机械管卡在海底管道维抢修中的应用

任跃龙* 杜应军 张宏强

（海洋石油工程股份有限公司）

海底管道腐蚀、机械损伤、穿孔泄漏等各种管道损伤层出不穷，据统计每1 000 km 管道每年出现的损伤和泄漏概率为2%[1-2]。机械管卡在海底管道内/外腐蚀、轻微变形、穿孔泄漏等损伤修复工作中具有使用方便、快捷，所用船舶小、费用低等优点，有着不可替代的作用。本文阐述了国产机械管卡（简称“管卡”）在海底管道损伤修复中的作用及方法。本文阐述的机械修复方法适用于60 m 以内水深的施工作业，且损伤点附近管道椭圆度及直度满足卡具安装要求。图1 为2 种常用的国产机械管卡。

1 机械管卡修复范围

国产机械管卡多用于管道泄漏点（包括腐蚀穿孔、机械损伤穿孔等）和缺陷点（包括因腐蚀造成的管壁金属缺失、轴向或周向凹痕等）的修复工作[3]。机械管卡维修要求管道上安装管卡段变形应处于管卡精度允许范围内。

图1 2种常用的国产机械管卡

2 机械管卡维修方案设计

2.1 设计要求和设计流程

海底管道机械管卡维修方案设计前应明确海底管道基础数据和施工环境参数。海底管道基础数据包括管道设计数据、安装数据和检测数据；施工环境参数包括施工海域水深、潮流及工程地质条件。图2为机械管卡维修方案设计流程。

图2 机械管卡维修方案设计流程

2.2 海底管道缺陷点/漏点维修方案设计

2.2.1 设计基础

海底管道缺陷点机械管卡的维修方案设计时需要参考以下资料：（1）海底管道基础数据，包括详细设计、安装设计以及管道铺设完工资料；（2）海底管道铺设打点记录；（3）海底管道内检测数据；（4）海底管道外检测数据；（5）海底管道路由图；（6）施工海域环境参数。

根据上述资料来确定管道的相关数据，明确以下施工参数：（1）管道规格参数，如管道类型、外径、壁厚、材质、水泥配重层及防腐层参数等；（2）管道运行参数，如运行压力、流量和温度等；（3）管道铺设打点记录信息，如管道铺设时各焊缝的经纬度坐标；（4）管道内检测参数，如缺陷点尺寸、位置、腐蚀深度等；（5）管道外检测参数，如管道实际路由、埋深、悬跨及管道附近的地形地貌等；（6）环境参数，如水深、潮流、涌浪和气象等。

2.2.2 缺陷点定位

缺陷点定位方法如下：将管道内检测报告和管道铺设打点记录作为基础资料，内检测报告中的管道编号应和铺设打点记录中的管道编号一一对应，从铺设打点记录中查找缺陷点的大地坐标。图3 为铺设打点记录结合内检测报告推算原理图。

图3 铺设打点记录结合内检测报告推算原理图

2.2.3 泄漏点定位方法

泄漏点定位方法主要包括染色剂观测法和氮气观测法2 种。查找过程中应参考《中华人民共和国海洋环境保护法》和《中华人民共和国海洋石油勘探开发环境保护管理条例》，并根据《海洋工程设计手册——海上溢油防治分册》中的相关程序来开展防溢油作业。

（1）染色剂观测法

作业人员向管道内注入染色剂，然后观测船沿管道路由查找染色剂溢出位置，初步判定管道泄漏位置，该方法适用于查找输油管道、混输管道或输水管道的泄漏点。

（2）氮气观测法

作业人员向管道内注入氮气，然后观测船沿管道路由查找气泡逸出位置，初步判定管道泄漏位置，该方法适用于查找输气管道、泄漏点距离平台较近的输油或输水管道。

2.2.4 施工设计

使用机械管卡修复管道损伤时涉及船舶就位、作业坑开挖、涂层清理等工序，需要相应的设备予以支持。图4 为机械管卡修复施工流程图。

图4 机械管卡修复施工流程图

船舶及主要设备材料选型情况如下：

（1）船舶选型

船舶选型需根据施工海域作业水深，施工季节及海况等条件确定。

a） 基本要求

该船舶类型为起重船，船体长度不小于50 m，船身宽度不小于15 m，可用的甲板面积不小于500 m2，甲板承载力不小于5 t/m2，其吊装能力不应小于100 t。

b） 锚泊能力要求

定位锚数量不少于6 个，定位锚机能力不小于15 t，定位锚能力不小于3 t，详细参数应根据船舶稳性分析计算确定。

c） 安全救生设备及消防设备要求

安全救生设备应配备齐全，主要包括救生筏、救生圈、抛绳设备等；消防设备也应配备齐全，主要包括主消防泵、应急消防泵等。

d） 居住舱室要求

居住舱室应可允许居住30 人以上。

（2）主要设备选型

a） 开挖设备

开挖设备主要用于管道挖沟暴露及缺陷点位置作业坑定点开挖。开挖设备采用非接触式喷冲挖沟机，开挖作业能力不应小于300 m3/h。

b） 高压水涂层清理设备

高压水涂层清理设备主要用于缺陷点位置管道表面涂层清理工作（如水泥配重层、3PE 防腐层等），工作压力不小于1 100 MPa。

c） 超声波测厚设备

超声波测厚设备主要用于测量缺陷点位置管道壁厚，确定缺陷点位置及剩余壁厚，超声波测厚设备的精度为0.01 mm。

d） 试压设备

试压设备主要用于管卡内腔试压，试压介质为淡水，试压设备的量程需大于管道运行压力值，其精度可以达到0.01 MPa。

（3）机械管卡选型

目前国产机械管卡材质多为16Mn；机械管卡防腐级别为FBE-400 μm，永久机械管卡焊接时需要牺牲阳极，确保管卡寿命不小于管道使用寿命；机械管卡磅级应和管道相同；密封橡胶设计寿命应不小于25 年，并具备国家权威机构提供的橡胶老化试验合格证书；机械管卡尺寸设计值需根据内检测报告中的缺陷点数量及相对位置确定。

（4）防腐材料选型

水下裸露管段使用高分子防腐材料；防腐材料类型选取应根据缺陷点具体情况及防腐材料特性确定；根据管道外径、缺陷点及管卡安装数量来计算防腐材料涂敷量；施工时，应严格按照产品说明书进行操作，确保防腐质量。

2.3 机械管卡修复缺陷点程序

2.3.1 缺陷点查找确认

施工船舶缺陷点上方抛锚就位后，开展缺陷点的查找确认工作，主要流程如下：a）使用开挖设备挖沟暴露管道；b）潜水员在开挖沟槽内寻找缺陷点所在管段；c）在缺陷点位置定点开挖作业坑，其尺寸应满足潜水员施工要求，图7 为施工作业面开挖尺寸；d）潜水员使用高压水涂层清理设备清理缺陷点位置管道表面涂层，直至露出光管为止；e）潜水员应采用近距离观测的方法查找并确认外腐蚀缺陷点位置及缺陷情况，并记录测量数据；f）潜水员应使用超声波测厚设备查找确认内腐蚀缺陷点位置及剩余壁厚，并记录测量数据；g）将实测的缺陷点位置和腐蚀深度等信息与内检测报告信息进行对比，最终确认缺陷点。

2.3.2 椭圆度及直度测量

潜水员使用椭圆度测量仪对机械管卡密封位置进行椭圆度测量，确保管卡密封部位的管道椭圆度误差不超过管道外径的1%。

潜水员使用水平尺对管卡安装位置进行直度测量。水平尺长度不小于机械管卡总长度，分别在管道圆周方向均匀选取4 个点（如时钟0 点、3 点、6 点、9 点位置），使用水平尺贴合管道外壁检查海管直度，管体与水平尺距离不应超过1.5 mm。

2.3.3 机械管卡安装

卡具安装步骤如下：a）潜水员在安装管卡的管段上做限位标记；b）甲板人员为管卡配扣，使管卡处于打开状态；c）潜水员指挥船舶吊机将管卡调整至管道上方，使其上半部贴合管道上侧面，使其端面紧贴限位标记；d）潜水员确认管卡安装位置正确后，闭合管卡下半部分，并穿上全部螺栓；e）潜水员通过对称拧紧原则，从中间向两侧拧紧螺栓，先使用棘轮扳手对螺栓进行初步预紧，然后使用加力设备（如液压扳手、液压拉伸器等）对螺栓对称均匀加力，直到管卡闭合后的轴向间隙达到使用说明书中的间隙标准为止。图5 为螺栓预紧加力顺序示意图。

图5 螺栓预紧加力顺序示意图

2.3.4 机械管卡试压

机械管卡安装完成后，应对其进行压力试验，验证安装的有效性，具体步骤如下：a）潜水员将试压软管连接到机械管卡的试压孔上；b）甲板人员使用试压泵向管卡内注水升压。根据相关标准中的试验压力选取标准，结合缺陷情况及管卡设计参数确定试压压力，稳压时间为30 / min；c）在稳压过程中，根据标准要求，若压降小于4‰，说明试压合格；d）试压合格后，潜水员回收试压软管，封堵试压孔。

2.3.5 防腐处理

机械管卡安装完成后，需对其两侧的裸露管段进行防腐处理。防腐材料的涂敷步骤如下：a）甲板人员根据使用说明书调制防腐材料；b）潜水员将已调制的防腐材料均匀涂敷在裸露管段上。

2.3.6 机械管卡保护

维修作业完成后，在作业坑内用沙袋填满管卡的四周，以便保护管卡的安全。管卡保护作业完成后，潜水员进行检查和潜水录像，施工作业结束。

2.4 机械管卡修复泄漏点程序

2.4.1 泄漏点查找

（1）染色剂观测法

使用染色剂观测法查找泄漏点位置，施工步骤如下：a）作业人员在平台端向管道内注入染色剂；b）调查船沿着管道路由寻找染色剂在海面上的溢出位置；c）发现溢出位置后，立即根据《海洋工程设计手册 —— 海上溢油防治分册》第四章节的溢油污染应急处置程序开展溢油防治工作；d）发现染色剂即可确定管道泄漏的初步位置，施工船舶在该位置抛锚就位；e）施工船舶就位后，使用开挖设备挖沟暴露管道；f）潜水员沿着管道查找染色剂溢出位置；g）潜水员根据染色剂溢出位置判断疑似泄漏点位置；h）潜水员在疑似漏点位置定点开挖作业坑；i）潜水员清理疑似泄漏点的管道表面涂层，最终确定泄漏点位置。

（2）氮气观测法

氮气观测法查找泄漏点位置，施工步骤如下：a）作业人员在平台端向管道内注入氮气；b）调查船沿着管道路由寻找气泡逸出位置；c）发现气泡逸出位置即可确定管道泄漏的初步位置，施工船舶在该位置抛锚就位；d）后续步骤同染色观则法的步骤e）～步骤i）。

2.4.2 管道试压

使用机械管卡修复泄漏点的施工步骤与修复缺陷点步骤相同，两者的不同之处在于管道试压步骤。管道存在泄漏点，所以机械管卡安装完成后管卡内腔和管道内部连通。对管线进行整体试压时时，缓慢分步提升管道内压力，潜水员检查管卡状态，当压力升高至生产压力后进行稳压，稳压过程中压降小于4‰，且管卡状态良好，说明管卡安装成功。

当管道上存在多处泄漏点时，应将机械管卡全部安装完成后再对管线进行整体试压。

3 结论

机械管卡是针对管线内外腐蚀、腐蚀穿孔、外力造成的穿孔泄漏等情况而研制的，能够对管线进行有效保护，且对施工资源要求较低，大大提高了施工效率，降低了整体工程造价，在海底管道应急修复中的应用将越来越广泛。