强潮流海域长输气管道带压修复方案设计及应用*

潘东民 于银海

(海洋石油工程股份有限公司 天津 300461)

随着我国海洋石油工业的快速发展，海底管道数量越来越多，由各种原因造成的管道损伤时有发生。通过对损伤海底管道修复方法的不断研究和实践[1-5],国内海底管道常压修复技术已趋于成熟。目前国内引进带压封堵技术已有20余年，并开展了开孔封堵设备的自主研发[6]，但主要应用于陆地管道，而海底管道湿式带压修复关键设备和技术仍然依托国外专业公司。目前海底输气管道带压开孔和修复作业在国内工程项目中已经成功实施[7]，涉及项目所在施工海域海况均较为理想，但在强潮流低能见度海域的海底管道带压修复作业尚无先例。本文依托位于强潮流海域的东海某长输气管道的修复工程，针对施工区域所在特殊海况和地质条件，根据文献[8]相关要求，开展带压修复方案研究与设计，并成功指导了工程施工，可为以后类似海洋环境下的海底管道修复提供参考。

1 工程背景

2015年台风“灿鸿”经过东海海域时，某长约389 km的φ355.6 mm海底输气管道压力发生异常。经路由检测和排查，该管道位于舟山群岛海域(水深约30 m)某处管段发生了裂纹损伤，损伤管道所在海床发生了局部地质沉陷，管道由埋深1.5 m下沉到泥面以下约2.5 m，地质沉陷区域沿管道方向长度约100 m(表1)。为不影响管道正常生产，采用封堵卡具对管道进行了临时修复。由于损伤管道处于不稳定海床，为了避免管道在后续运营过程中再次发生损伤，管道业主决定更换损伤管段，对管道进行永久修复。

舟山海域属于世界强潮流海域，流急流大(表2)，平潮时间短，长波涌浪频繁影响，损伤管道所处区域水下能见度几乎为零，水下施工效率极低，工程整体风险较高。

表1 东海某海底输气管道损伤段基本参数Table 1 Basic parameters of the damaged section of a subsea gas pipeline in East China Sea

表2 东海某海底输气管道损伤点处波流参数Table 2 Wave and current parameters at the damaged point of a subsea gas pipeline in East China Sea

2 修复方案设计

2.1 整体方案设计

海底天然气管道更换受损管段的常规修复方式为：首先进行管道降压，排空管内天然气并对管道清洗，将损坏管道切除，然后安装机械连接器法兰或平管起吊焊接法兰，最后安装更换管道。由于损伤管道较长，如采用常规方式修复，修复前须处理管道清洗产生的大量废液，修复后须排出管道内进入的大量海水，并进行干燥惰化，然后再升压。这样会很大程度上增加管道的停产时间，且需要更多的资源投入，最终导致管道修复成本的大幅提升。为了缩短停产工期，降低管道修复成本，采用了在损坏管段两侧带压开孔并封堵，隔离中间损坏管道后进行损伤管道切割回收和更换管道安装工作，然后仅对更换的管道排水升压后即可恢复生产。

鉴于损伤管道处于不稳定海床，为避免管道在后续运营过程中再次发生损伤，考虑管道更换长度250 m，新更换管道路由避开原损伤管道路由一定距离。更换管段可继续使用钢质管道，也可采用柔性软管。

柔性软管更换的方案：使用一根连续的柔性软管，两端通过法兰与原管道连接，通过弧形铺设避开原管道路由。φ355.6 mm海洋柔性软管属大管径软管，国内不具备生产能力，须从国外采购，采办周期长、成本高。但柔性软管能够承受更大弯曲变形，更能适应不稳定海床[9]，并可进行连续铺设，而且可以减少水下法兰连接数量，能够很大程度上提升管道更换的作业效率。

为提升管道修复施工效率、缩短停产时间、降低后续管道运营的风险，综合考虑采用柔性软管替代原损伤管段(图1)。同时，为避开沉陷海床，柔性软管采用“Ω”形的路由偏离原受损管道路由一定距离(图2、3，表3)。

图1 采用柔性软管替代损伤管段的管道损伤段修复原理示意图Fig.1 Schematic diagram of pipeline repair with flexible pipeline replacing the damaged section

图2 柔性软管“Ω”形路由Fig.2 Schematic diagram of “Ω” routing of flexible pipeline

图3 柔性软剖面形式Fig.3 Cutaway of the flexible pipeline

表3 柔性软管主要参数Table 3 Main parameters of the flexible pipeline

2.2 封堵方式选择

带压封堵头由机械转动部分和密封部件组成，用于阻止管道内介质流动的装置[10]，分为悬挂式封堵头、折叠封堵头、筒式封堵头和球形封堵头。针对各种封堵头的封堵特点和适用的工作环境，开展了大量研究和对比[11-14]。英国STATS GROUP公司的球形封堵头可迎着压力封堵，有两道密封环，其中初级密封承受管道内介质压力，管道压力越大，密封效果越好，因此管道不需要降压；二级密封承受海水压力，中间零压区域有压力传感装置可实时显示压力情况，并设有失效保险装置(图4)。由于球型封堵头可迎着压力封堵，所以能够通过封堵机连箱上预留球阀进行中间隔离段管道的压力平衡和置换，避免开设平衡孔，减少水下开孔作业量。由于本项目管道两端密封后要进行损毁管段切割和安装柔性软管，封堵时间长，因此选择球形封堵能够保证后续施工的顺利进行。

本次管道修复作业所涉及管道修复点位置的操作压力约为5.7 MPa，开孔和封堵设备选择ANSI 600LB压力等级。考虑计划将来要增加此管道输气量和提升运营压力，因此修复后留在管道上的机械三通选取ANSI 900LB压力等级，机械三通和开孔机闸板阀之间增加一个过渡短节。

图4 球形封堵示意图Fig.4 Schematic diagram of globular plugging

2.3 开孔封堵辅助支架设计

管道带压开孔和封堵作业须将机械三通和开孔封堵设备精确安装到管道上。由于施工支持船在该海域强潮流影响下时常出现较大升沉和摇摆，此种情况下吊装开孔封堵设备向海底管道靠拢，极易造成设备与管道发生碰撞，导致管道或设备损伤。若仅在海况极好的情况下进行安装作业，将会造成较长的施工待机。因此，开展了开孔、封堵机安装辅助支架设计，将支架就位在开孔封堵位置后，把开孔封堵设备放置于支架上，实现与船舶吊机脱离，由潜水员水下调整精确下放到指定位置，能够彻底避免船舶晃动带来的风险。

开孔设备组合体(包括开孔机、三明治阀和机械三通)的总高度约5 m，机械三通长度约1.9 m，须水平吊装下放，把机械三通抱在管道上，完成轴向夹紧螺栓预紧后再进行翻转竖立。考虑潜水员水下作业空间需求，并尽可能降低海流和波浪对支架整体结构的影响，以及确保支架整体结构的下沉稳性，支架的框体结构尺寸设计为长4 m、宽4 m、高7 m，其底部防沉板长8 m、宽8 m，主结构由H300×H300×10×15的H型钢、□300×300×10的方钢、L75×75×6的角钢组成(图5)。辅助支架质量约15 t，安装开孔设备组合体后的质量约21 t。

图5 开孔封堵辅助支架结构示意图Fig.5 Schematic diagram of auxiliary support structure for hot-tapping and plugging

使用SACS软件对辅助支架结构建模分析，吊装时考虑2倍动载荷，辅助支架所有杆件的UC值最大为0.25，在位状态考虑百年一遇的最大流速对框架结构的影响，所有结构最大UC值为0.24，均满足强度要求，结构整体满足下沉稳性要求。

1.2.2.4 出院指导 患者出院前,护理人员为患者进行出院事项交到,叮嘱患者按时用药,出院后定时来院复查,对两组的治疗情况进行统计对比[3]。

3 工程实践

3.1 带压开孔前期工作

3.1.1作业坑开挖

损伤海底管道被埋深到海床以下约2.5 m。管道正式修复前，在损坏管道两侧开挖带压开孔封堵作业坑和机械连接器安装作业坑。根据开孔封堵辅助支架防沉板结构尺寸(图6)，管道悬空高度约1 m。作业坑开挖后，使用沙袋对作业坑底部进行局部平整，并夯实地基。

图6 辅助支架安装基坑底部尺寸Fig.6 Bottom dimension of foundation pit for auxiliary support installation

3.1.2管道涂层清理

开孔封堵机械三通和机械连接器法兰须安装在表面光滑的管道上，才能达到最理想的密封效果，因此在安装前使用高压水涂层清理设备，清理管道表面的水泥配重层和煤焦油瓷漆防腐涂层(图7)。管道涂层清理后，潜水员携带专用工具，检查管道的直度、椭圆度及管道的实际壁厚，确保满足机械连接器和机械三通安装规程的要求。

图7 管道涂层清理示意图Fig.7 Schematic diagram of pipeline coating cleaning

3.2 带压开孔

3.2.1带压开孔设备安装

由于施工地点位于强潮流区域，每日潜水员可下水作业的平潮时间极为有限，为了减少吊装次数，降低水下对接工作量，提升施工效率，在施工船舶甲板上把机械三通、三明治阀和开孔机先组装到一起成为组合体(图8)，并对三明治阀和开孔机连接处做密闭压力试验；然后将组合体通过倒链和吊带固定在辅助支架内，并调整至水平方向(图9)。

图8 开孔设备组合体示意图Fig.8 Schematic diagram of hot tapping stack up

图9 组合体固定在辅助支架内Fig.9 Hot-tapping combination is fixed in the auxiliary support

辅助支架安装过程中，需要两名潜水员下水在辅助支架两侧观察支架与海底管道的相对位置，避免辅助支架与管道发生碰撞，确保精确就位。待辅助支架沉降稳定后，调整连接开孔设备组合体与辅助支架的倒链，将组合体缓慢水平下放，把机械三通抱在管道上(图10)。然后安装机械三通轴向密封螺栓，并对螺栓预紧加力。最后调整倒链，将开孔设备组合体绕管道旋转扶正为竖直方向(图11)，预紧机械三通环向密封螺栓。为防止开孔设备组合体重力作用在管道上使管道逐渐下沉并弯曲变形，在辅助支架两侧管道正下方垫放沙袋支撑后，再放松连接开孔设备组合体和辅助支架的倒链。

图10 开孔设备组合体安装到管道上Fig.10 Deploy the hot tapping stack up on the pipeline

图11 开孔设备组合体竖直扶正后示意图Fig.11 Schematic diagram of hot-tapping stack up in vertical state

3.2.2开孔作业

机械三通的密封测试和开孔作业，须通过与开孔设备组合体连接的脐带缆，由水上人员操作完成。首先向开孔设备组合体内注入氮气，排出组合体内进入的海水，然后进行密封压力测试，测试压力应略高于管道运营压力。

开孔刀切割管道(图12)进行开孔作业时，通常会产生大量铁屑。通过陆地开孔模拟实验，在保证管道正常输气情况下，开孔产生的铁屑能够被管道内天然气流带走，不会对后续封堵效果产生影响。开孔作业过程中，操作人员应时刻注意开孔刀进给的行程，并观察压力的变化。一旦显示管道切割完成，将开孔刀向下再进给少量行程后，立刻停止切割作业。开孔完成后，把开孔机和切割掉的管道“马鞍片”回收至开孔机连箱内，关闭三明治阀。

开孔机回收过程中，为避免因船舶晃动导致吊装开孔机时在水下发生钟摆式摇动，造成开孔机与三明治阀连接的螺栓受损，以及在与三明治阀脱离后与辅助支架直接碰撞而发生损伤，制作了开孔机吊装框架(图13)，并在后续的封堵机安装和回收中使用。把屋顶型的吊装框架先放置到辅助支架上，放松吊钩，潜水员将挂在吊装框架上的倒链与开孔机连接，松开开孔机与三明治阀之间的螺栓，收拉倒链将开孔机与三明治阀脱离，并完全进入到吊装框架内；然后用安全绳在四个方向把开孔机下端法兰与辅助框架固定，最后将吊装框架和开孔机一起回收到施工船甲板。

图12 开孔示意图Fig.12 Schematic diagram of hot-tapping

图13 吊装框架回收开孔机示意图Fig.13 Schematic diagram of retrieve hot tap machine by hoisting frame

3.3 带压封堵

球形封堵形式为迎压封堵。损坏管道两端下放封堵机前，提前调试封堵头朝向，并在封堵机法兰上标记，以便封堵机安装后两侧封堵头均背向中间受损管道；封堵机安装到三明治阀上后，通知平台方停产，打开三明治阀下放封堵头到管道内，潜水员水下观察封堵机外侧的标记，确认封堵头到位后，由甲板操作人员激活封堵头，然后进行密封测试(图14)。

3.4 损坏管道更换

两个封堵机之间的管道内天然气压力为运营压力，进行管道冷切割前需要排出管道内天然气并进行置换。为避免水下排气影响潜水员安全，将排气软管一端与一个封堵机连箱上球阀连接，另一端固定在工程船下风向的船侧。排放口处设置控制阀，潜水员水下打开封堵机连箱上球阀后，水上人员再打开船上控制阀排出管道内气体至常压，然后通过排气管向管道内注水。使用冷切割设备在选取的切割点切割废弃管道，并局部回收，然后在切割后的两个管端安装机械连接器(图15)。

本项目替换损坏管道的柔性软管长度为300 m，存储在立式滚筒上。立式滚筒的驱动形式有地辊式驱动和中心驱动两种，其中中心驱动形式通过夹持滚筒中部接口驱动，可以起到一定的固定滚筒的作用，更加适合船舶摇晃工况下的软管铺设。因此，本项目采用中心驱动形式的软管驱动装置，配套张紧器等进行软管铺设(图16)。

图14 损坏管道两侧封堵示意图Fig.14 Schematic diagram of plugging on both sides of the damaged pipeline

图15 机械连接器安装后示意图Fig.15 Schematic diagram of mechanical connector installation completion

图16 软管铺设示意图Fig.16 Schematic diagram of flexible pipeline laying

由于柔性软管长度大于更换的损伤软管长度，因此软管中间段需要采用弧形并偏离原损伤管道一定路由，从管沟内过渡到海床上。在软管铺设过程中，根据柔性软管“Ω”形路由移动铺管船，保持恒定的铺设张力和控制软管入泥点到铺管船的水平距离，确保软管的铺设精度。软管两端在管沟内与机械连接器法兰对接(图17)。

软管法兰对接后软管内已注满海水，通过封堵机连箱对软管进行压力测试后，在一端封堵连箱上安装流体单向流动阀门，从另外一端封堵机向管道内注入氮气，排空管道内海水；然后升压使管内压力与管道运营压力基本一致，将两个封堵球分别回收到封堵连箱内；之后立刻恢复管道的正常生产。

图17 软管铺设到海床后示意图Fig.17 Schematic diagram of flexible pipe laid on the seabed

管道投产后，为尽快完成后续工作，将封堵机、三明治阀和辅助支架整体回收，用倒链将封堵机和三明治阀与辅助支架连接到一起，松开三明治阀与机械三通连接的螺栓，收拉倒链将三明治阀与机械三通脱离，然后把封堵机与辅助支架整体回收(图18)。

图18 封堵机与辅助支架整体回收示意图Fig.18 Schematic diagram of retrieving plugging machine and auxiliary support together

4 实施效果

按照上述海底管道带压修复方案，在工程实施过程中使用开孔封堵设备辅助支架和吊装框架，克服了强潮流环境对海上施工的影响，保证了海上施工安全有序进行；开孔设备组合体的整体安装和封堵机整体回收，节省了工程工期；选取的球形封堵在长达40余天的带压封堵过程中无泄漏，为管道更换工作提供了有力保障，而且柔性软管更换受损管道也大大提升了管道更换的效率。

5 结论

1) 针对位于强潮流海域的东海某长输气管道修复工程，设计和使用了水下设备安装辅助支架和回收吊装框架，降低了恶劣海况下施工作业的风险，减少了待机时间，保障了工程安全有序进行。实践证明，在有效作业时间极为有限的情况下，分体设备的整体安装可明显提升施工效率；在管道无需降压的情况下，球形封堵的选取可达到长期有效封堵，避免开设平衡孔，节省工程工期；针对海底管道所处不稳定沉陷海床，选用对地质适应能力更强的柔性软管，可减少水下法兰接头，对管道后期安全运营提供更加坚强的保障。

2) 该工程的成功实施，进一步提升了我国海底管道带压修复的整体水平，可为以后类似复杂海况下长距离输气管道修复项目提供借鉴。