连接

表2 连接方法比较

如图8所示，垂直引导和水平连接连接过程如下：1）管道垂直下放至水下接应装置上方；2）管道继续下放，管端垂直引导头插入接应装置的对接孔，完成管道定位；3）管道旋转90°至水平，准备连接；4）ROV辅助完成连接。

3.5 连接方法比较

表2对垂直跨接管连接、水平跨接管连接、拉入式连接以及垂直引导式水平连接4种连接方式的优缺点进行了总结和比较。

4 结语

随着海上油气资源的开发越来越向深海迈进，采用合适的深水海底管道连接工艺，对保障海上油气田安全生产和提高其技术经济性显得愈发重要。

深水海底管道连接工艺，包括连接作业方法和连接作业机具的选择，受到诸多因素的影响，如环境条件（包括海底水深、土壤条件、风、浪、流以及温度等），工艺参数（包括压力等级、温度等级、生产流体腐蚀性、油田配产等），油田布局（包括生产井口、水下管汇、PLET以及海底管道路由布置等），以及可用的作业船舶和机具资源。没有一种深水海底管道连接工艺可以适用于所有油气田。对每个不同的油气田，都必须综合考虑以上因素，才能形成最优、简单、可靠高效的连接工艺方案。

［1］ Skaar J C，Jurena J，Witting F.Technical and Commercial Influences of Jumper Connectors with Emphasis on Decision Methodology.

［2］ FMC Technologies.Subsea Tie-in Systems Catalogue［EB/OL］.Http：//www.fmctechnologies.com/subsea.

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［6］ ISO13628-9：2000 Petroleum and natural gas industries-Design and operation of subsea production systems-Part9：Remotely Operated Tool(ROT)intervention systems［S］.

［7］ ISO13628-1：2005 Petroleum and natural gas industries -Design and operation of subsea production systems-Part1：General requirements and recommendations［S］.

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