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中文摘要 伴随深水油气勘探和开采的发展 促使输送油气的深水海底管道的快速发 展 海底管道管内受油气载荷 腐蚀等影响 管外受风暴 波浪 潮流引起的附 加载荷以及海水腐蚀 砂流的磨蚀 地震或寒冷地区冰流的侵袭等影响而损坏管 道 或安装管道中 出现变形等损坏 将因其而停输 停产带来巨大的经济损失 促使了深水海底管道维修系统 d e e p w a t e rp i p e l i n er e p a i rs y s t e m 简称d p r s 的研究与发展 d p r s 作为国内外公认的具有发展前途的海管维修产业 以其技术含量高 经济效益好 渗透能力强 市场前景广等特点为世人瞩目 目前 国外很多公司 组成深水海底管道维修联盟 单独或共同拥有一套d p r s 我国暂无深水海底管 道 故国内对d p r s 的研究比较薄弱 近年来 为满足国内蓬勃发展的能源需求 中国海洋石油总公司 中海油 作为我国海洋石油开发的主力 在广阔市场的推动下 确定了 渤海3 0 0 0 万吨 南海5 0 0 0 万吨 政策导向 在大力开发海洋石油 并逐步从浅水走向深水 海底 管道维修已形成了一定的产业基础 尤其在经过近几年的浅水和较深水的海底管 道维修的实践 中海油在技术创新 自主研发 成果转化和竞争能力等方面有了 长足进展 而此时研究d p r s 无疑为日后中海油开发引进深水海底管道维修系统 以及进军深水领域的发展有一定的借鉴意义 本文系统的介绍了d p r s 的研究和应用状况 维修方式及维修程序等 同时 对海油工程现有海底管道维修能力进行了总结 应该说 目前已经具备了开展深 水海底管道维修系统工程应用的条件和能力 最后展望了中海油引进开发d p r s 的前景 为日后我国海洋石油进军深水 特别是深水海底管道维修领域打下基础 贡献力量 关键词 深水海底管道维修 d p r s 维修方式 维修程序 应用研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd e e p w a t e ro i l g a se x p l o r a t i o n 孤dp r o d u c t i o n d e e p w a t e rp i p e i i n e s w h i c ha r em a i n l yu s e dt ot r m s p o no i l g a s a r ed e v e i o p e d h o w e v e r d u et om el o a di nd i a m e t c r a d d i o n a ll o a db ys t o m l w a v e 卸dt i d e e 1 1 r o s i o nb ys e a w a t e r a b r a s i o nb ys o i l d s e a n h q u a k e 锄da t t a c kb yi c e e t c t h e yw i l l d a m a g et h ep i p e l i n e s t h ed a m a g ew i l ll e a dh u g ee c o n o m i cl o s t a n dt h e nd e e p a t e r p i p e l i n er e p a i rs y s t e m d p r s i sm a d et 0b er e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d a sap i p e l i n em a i n t a i ni n d u s t 眄p r o v i d e dw i t hd e v e i o p m e n t a lf o r e g r o u n dw h i c h h a sb e e nr e c o g n i z e db ya uo v e rt h ew o r l d d p r si sf o c u sa t t e n t i o nb yt h ew o r l d b e c a u s eo fh i 曲 t c c h g o o db e n e f i t s t r o n gp e n e t r a b i l i 谚锄dw i d em a r k e t a b i l i 妙f o rt l l e m o m e n tm 锄yc o r p o r a t i o n sp o s s e s so fd p r st o g e t h e rt oc a r t e l i z eo np i p e l i n e m a i n t a i n t h e r ei sn od e e p w a t e rp i p e l i n ei nc h i n as oi n l a n dr e s e a r c hi si n f i r e q u e n t i nr e c e n ty e a r sw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n an a t i o n a lo 仃 s h o r eo i lc o r p o r a t i o n p i p e l i n em a i n t a i nh a sf o m e df i o 帅d a t i o n w i t ht h es u p p o no fg o o dp o l i c y 锄d m a r k e t a b i l i 坶 a n dm a d eab i gp r o g r e s so nt e c hi n n o v a t i o n s e l f 二e x p l o i t u r e p r o d u o n t r a n s f o m c o m p e t i t i o n t h u s t h i sr e s e a r c ho nd p r si sh e l p 如lt oi n t r o d u c ed p r si n t 0 c h i n aa n dc n o o ce n t e ri n t od e e p w a t e rf i e l d t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c h a p p l i c a t i o n m a i n t a i nm e t h o d s 锄dp r o c e d u r e o nd p r s a n ds u m m a r i z e st h ea b i l i t yo fp i p e l i n em a i n t a i n a tl a s tp r o s p e c t st h e f o r e g r o u n do fi n 仃o d u c i n gd p r s 粕dm a k e sf o u n d a t i o nf o rc n o o ct 0e n t e ri n t o d e e p w a t e rf i e l d e s p e c i a l l yd e e p w a t e rp i p e l i n em a i n t a i nl a t e r k e y w o r d s d e e p w a t e rp i p e l i n er e p a i r d p r s r e p a i rm e t h o d s r e p a i r p r o c e d u r c s r e s e a r c hi np r o j e c ta p p l i c a t i o n s 目录 第一章绪论 1 1 1 绪论 1 1 2d p r s 的研究背景 2 1 3d p r s 的研究意义 3 第二章国内外d p r s 的研究与应用概述 5 2 1 国内d p r s 的研究与与应用概况 5 2 1 1 起重辅管作业船舶 5 2 1 2 8 6 3 水下干式舱 6 2 1 3h s w 0 6 0 a 型挖沟机 6 2 1 4h s g 0 6 0 a 水下管道全位置自动t i g 焊接机 7 2 1 5 水下管道开孔机 封堵机 8 2 1 6 水下金刚石绳锯机 8 2 1 7r o v 9 2 2 国外d p r s 的研究与应用状况 9 2 2 1 无潜水支持海管维修系统d s r s 1 0 2 2 2e n i 公司的d p r 孓一s i r c o s 10 2 2 3 美国墨西哥湾联盟的深水海底管道应急维修响应系统d w r u p e l2 第三章深水海底管道维修方式及程序研究 1 3 3 1 深水海底管道维修方式 1 3 3 2 维修的程序 1 5 3 2 1 夹具维修程序 1 5 3 2 2 海上提管维修程序 19 3 2 3 海底维修程序 2 0 第四章国内海底管道维修技术实际应用研究 2 3 4 1 起管焊接法兰维修技术 2 3 4 1 1 技术简介 2 3 4 1 2 工程应用研究 锦州港改线管道铺设的设计和计算研究 2 4 4 2 干式舱维修技术 3 4 4 2 1 技术简介 3 4 4 2 2 工程应用一东方1 1 气田海底管线维修研究 3 5 4 3 开孔封堵机不停产干式维修技术 3 6 4 3 1 技术简介 3 6 4 3 2 工程应用 渤西油气田海底管道维修研究 3 8 4 4 利用机械连接器更换管段维修技术 4 1 4 4 1 技术简介 4 1 4 4 2 工程应用 涠洲油田海底管线维修研究 4 3 4 5 补强套件维修技术 4 6 4 5 1 技术简介 4 6 4 5 2 工程应用 惠州油田海底管道维修研究 4 7 第五章d p r s 在我国海洋石油领域开发与引进的研究 5 1 5 1 装备及工具的开发与引进 5 1 5 1 1 深水起重铺管船 5 1 5 1 2 动力定位船 5 2 5 1 3 无潜水支持的夹具连接器 5 3 5 1 4 可由r o v 操控的切割设备 5 3 5 1 5 提管设备 5 4 5 1 6 海底管道外涂层和焊缝清除工具c f r t 5 5 5 1 7 海底管道终端测量系统p m s 5 5 5 1 8 海底管道维修备件库 5 6 5 2 技术的研发与引进 5 7 5 2 1 海底管道外部 内部检测能力 5 7 5 2 2 海底管道事故应急反应处理能力 5 9 5 2 3 海底管道完整性管理能力 6 0 第六章结论与展望 6 2 6 1 结 仑 6 2 6 2 展望 6 2 参考文献 6 4 致谢 6 6 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 绪论 第一章绪论 伴随深水油气勘探和开采的发展 促使输送油气的深水海底管道的快速发 展 海底管道管内受油气载荷 腐蚀等影响 管外受风暴 波浪 潮流引起的附 加载荷以及海水腐蚀 砂流的磨蚀 地震或寒冷地区冰流的侵袭等影响而损坏管 道 或安装管道中 出现变形等损坏 将因其而停输 停产带来巨大的经济损失 促使了深水海底管道维修系统 d e e p w a t e r p i p e l i n er e p a i rs y s t e m 简称d p r s 的研究与发展 d p r s 作为国内外公认的具有发展前途的海管维修产业 以其技术含量高 经济效益好 渗透能力强 市场前景广等特点为世人瞩目 目前 国外很多公司 组成深水海底管道维修联盟 单独或共同拥有一套d p r s 我国暂无深水海底管 道 故国内对d p r s 的研究比较薄弱 近年来 为满足国内蓬勃发展的能源需求 中国海洋石油总公司 中海油 作为我国海洋石油开发的主力 在广阔市场的推动下 确定了 渤海3 0 0 0 万吨 南海5 0 0 0 万吨 政策导向 在大力开发海洋石油 并逐步从浅水走向深水 海底 管道维修已形成了一定的产业基础 尤其在经过近几年的浅水和较深水的海底管 道维修的实践 中海油在技术创新 自主研发 成果转化和竞争能力等方面有了 长足进展 而此时研究d p r s 无疑为日后中海油开发引进深水海底管道维修系统 以及进军深水领域的发展有一定的借鉴意义 本文系统的介绍了d p r s 的研究和应用状况 维修方式及维修程序等 同时 对海油工程现有海底管道维修能力进行了总结 应该说 目前已经具备了开展深 水海底管道维修系统工程应用的条件和能力 最后展望了中海油引进开发d p r s 的前景 为日后我国海洋石油进军深水 特别是深水海底管道维修领域打下基础 贡献力量 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2d p r s 的研究背景 随着经济的快速发展 工农业生产对能源尤其是油气的需求日益增长 且随 着浅水油气田开采的接近饱和 国内外更加重视深水油气的探勘和开采 国外深 水油气田勘探和开采始于上世纪7 0 年代 尤其是墨西哥湾和北海的深海地区发 展最快 中国南海南部为深水海域 蕴含丰富的油气资源 从2 0 世纪6 0 年代南 海发现石油后 越南 菲律宾 马来西亚 新加坡 印度尼西亚 文莱等国家 都前往勘探和开采石油 现南沙海域油井己超过l 0 0 0 口 每年开采的石油超过 5 0 0 0 万吨 相当于大庆油田的年产量 且这些井口均位于我国传统海疆线以内 的南沙群岛附近海域 而我国至今没有在南沙竖起一座井架 打一口油井 我们 面临勘探和开采南海等深海油气的巨大机遇和挑战 我国深水油气田的开采还处于初级阶段 已开采了陆丰2 2 1 平均水深3 3 3 米 流花1 1 1 平均水深3 0 5 米 深水油田 并于2 0 0 6 年在珠江口盆地1 5 0 0 米 水深处发现了荔湾3 1 大型深海天然气田 标志着中海油的作业领域实现了由浅 水向深水的跨越 但相对于国外深水勘探和开采 仍存在很大的差距 2 0 0 4 年 由中海油石油研究中心牵头承担了国家 8 6 3 课题 深水油气田 开发工程共用技术平台研究 项目 开始了国内首个深水工程技术的系统研究 中海油成立了深水工程实验室 根据深水开发和未来发展的需要 对未来五年的 研究方向和研究课题做了全面规划 成立了由中海油内部和外部专家组成的学术 委员会 确立了八个方向 十二个核心关键技术作为今后研究重点 其中深水钻 完井技术 深水平台技术 水下生产技术和天然气水合物开采技术等 都被纳入 国家8 6 3 计划 2 0 0 6 年开展了 十一五 8 6 3 计划 南海深水油气勘探开发关键技 术及装备 重大项目 在此背景下 对深水海底管道维修系统进行研究 为我国 深水顺利 快速发展提供保障 加快了全方位的 系统的迈向深水发展的步伐 深水油气勘探和开采 因其水深 地形等原因 具有巨大的挑战性 深水油 气的开采平台己不同于传统的导管架平台 已演化为张力腿平台t l p t e n s i o n l e gp l a t f o m 单柱平台 s p a r 半潜式生产平台 浮式生产平台f p u f l o a t i n g p r o d u c t i o nu n i t 等 主要模型如图1 1 所示 海底湿式采油 如采油树 系统采 油后 经出油管道输送或再经管汇 通过海底管道将油气输送至浮式生产平台上 或输送至陆地终端 因此 深水海底管道在深水油气田开采中 发挥重要的作用 天津大学硕士学位论文第一章绪论 陆地终端 图1 1 深水油气开采模式 伴随深水海底管道的发展 深水海底管道维修成为不可回避的话题 因其 受管内油气载荷 受风暴 波浪 潮流引起的附加载荷以及海水腐蚀 砂流的磨 蚀 地震或寒冷地区冰流的侵袭等影响而损坏 因此 现在大多运营商决定拥有 一套完整的深水海底管道维修设备 如s h e l l 公司在2 0 0 5 年的k a t r i n a 飓风中 m a r s 的t l p 主要出气管和输油管道出现了损坏后 经抢修能快速的复产 足以 证明拥有一套d p r s 的重要性和必要性 目前国外很多公司组成深水海底管道维 修联盟 共同拥有二套d p r s 将因飓风或其它不可预测的情况造成管道损坏带 来的损失降为最小 1 3d p r s 的研究意义 目前我国对d p r s 的研究比较薄弱 随着我国深水油气田的勘探和开采 将 铺设更深 更长的海底管道 且随管道服役期增长及泥沙 潮流 飓风等外界影 响造成管道损坏 将给深水海底管道维修带来巨大的市场和潜力 现深入探索和 研究d p r s 具有重要的经济 社会 环境等意义 1 填补我国对深水海底管道研究的不足 缩短与国外在d p r s 上的差距 增强我国深水油气田开采的整体实力 并为我国深水油气领域发展储备技术和人 才 2 为目前我国以浅水为主的海底管道维修提供可借鉴的技术和方案 目 前 我国已铺设3 7 0 0 l 饷浅水海底管道 随服役时间增长 近年相继出现泄露事 3 4 天津大学硕士学位论文第二章国内外d p r s 的研究与应用概述 第二章国内外d p r s 的研究与应用概述 伴随深水海底管道的发展 与其相应的维修系统也随之发展 各主要的油气 运营商 设备和工具供应商都注重研制和拥有d p r s 的设备和工具 本章对国内 外d p r s 的研究和应用状况 进行调研与分析 2 1 国内d p r s 的研究与与应用概况 目前我国海底输油气管道以浅水和较深水为主 因此 我国利用潜水 水下 机器人 r e m o t eo p e r a t e dv e h i c l e 简称r o v 支持的海底管道维修具有丰富的 经验 如锦州港海底管道改线 东方气田海底管道维修 渤西油气田海底管道维 修 涠州油气田海底管道维修 惠州油气田海底管道维修等 且 8 6 3 项目 水 下干式管道维修系统 已获得海上试验成功 打破了国外的技术垄断 极大地提 升了我国在浅水海底管道检测与维修领域的作业能力 我国暂无深水海底管道 故国内对d p r s 的研究比较薄弱 目前中海油公司 正开设 深水海底管道维修的调研与论证 研究课题 基于此平台 下文将分析 国外d p r s 的研究与应用现状 结合中海油自身海底管道维修能力 提前对深水 海底管道维修系统进行研究 为我国深水顺利 快速发展提供保障 加速全方位 的 系统的迈向深水发展的步伐 下面简要介绍一下国内现有海底管道维修设备 与工具 经过多年的积累 中海油用于海管维修的常用设备及工具装备精良 其中包 括 起重铺管作业船舶 8 6 3 水下干式舱 挖沟机 开孔机 管道切割破口机 对口器 水下金刚石绳锯机 水下管道全位置自动焊接机 轴向切割机 坡口机 高压水研磨料切割设备 闸刀式管锯等 2 1 1 起重辅管作业船舶 随着海洋石油开发工程的发展 海底管道铺设与维修的作业船舶较为丰富 但是主要是应用于3 0 0 米以浅水域的施工船舶 如海洋石油2 0 2 蓝疆号 滨海 天津大学硕士学位论文第二章国内外d p r s 的研究与应用概述 1 0 9 1 0 8 拖轮等 同时 也具备了在1 0 0 0 米水深作业能力的动力定位船 图2 1 起重铺管作业船舶 2 1 2 8 6 3 水下干式舱 水下干式舱是属于国家高技术发展计划 8 6 3 计划 海底管道修复技术 专题 水下干式管道维修系统 课题的子课题成果 于2 0 0 6 年1 1 月在中国渤海 湾进行了海上试验 连续五次放入海底 进行各功能模块试验 试验表明 各功 能系统均达到了设计要求 满足工程需要 形成了我国首套具有自主知识产权的 水下干式作业舱 图2 2 8 6 3 水下个干式舱 2 1 3h s w 0 6 0 a 型挖沟机 h s w 二0 6 0 a 型海底管道挖沟机是一套兼顾基础喷冲和埋管喷冲的具有自主 知识产权的海底专用挖沟技术与装备系统 主要由水面控制单元 动力和信号传 输脐带 脐带绞车和挖沟机本体四大部分组成 为了提高一次拖曳埋管挖沟深度 在该海底挖沟机产品上首次采用了阶梯喷 6 天津大学硕士学位论文第二章国内外d p r s 的研究与应用概述 嘴技术 当作为埋管挖沟作业时 使用6 个喷口 采用较大扬程 较小流量方式 开沟 能够实现1 5 米 分钟速度下 一次拖曳形成上宽1 8 米 底宽1 5 米 深 1 8 米的挖沟效果 图2 3 挖沟机 2 1 4h s g 0 6 0 a 水下管道全位置自动t i g 焊接机 h s g 0 6 0 a 型水下管道全位置自动t i g 焊接机是一套新颖 可靠 轻型的管 道全位置焊接系统 可以满足海底管道水下干式焊接维修市场的需要 h s g 0 6 0 a 管道自动t l g 焊接机由焊接机头 焊接电源 手控盒 电弧摄像 焊接动力脐 带和控制脐带 电控硬件和程控软件等组成 与市场同类型的系统相比 该系统 采用远程遥控接触引弧 弧压反馈和焊接电弧摄像技术 解决了高频引弧的电磁 辐射问题 显著提高了水下作业效率 降低了管口组对和对现场潜水作业人员焊 接资质的要求 图2 4 自动焊机 天津大学硕士学位论文第二章国内外d p r s 的研究与应用概述 2 1 5 水下管道开孑l 机 封堵机 液动开孔机主要由减速箱体 机架 驱动套筒 主轴 丝杆 筒刀 中心钻 联箱等零部件构成 通过更换开孔机的联箱 筒刀 中心钻等零部件来达到开不 同直径孔的目的 通过标尺杆上的刻度来计算何时开孔完毕 h s k 3 0 0 a 型水下 开孔机是国内首台自主研发的水下带压开孔机 主要用于6 0 米水深以浅6 2 4 管道带压开孔作业 适用于石油 化工 天然气等水下或陆地管道带压开孔 分 支线 清洗管道工艺中的下清洗头 封堵 抢修 换阀等施工中的开孔作业 图2 5 水下管道开孑l 机 封堵机 2 1 6 水下金刚石绳锯机 h g 2 4 j 型水下金刚石绳锯机由船上液压动力源与控制操作柜 水下绳锯机 主机两部分组成 船上部分由操作控制柜 液压动力源 油管箱 电缆箱等部件 组成 水下绳锯机部分由中继浮筒 悬吊绳索 固定浮筒 绳锯机本体等部件组 成 图2 6 水下金刚石绳锯机 8 图2 7r o v 2 2 国外d p r s 的研究与应用状况 国外深水油气田勘探和开采始于上世纪7 0 年代 尤其是墨西哥湾和北海 因此 主要深水海底管道也集中于此 而相应的d p r s 也属经营此油气田的大型 公司拥有 以备飓风或发生其他不可预料的情况导致管道损坏而中断输送时 系 统和设备能快速运至现场并进行管道抢修 尽快复产 如油气田营运商b p s h e l l e n i s 协t o i l 等拥有d p r s 主要由s o n s u b o c e a n e e r i n g o i ls 协t e s s t a t o i l 等公司设计和制造d p r s 系统及其所需的主要设备和工具 早在1 9 8 7 年 由美国m o h r 工程公司发起组建了浅水海底管道维修联盟 即 r u p e r e s p o n s et 0u n d e r w a t e rp i p e i i n ee m e r g e n c i e s 其成员大多是油气田营运 公司和油气输送商 其成员数己增至3 1 个 并根据本公司的管径和管道长度决 定需交纳的会费 其主要设备是6 3 6 的夹具 机械膨胀弯连接器等 由m o h r 工程公司负责采办 存储 维保 运输等 为成员出现管道损坏的紧急情况下 提供维修所需设备 将管道停输 停产的损失降为最低 r u p e 为深水海底管道的营运商提供了参考 一方面是让他们懂得拥有 天津大学硕士学位论文第二章国内外d p r s 的研究与应用概述 d p r s 的重要性 另一方面更多公司欲组成联盟共同拥有d p r s 近几年来 d o t 会议上 d p r s 成了一个热门话题 每年都有公司 专家介 绍d p r s 的最新设备和技术 并探讨d p r s 的应用经验和发展前景 下面将简述油气田营运公司 油气输送公司拥有的d p r s 分布及应用情况 2 2 1 无潜水支持海管维修系统d s r s 1 9 9 1 年 s o n s u b 公司为地中海输送管道设计一套无潜水支持海管维修系统 d s r s d i v i n g i e s ss e a l i n er e p a i rs y s t e m 如图所示 其维修管径为2 0 2 6 是s o n s u b 研制d p r s 的前身 图2 8 无潜水支持海管维修系统d s r s 经几年的浅水和深水实验 现d s r s 可提供管道的吊装 切割 终端修理 机械终端连接器的安装 可提供伸缩短膨胀弯和密封系统及膨胀弯的安装方式 等 d s r s 现存储在意大利威尼斯的s o n s u bs p a 码头 为6 6 7 m 地中海的t r 锄s m e d 管道维修的服务 2 2 2e n i 公司的d p r s s i r c o s 2 0 0 5 年 s o n s u b 与e n l 签订合同 为蓝溪 b l u es t r e 锄 2 4 和绿溪 g r e e n s 吮锄 3 2 管道的维保提供一套管道维修系统s i r c o s s i s t e m a d i 鼬p 觚瘟o n e c 0 n d 酣es o t o m 撕n e 并由s o n s u b 负责设计 建造 维护和操作此系统 如下 图所示 此s i r c o s 基于d s r s 铰接h 吊将管道提离海床 钻石线切割机切除 损坏的管段 管道终端修理机修理切除管道的终端 清除管终端的p b e 和混凝 1 0 图2 9 刚i 公司的d p r s s i r c o s 天津大学硕士学位论文第二章国内外d p r s 的研究与应用概述 2 2 3 美国墨西哥湾联盟的深水海底管道应急维修响应系统d w r u p e 早在2 0 0 4 年 s 骶s ss u b s e a 工程咨询公司就意识到未来将需求d p r s 的广 阔市场 并与当年1 2 月模仿r u p e 着手组建了深水海底管道紧急维修响应系 统d wi p e d e 印w 缸e rr e s p o n s et 0u n d e m a t e rp i p e l i n ee m e 唱e n c i e s 联盟的合 作项目 d wr 切 e 组建时 咨询了油气田作业公司b p s h e l l 及设备和工具的主要 供应商s o n s u b 0 c e a n e e r i n g o i l s t a t e s q u a l 时c o n n e c t o rs y s t e m s c 粕y o n o 仃s h o r e d e e pm a r i n et e c h n o l o g y 等 以便能使系统更为完备 且提供更为合理 的维修方式 设备及工具等 2 0 0 6 年 联盟主要成员美国的管道营运商e n t e r p r i s ep r o d u c t sp a n n e r sl p 和 e n b r i d g e 联合管道生产商b p 开采勘探开采公司和e n i 集中力量达成协议 为 d wr u p e 购买约1 2 0 万美元的管道维修系统和设备 如堵漏夹具 膨胀弯和连 接器等 以备水深l 0 0 0 f i 1 0 0 0 0 r 管径范围4 2 4 的深水海底管道和出油管道 维修 此系统将存储在墨西哥湾地区 以供美国境内联盟成员的深水海底管道因 飓风或其他不可预料情况发生 导致管道损坏而输送中断时 系统和设备能快速 运至现场进行管道抢修 尽快复产 此系统只供联盟的成员使用 不外租 但此 联盟还在期待其他管道供应商和油气田营运商的加入 此联盟解决了此前管道维 修需停产 停输较长时间的问题 是解决该国能源供应短缺的举措 同时也反映 了行业间强大的合作精神 深水海底管道维修中将损坏管道长度小于管道直径大小 且其不危及管道 的结构整体性时称为管道小损坏 如由局部腐蚀或焊接缺陷造成的小孔或小裂纹 泄漏 将管道损坏长度大于其直径称为管道大损坏 且损坏管长 5 度 管道短弯曲变形 无重大 7 能力支持船 管道短弯曲变形 有重大 8 能力支持船 管道长耷曲变形 无重大 9 能力支持船 管道长弯曲变形 有重大 1 0 能力支持船 由表3 1 可知 像小孔或小裂纹泄漏的管道损坏 采用夹具进行永久性的维 修 夹具维修时 应保证维修夹具不会破坏原管道的完整性 不能破坏原管道的 结构和力学特性 像管道短弯曲变形或大面积的泄漏时 应考虑有无重型支持船 选择采用膨 胀弯代替原损害管道的海上提管维修 海底维修或海上提管维修与海底维修相组 合的维修方式 海底膨胀弯维修 需提管架 切管工具 龙门托架 连接器及膨 胀弯等设备 海上提管维修具有操作方便 效率高等优势 但需重型提管船的支持 考虑 海上维修水深 设备等具体情况 或埋管 悬跨 电缆交汇等对提管存在限制时 应采用海底维修 但像靠近钢悬链立管s c r s t e e lc a t e n a r yr i s e r 的大泄漏管道损坏时 附 近不便于停泊大型支持船 维修时还需维护s c r 上水平底部张力 无论是采用 海上提管或海底修理方式 不能使用膨胀弯替换损坏管道 而应铺设新的s c r 或新段管道 当海床斜坡角度大于5 0 时的大损坏 或管道发生灾难性的损害 1 4 天津大学硕士学位论文第三章深水海底管道维修方式及程序研究 或没有维修价值时 需考虑增铺或重铺新管道 管道安装时 剧烈的海流 动力 定位的损失等产生不可控的张紧力而引起管道翘曲的危险 焊接的好坏也可能导 致管道翘曲 应利用现有的铺管船资源反向铺管操作进行提管重铺管道 如s h e l l 的m e n s a 铺管项目中 因过大弯曲力 使1 2 管道焊缝出现问题 从水深 5 3 0 0 肛4 7 0 0 1 f i 间反向铺管方式回收了几公里的管道 并重新铺管 安装中 若出 现小的缺陷点 也可选择夹具维修 此外 维修还可根据选择的连接 密封不同 分为夹具 连接器 深水高压 焊接维修等方式 3 2 维修的程序 在管道正常运行中 出现管道损坏 管道的运营商应先临时组织维修队伍 进行简单的封堵或停产 停输 以防止管道破坏增大 油气泄漏污染海洋的生态 环境 造成更大的经济损失 之后 选择实力强大的海底管道维修公司 对损坏 管道进行详细的勘探和绘制图纸 制定维修方案 承包商根据本公司的经验 船舶 设备等 制定详细的修理程序 以下为夹 具维修 海上维修 海底维修等三种维修方式的作业程序 3 2 1 夹具维修程序 夹具维修自上世纪7 0 年代就有了一定市场 常用于陆地和浅海维修 故其 技术较为成熟 深水海底管道夹具维修 是无潜水支持的维修 采用r o v 液压 操纵夹具作业 主要用于小损坏管道的永久性维修 像针孔类的损坏 可采用一 个夹具维修 对损坏较大且管段较短时 可切除损坏管道 采用两夹具的膨胀弯 连接方式进行维修 夹具维修程序简单 只需支持r o v 的定位船 所需吊机也 较少 因此具有一定的使用市场和价值 下面分别以o i ls t a t e s 公司安装单夹具 维修和d wr u p e 的双夹具膨胀弯维修为例 介绍夹具维修程序 1 o i ls 骶s 公司的液压夹具维修 单夹具小损坏管道维修时的维修程序如下 1 动员支持船 人员 维修设备及其他的辅助设备到维修现场 检查泄漏 和预封堵损坏段 天津大学硕士学位论文第三章深水海底管道维修方式及程序研究 2 将无潜水支持的提管架p l f p i p e l i n el i rf l 锄e 下放并跨骑在海床上 的管道上 损坏段两端各安放一个p l f 并通过r o v 操控p l f 将管道提起离开 海床 如下图3 1 所示 3 r o v 监控下 下放液压夹具到损坏处 如图3 2 所示 4 r o v 打开液压夹具 以便安装在管道上 如图3 3 所示 5 r o v 关闭 拧紧夹具 包装法兰 并进行测试密封 如图3 4 所示 6 r o v 操纵p l f 下放管道回到海床 如图3 5 所示 7 回收p l f 维修完成 如图3 6 所示 8 进行支持船 人员 维修设备及其他的辅助设备的复员 图3 1 安装提管架 并提管图3 2 下放液压夹具 图3 3r o v 打开夹具 安装在管道图3 4r o v 拧紧夹具 包装法兰 测试密封 图3 5 下放管道至海床图3 6 回收p l f 维修完成 1 6 天津大学硕士学位论文 第三章深水海底管道维修方式及程序研究 2 d p r s 的膨胀弯夹具维修程序 图3 7 为d wr 切 e 系统的膨胀弯夹具维修剖视图 铰链 原管道夹昊膨胀弯 图3 7 串联式 i n ii n e 膨胀弯夹具维修剖视图 图3 8 为膨胀弯夹具维修的程序 相应的步骤描述如下 1 动员支持船 人员 维修设备及其他的辅助设备到维修地点 检查泄漏 和预封堵损坏段 2 将无潜水支持的p l f 下放到海床上 并跨骑在管道上 损坏段两端各安 放一个提管架 并通过r o v 操控提管架将管道提起离开海床 3 切损坏管段 4 r o v 操控进行封堵 管道终端处理 及重新调整a 吊位置 5 重新调整a 吊位置 进行测量 制造和安装带夹具连接的膨胀弯 6 管道放回海床 回收a 吊 7 进行支持船 人员 维修设备及其他的辅助设备的复员 1 7 图3 8 膨胀弯夹具维修程序 1 8 天津大学硕士学位论文第三章深水海底管道维修方式及程序研究 3 2 2 海上提管维修程序 在有足够大的维修支持船时 推荐使用海上维 修 因其具有操作方便 效率高等优势 海上维修 就是先在海底将损坏管道切除 并将原管道回收到 支持船上 在回收管道上焊接带有托架或管道终端 的弯毂组块 再将托架下放到海床 最后完成膨胀 弯的安装 其作业程序如图3 9 所示 1 动员支持船 人员 维修设备及其他的辅 助设备到维修地点 检查泄漏和封堵段 2 损害管道段两端安装p l f 将管道提离海 床 便于切管 安装管道终端等的操作 3 在预切除管道段系上索具 便于切管回收 到海上 4 切除损坏管段 并回收到海上 5 将管道回收工具p r t 系在切管终端 必要 时需进行脱水处理 准备打捞管道 6 移走并回收p l f 支持船上设备通过p l 玎 将管提到海面上 7 将弯毂焊接在回收的管道上 并安装好海 上提管托架 8 将带有朝上毂的海上提管托架并同回收 管道一起下放至海床上 9 重复上述5 8 步骤 对切管道的另一端安 装弯毂 1 0 膨胀弯水下测量 海上建造及水下安装 1 1 进行支持船 人员 维修设备及辅助设备 的复员 1 9圈3 9 海一卜槔管维修耨序 天津大学硕士学位论文第三章深水海底管道维修方式及程序研究 3 2 3 海底维修程序 如果没有重型提管支持船 推荐使用海底维修方式 或因埋管 悬跨 电缆交汇等对提管及其它工具存在限制 时 应采用膨胀弯海底维修 包括夹具和连接器的维修方 法 夹具的维续程序与连接器维修方式相似 而连接器的 维修方式主要有机械密封和焊接连接和密封两种海底维 修方式 下面简述各自的程序 1 机械密封连接器连接的海底维修程序 夹紧与密封液压连接器g s h c 是机械 液压密封和 连接技术的结合 已成为海底管道连接的连接管道与膨胀 弯的主要设备 如图3 1 0 所示 以g s h c 海底维修为例 说明海底维修的作业程序 1 动员支持船 人员 设备到维修地点 检查泄漏 和封堵段 2 损害管道的两端安装p l f 将管道提离海床 便 于切管 安装管道终端等的操作 3 在预切除管道段系上索具 便于切管回收到海 上 4 切除损坏管段 并回收到海上 5 在切管终端 安放导向架 6 在导向架安放龙门吊托架 7 将g s h c 弯毂组块连接到切管终端 8 将g s h c 弯毂组块锁紧在龙门托架上 之后 从 龙门托架上移走并回收龙门吊架 并回收提管架p l f 9 重复上述5 8 步骤 对切管道的另一端安装弯毂 1 0 进行膨胀弯的水下测量 海上建造及水下安装 1 1 最后进行支持船 人员 维修设备及其他辅助设 备的复员 图3 1 0 海底维修耦序 天津大学硕士学位论文 第三章深水海底管道维修方式及程序研究 2 海底焊接密封连接的维修程序 海底焊接密封连接维修主要是针对s t a t o i l 公司设计的干式高压焊接技术 熔 化极气体保护电弧焊g m a w 进行填角焊接工艺的新型焊接机器人的深水海底管 道维修系统 切除损坏管道后 采用套简的机械连接器紧行预密封 然后采用新 型焊接机器人进行焊接连接膨胀弯 整个系统由r o v 作支持 主要作业程序如 下 1 动员支持船 人员 维修设备到现场 检查泄漏 预封堵 挖坑等 2 下放焊接机器人系统 如图3 1 l 所示 3 混凝土加重层和热融结环氧f b e f u s i o nb o n d e de p o x y 涂层清除工具 除管道外层涂层 如图3 1 2 所示 4 切除损坏管道 并回收损坏管道 如图3 1 3 所示 5 下放已装好套筒的膨胀弯 并下放提管架 如图3 1 4 所示 6 提管对准中心线 并通过机器人将套筒进行原管道和膨胀弯的连接和预 密封 如图3 1 5 所示 连接完成后 回收连接机器人 7 安放焊接机器人 对套筒终端进行g m a w 填角焊接密封和连接 如图 3 1 6 所示 焊接完后回收焊接器人 8 回收提管架 如图3 1 7 所示 9 重复步骤3 8 进行另一端的焊接连接 回收机器人支持架 并对连接处 进行保护涂层处理 最后填坑 如图3 1 8 所示 1 0 最后进行支持船 人员 维修设备及其他的辅助设备的复员 上程序中 若改为p l f 提管 而非挖坑 其程序可根据机械密封连接器连 接的海底维修程序与海底焊接密封连接程序进行组合 图3 1 1 下放焊接机器人系统图3 1 2 清除涂层 2 l 图3 1 7 回收提管架 图3 18 进行管道另一端的焊接连接 天津大学硕士学位论文第四章国内海底管道维修技术实际应用研究 第四章国内海底管道维修技术实际应用研究 我国暂无深水海底管道 以浅水和较深水海底管道为主 而且海洋石油业开 展也只有二十余年的时间 故国内对海底管道d p r s 的研究比较薄弱 中海油作 为国内海洋工程的龙头 其海底管道维修技术基本上代表了国内的最高水平 近 年来 中海油先后开展了锦州港航道跨越管道改线项目 东方气田海底管道维修 工程 渤西油气田海底管道维修工程 涠洲油气田海底管道维修工程 惠州油气 田海底管道维修项目等多个海管维修任务 下文将重点从工程项目角度出发 总 结中海油在工程项目中对海底管道维修技术的应用 并以实际海底管道抢修项目 为例从维修方案 创新点等方面讲述一下海管维修技术及设备在工程项目中的应 用 以便为今后深水海底管道维修系统的发展铺平道路 为我国深水顺利 快速 发展提供保障 加快全方位的 系统的迈向深水发展的步伐 4 1 起管焊接法兰维修技术 4 1 1 技术简介 该项技术的施工程序大致如下 1 吊装分析 根据海管起吊弯曲应力计算及工程船舶的起吊能力 分析海 管吊出水面的可行性 2 沿损伤位置向两方进行冲泥 暴露管道 3 作业面吹开后 水下测量管道损伤部位的尺寸 根据测量结果 确定管 道的切割长度和切割点 4 切割点确定后 在管道切割点处清理涂层及防腐层 并对管道表面进行 处理 达到表面平滑 然后采用闸刀锯或爬管切割机对海管进行冷切割 5 海管起吊前 施工船舶在舷吊处搭建脚手架 准备为海管焊接法兰使用 然后按照海管起吊计算程序进行海管起吊 将切割后的海管提升到水面上 如图 4 1 天津大学硕士学位论文第四章国内海底管道维修技术实际应用研究 碲 和 图4 1 海管起吊至水面 6 海管提升到水面后 对海管端部进行破口处理 焊接法兰 焊接检验 然后对焊接部分做相应的包胶防腐处理 防腐处理完成后 按照起吊计算程序将 其回放至海底 另外一端也按照相同的方式进行处理 焊接法兰之后放回海底 7 使用法兰测量仪进行水下测量 测量两个海管法兰间的距离和尺寸 8 测量结果若不能满足更换管段的预制和安装 即海管的两个法兰端面不 在一条直线时 需要根据现场的实际情况 使用施工船将焊有法兰的两端拖拉到 一条直线上 9 拖拉后 再次使用法兰测量仪水下测量两个切割端之间的距离和尺寸 以验证拖拉后的效果 若两个海管法兰端面仍然不在一条直线上 则继续拖拉海 管 直至两个海管法兰端面在一条直线上为止 然后 根据最后的测量结果甲板 预制更换管段 1 0 更换管段预制好后 将海管下放到海底与原海底管道连接 完成更换海 管的安装和连接 1 1 海管整体试压测试 合格后 对更换管段的悬空进行必要的埋设 4 1 2 工程应用研究 锦州港改线管道铺设的设计和计算研究 锦州港是我国北部沿海的重要商港 为满足锦州港发展及船舶安全进出的 2 4 天津大学硕士学位论文第四章国内海底管道维修技术实际应用研究 要求 锦州港拟扩建2 5 万吨级进港航道 但其走向为南北方向 航道穿越锦州 2 0 2 油田登陆管线 因此必须对与拟建航道交叉部分的管道进行改线下卧 并最 终与原管线进行连接 1 2 7 5 登陆管线与拟建航道交叉跨越区域平均水深1 3 5 m 为在停产的情况 下完成与航道的跨越 需分别在管线与航道理论跨越点两端沿管线方向拟建管线 支路 拟建管线支路中间为直线段 长度3 4 0 米 到原登陆管线的距离为1 4 0 m m l 点至c 点是曲率半径为1 6 0 0 米 长度为5 8 0 米的圆弧 拟建管线与原管线 之间采取膨胀弯的连接方式 拟建管线支路影响区域设计详见下图 与航道相交的管线 埋设深度为原海 底泥面以下9 5 米 长度为3 4 0 m 埋设深度由9 5 米渐变至1 0 米的每边管线长 度为1 6 0 米 共计3 2 0 米 拟建管线支路完成与原管线连接后 去除两端点之间 的原海底管线 图4 2 锦州港拟建管线支路影响区域设计图 天津大学硕士学位论文第四章国内海底管道维修技术实际应用研究 由于改线管道相对于普通铺管作业来说距离很短 且在短距离内经历不同水 深 水深差异较大 管线路由为空间曲线 既有平面弯曲又有立面弯曲 新旧管 线采用膨胀弯连接 因此其铺设作业需考虑多方面因素 进行详细的计算分析 1 1 海管铺设计算 铺设中的管道 其静态外形由下述参数控制 铺管船上的张力 托管架的曲 率半径 辊轮位置 管道的入水角度 管体重量 管体抗弯刚度和水深 通过适 当调整铺管船及托管架上的辊轮高度 托管架与铺管船及托管架之间的角度 实 现控制管道的s 形状 达到控制应力的效果 使用有限元程序o f f p l p e 进行建 模计算及分析 若根据d n v l 9 8 1 规范进行强度校核 铺设中作用于管道上的弯矩 轴力及 外压 应满足公式4 1 s 叩盯 4 1 n 轴向力