用于海底管道维修的方法研究

用于海底管道维修的方法研究

导致海底管道破坏的自然或人为因素主要包括悬崖、内外侵蚀和机械破坏。早在50年代,美国就开展了水下管道修复技术和机具的研究及应用工作。到了70年代,海上油气田的开发转向了深水海域,国外石油公司也相继开发了深水海底管道的维修技术和设备。目前,已研究出了多种适用于海底管道维修的方式方法。维修的方式有水下维修和水上维修两种。水下维修是由潜水员在水下作业舱中完成;水上维修是将受损的管道提升到作业船上修复。海底管道维修所采用的方式方法取决于管道管径、水深、海底埋设深度、破坏的程度和类型、破坏的位置、采取的维修措施是应急性的还是永久性的、要求的维修时间以及现有设备和费用等因素。海底管道维修的内容有:①恢复管道的埋设状态;②填平被掏空的海床;③修复防腐层、混凝土加重层、阳极块;④完成堵漏及其他相关的工作。1.管道铺设的恢复非破裂管道维修包括恢复管道埋设状态、修复外防腐层和混凝土配重层及更换新的阳极保护块等。恢复管道的埋设状态进而减少或消除管道悬空的方法有:①用沙袋、灰浆气囊袋、升高枕或机械装置支撑管道;②回填被掏空的海床;③在管道上压混凝土配重块等重物;④重新挖沟埋设。通常,当管道底部悬空不大时可采用沙袋、灰浆袋、升高枕或机械装置支撑管道。(1)适当的间距原则在悬空段底部放置沙袋,沙袋与沙袋之间应有适当的间距,从而减少悬空段的长度。如果管段悬空太高,则沙袋容易倒塌,因此不宜用沙袋支撑高悬空的管段。(2)灰浆烟气袋的使用灰浆气囊袋是一种减少管道悬空的更有效可靠的方法,因为它由一系列相互连接的气囊组成,当气囊中填充灰浆后就形成气囊型支垫。每个气囊角有排气孔,可以保证管道和气囊型支垫接触良好。采用灰浆气囊袋恢复管道埋设状态通常由潜水员完成,并由供应船辅助进行。供应船上配备有能将灰浆注入灰浆袋中的设备。最近,开发了一种施工这种灰浆气囊袋的先进设备,并成功地在北海进行了实验。灰浆气囊袋固定在一个机架上,并通过机架折叠、安放、填充灰浆。(3)枕头升高枕是一种大的充水橡胶枕,安装方便,可以重复使用,而且能将40t的重量升高1.5m。(4)外管道锚索的复合式支护如果没有必要消除管道悬空,那么采用钢结构支撑管道是临时性或永久性解决悬空问题的方法。这种方法包括在管道底部按预定间距放置钢结构支架,这些支架可将管道底部升高到所需要的高度。回填悬空段则是从辅助船上向管道上倾倒砾石和石子等松散材料。采用这种方法,由于回填材料的堆积可以覆盖住管道的悬空段,如果管道底部悬空不是太高(0.5ue0011.5m),可以保护整个悬空段。如果海床的承载力不足以支撑倾倒的材料,那么就不能采用该方法。防止旋涡冲刷,并阻止悬空继续恶化的最合适的方法是用砾石填充冲刷空洞,此方法还可以用来抑制现有悬空段的摆动。如果悬空段相当长,但管道底部悬空小,仅有几十厘米,那么可以用在管道上加压载块的方法把管道压在海床上。压载块可以为混凝土块,也可以为其他材料。挖沟埋设管道能使管道稳定,它被看作是支撑管道或进行重新回填的替代方法。当悬空端部开始下沉时可以采用这种方法维修,然而此方法受以下因素的限制:①在某些区域,挖沟设备的定位可能比较困难;②在悬空特别短的管段,如果悬空高度不定,则管沟的深度不好控制;③在决定采用这种方法之前,应对维修计划、经济效益及对管道可能造成的损害等综合考虑。如果外防腐层遭到破坏,最好是把管道吊到修理船上修复,修复的标准应与原涂层相同。若必须在水下修复时,应采用可在水下施工的涂料,并应在彻底清理管道表面后由潜水员施工。当检测结果证明,阴极保护系统保护不充分时,需要由潜水员安装新的阳极块。新阳极块应安装在旧阳极块的旁边,与管道主体施焊连接。2.常见的几种破坏海底管道基本上有两种结构形式,一种是带混凝土加重层的单壁管,另一种是复壁管,即管道有内管和外管,两者之间有保温层。海底管道的修复方法取决于管道所受破坏的类型。管道的破坏大体上可以分成三类,第一类是局部小的破坏如小孔或小裂纹泄漏,这类泄漏通常出现在由局部腐蚀或焊接缺陷造成的小孔处;第二类是局部破坏,需采用钢保护套或短管替换被破坏的部分,这类破坏最常见,例如船锚钩挂等;第三类是在相当长的管段上出现的大范围破坏,造成管道轴向强度大大降低,需要用长的管段替换受破坏的部分。根据缺陷或破坏的类型,可以采用钢维修套修复技术、机械连接器修复技术或高压焊接修复技术。如对于大范围的破坏或较长的管段,要采用端部机械连接器或高压焊接技术更换管段。修复方法主要有两种,即将管道提升到工作船上进行修复和在水下修复。将管道提升到工作船上进行修复的方法,仅限于浅水区域和小管径管道,而且要考虑到管道提升过程中所受到的应力和可能产生的危险性。2.1单壁管自适应钢提升技术在其他管道焊缝的使用进展中,有以下几种基钢维修套都是先作成两半,使用时用螺栓连接法或焊接法固定到管道上。因此,钢维修套分为焊接式和螺栓连接式,螺栓连接式还包括一种铰链式。螺栓连接式钢维修套使用更方便;焊接式钢维修套可以提高修复的可靠性,该方法可以修补20m长的管段和大半径弯头。实际应用时,可以往钢维修套与管道的环形空间注入环氧砂浆等密封材料,也可以在环形空间加其它密封材料。环形空间的厚度一般为3ue00140mm。钢维修套可以用于局部较大的机械破坏或泄漏、腐蚀、裂纹、轴向或周向凹痕和环焊缝处的缺陷,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深度达管径的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。英国气体公司(BG)等国外公司成功地开发了钢维修套,它可以永久地修补运行中的陆上高压气体管道、油管道及成品油管道和海底管道。这种技术已成功地应用了多年。其它公司也在世界范围的油气管道、天然气输送管道、石化炼厂管道和近海平台立管上采用此方法。从1982年开始,墨西哥的Mexssub公司就开始开发使用钢维修套修复立管。1994年2月,Mexssub公司用钢维修套在不停输的情况下,为墨西哥国有石油公司Pemex修复了Astasta—CiudadPemex管廊的一条直径为914mm的酸性气体输送管道上的腐蚀缺陷。Mexssub公司为此项目设计制造了一系列设备,包括用于钢保护套焊接的组装式工作舱、工作舱投放驳船、潜水辅助驳船、生活设施船,工作舱投放驳船上配有控制室。机械连接器修复法修复单壁管适合修复大范围的破坏。该方法是将有缺陷或遭破坏的管段切掉,用一短管来替换。替换管段用机械连接器和原管道连接在一起。机械连接器分夹套式和压接式两种。(1)夹套式连接器是用类似的钻井装置改进的,比原管道强度大。在切割掉被破坏的管段后,将配合套装在原管道的两端,把替换管段放在其中。将夹套式连接器与上述管道配合套之间对正,使两者之间形成小于1/8英寸的间隙,间隙内用机械方法插入轴向垫片。最后连接器的爪指沿配合套圆周收拢,形成金属对金属的密封。为保证两管端成一直线,由液压驱动的制动器(或定位器)夹住连接器和配合套,使之一起移动并收拢连接器的爪指。(2)压接式连接器是在原管道的两端各安装一个法兰,这样就可以将法兰的替换段通过法兰与原管道连接起来。在切割掉受破坏的管段后,将带法兰的端部连接器放在管道端部,把压接工具插入管端,并旋转压接工具上的滚轴将管壁压迫成塑性状态,使之与法兰连接器上的凹槽完全接触,形成整体的金属对金属的密封。安装完法兰连接器后,可以安装替换短管。2.2修复内管内管英国Rockwater公司从1980年起,在铺设近海管道时一直采用复壁管结构。复壁管结构为:内管输送介质,外管为保护管,内外管之间为保温层。(1)内管的修复。先把外管扒掉才能修复内管。内管的修复方法与单壁管相同,主要有钢维修套法和机械连接器法两种。(2)外管的修复。如果替换管段的长度小于水下作业舱的长度,则可以采用高压焊接法。如果替换管段的长度大于水下作业舱的长度,则不能采用高压焊接法,因为在外管断面处难以实现对水下作业舱的密封。一般开启式维修套可以将外管修复,但抵抗不了由于内管受热膨胀而产生的轴向拉伸荷载。解决的办法是,向开启式维修套的环形空间内注入砂浆,这样能使荷载从外管传递到开启式维修套上。这种开启式维修套提高了管道的轴向强度,起到了防腐作用,能保护内管不受破坏,能支撑内管,避免弯曲。2.3双管群对接焊接技术水下高压焊接法是为海底装置和海底管道的施工和修复而开发的一种技术,主要目的是,在水下把管道的两端焊接起来。这种焊接技术是将一个水下作业舱放到需更换