王火平 陳再勝 劉義勇 徐志毅 王 怡

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司)

番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產干式維修技術研究與應用

王火平 陳再勝 劉義勇 徐志毅 王 怡

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司)

番禺30-1天然氣海管淺灘段因外力原因發(fā)生泄漏,為盡快恢復生產采用橡膠密封臨時管卡進行了應急搶修。為保障海管長期安全運行,研究并實施了通過構筑鋼板樁圍堰形成干式環(huán)境后采用焊接隔離套筒進行永久性維修的創(chuàng)新技術。該項技術的研究與成功應用,填補了國內海管維修技術的一項空白,同時也為國內登陸海管近岸段(尤其是淺灘段)的維修提供了一種新的思路和技術保障,對今后類似工程具有借鑒意義。

番禺30-1天然氣海管;淺灘段;鋼板樁圍堰;不停產干式維修;隔離套筒

1 工程概況

番禺30-1天然氣海管為帶混凝土配重層的單層管,直徑為508 mm,2011年底因船舶挖沙造成海管破裂發(fā)生泄漏,泄漏點位置距登陸點約10 km,位于珠江西江河道口的攔門沙淺灘,海圖水深為0～0.5 m,低潮時可露出海面。根據(jù)潛水員的探摸結果,該天然氣海管存在2個破損點,二者相距約1.8 m,破損類型為沿海管圓周方向的凹坑,中間有小裂口。為盡快恢復生產,經過多方案比選后,采用橡膠密封臨時管卡維修方法對2個破損點分別進行了應急封堵?lián)屝?圖1),保障了向下游供氣。

圖1 番禺30-1天然氣海管應急封堵情況

為保障番禺30-1天然氣海管長期運行安全,在應急搶修完成后立即開展了永久維修方案的研究。由于目前國內具有應用經驗、用于海管維護的常壓干式艙和高壓干式艙維修所需的大型浮吊船舶無法進入淺灘施工現(xiàn)場,因此通過技術研究與優(yōu)化,成功設計了通過構筑鋼板樁圍堰形成干式施工環(huán)境后并在臨時管卡外部直接焊接隔離套筒的“干式維修”創(chuàng)新方案,并在實際工程應用中取得了良好效果。該項不停產干式維修技術的研究與成功應用,填補了國內海管維修技術的一項空白,對今后類似工程具有借鑒作用。

2 不停產干式維修技術研究

2.1 鋼板樁圍堰結構設計

通過調研得知,在水工行業(yè)應用廣泛的鋼板樁圍堰可提供干式施工環(huán)境,但在此之前從未在海管維修工程中應用過。經過反復論證和分析,認為雙排鋼板樁圍堰用于番禺30-1天然氣海管永久維修是可行的,關鍵是要解決圍堰沖刷問題和淺灘段的施工難題。

受海底徑流和潮流影響,番禺30-1天然氣海管維修所處區(qū)域的流向和泥沙運動較為復雜,圍堰防沖刷是鋼板樁圍堰結構設計的重點。為此,將圍堰設計成具有“流水線”型的菱形結構(圖2),圍堰外圍5 m范圍內拋填砂袋護底,可有效減輕沖刷影響。該結構形式圍堰總平面尺寸約為30 m×18 m,兩側封堵止水段長度約為30 m,維修作業(yè)區(qū)尺寸約為12 m×9 m。為論證此方案的可行性,進行了嘗試性作業(yè),但因淺灘水淺,鋼板樁施工船舶無法靠近作業(yè)點進行鋼板樁施工,因此該方案無法實施。

圖2 番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產干式維修雙排鋼板樁圍堰方案

為解決施工難題,經過進一步研究,認為可以采用土工模袋吹砂筑島后再施打鋼板樁形成圍堰的逆向施工方法,即采用砂袋吹填方式先筑島再進場機械設備施打鋼板樁。經過嘗試性作業(yè),證實該方案是可行的。圖3為番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產干式維修筑島鋼板樁圍堰方案。優(yōu)化后的筑島鋼板樁圍堰主要由以下5個部分組成:

圖3 番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產干式維修筑島鋼板樁圍堰方案

1)圍堰主體。圍堰總平面約為120 m×70 m,鋼板樁頂標高海拔為-0.50 m,在低潮位時先插設固定土工模袋的鋼管,里外雙層,間隔為5 m,用繩索固定,再用小型船舶配合人工鋪設土工模袋,用自吸自泵船向土工模袋里吹灌砂,每層模袋吹灌砂厚度不大于1 m,最終形成圍堰主體。

2)外圍鋼板樁。外圍鋼板樁的主要作用是防止圍堰主體發(fā)生潰砂,鋼板樁采用15m長的拉森Ⅳ型,采用施工機械用液壓振動錘子逐根施打鋼板樁。

3)消浪鋼板樁。由于圍堰東南方向存在破碎波,實際施工時發(fā)現(xiàn)上浪造成潰砂嚴重,為此在圍堰東南側方向的外圍鋼板樁約3 m處額外增加一排消浪鋼板樁而形成一道防浪墻,每3根鋼板樁為一組,每組間距為一個鋼板樁寬度。

4)維修作業(yè)區(qū)。維修作業(yè)區(qū)尺寸為25 m×6 m,深度為6 m,作業(yè)區(qū)四周采用雙排鋼板樁,沿深度方向最內層同排鋼板樁間設有3層圍檁,采用HW350×350型鋼連接,作業(yè)區(qū)內部和4個角采用鋼管(直徑325 mm,壁厚10 mm)內撐,以保證作業(yè)區(qū)的穩(wěn)定性。作業(yè)區(qū)四周設有雙排D500旋噴樁止水帷幕,以解決作業(yè)區(qū)滲水問題,防止作業(yè)區(qū)底部發(fā)生管涌。為確保海管維修作業(yè)安全,作業(yè)區(qū)兩側各設有逃生樓梯通道、軸流風機強制通風、安全圍欄等安全措施。

5)兩側封堵止水區(qū)。兩側封堵止水區(qū)長度約為30 m,封堵區(qū)沿海管方向設置2排鋼板樁,間距4 m, 2排鋼板樁之間采用鋼管內撐,以保證其整體剛度;兩端封堵區(qū)進行專門防滲封堵處理,在海管上方設置較短的鋼板樁(鋼板樁樁尖距海管頂不小于0.5 m),與海管兩側鋼板樁連成箱形空間結構,采用專業(yè)機器注入聚丙酰胺材料讓沙質產生低強度固結。

由于番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產干式維修現(xiàn)場施工期不在臺風季節(jié),鋼板樁圍堰強度設計按臨時性建筑物考慮,不考慮臺風工況。正常作業(yè)工況參考番禺30-1天然氣海管的原始設計數(shù)據(jù),設計波高2 m(周期為8 s)、流速2 m/s、風速17.1 m/s,設計荷載主要考慮了波浪力、風載荷、水流力、土壓力、水壓力。

根據(jù)板樁碼頭設計與施工規(guī)范[1]的設計要求,對外圍的單排鋼板樁、維修作業(yè)區(qū)雙排鋼板樁及支護強度分別進行了校核,其中外圍鋼板樁考慮了高水位和低水位2種工況。校核結果表明,鋼板樁及支撐強度滿足要求,整個圍堰穩(wěn)定性滿足安全使用要求。

為確定維修作業(yè)區(qū)的滲水情況,還對圍堰滲流進行了計算,分別計算了深水側和淺水側的滲流量,得出圍堰每小時滲水總量約為0.8 m3,海管維修期間可采用抽水泵以維持干式環(huán)境。

2.2 不停產維修技術研究

干式條件下干式焊接質量才能得到保證。對于海管永久維修來說,常用的焊接方法有更換受損管段或采用焊接套袖對受損管段進行補強,這2種方法均須停產維修并對海管進行隔離封堵,對正常生產影響較大。此外,隔離封堵所需的焊接三通需要在海管上開孔,可能對海管帶來二次風險。

為最大程度地降低對正常生產的影響,經過研究提出了采用類似于壓力容器罩的隔離套筒維修方法,即海管在不停輸條件下在臨時管卡外部直接焊接隔離套筒。該方法無需拆除臨時管卡,并且可實現(xiàn)海管在不停輸條件下進行維修,關鍵是如何控制帶壓焊接和臨時管卡泄漏存在的風險。

2.2.1安全風險控制

隔離套筒維修方法在國內尚無應用案例,在國外亦無類似案例。為了證實其可行性,對該方案進行了深入研究和分析,并試制了一套隔離套筒進行論證試驗,結果表明隔離套筒維修技術是安全可靠的,帶壓焊接和臨時管卡泄露風險可控。

1)帶壓焊接風險控制。番禺30-1天然氣海管運行的正常操作壓力高達7.5 MPa,根據(jù)關于帶壓封堵的計算公式[2],未考慮海管壁厚腐蝕時最大可施焊壓力為17.6 MPa,遠大于海管的正常操作壓力。經現(xiàn)場實際測量,壁厚腐蝕量小于1 mm,在不停輸條件下可安全進行帶壓焊接。

2)臨時管卡泄漏風險控制。為確保不停產帶壓焊接時臨時管卡可能發(fā)生的氣體滲漏風險能夠得到有效控制,設計了一種具有導流功能的薄壁筒體式金屬隔離囊(圖4),可以承受0.1 MPa壓力。隔離囊由兩側鋁板和不銹鋼薄壁筒體組成,鋁板和海管連接處采用橡膠密封,其他連接采用A/B膠密封,鋁板兩側設有直徑25.4 mm工藝孔用于氮氣循環(huán)?，F(xiàn)場施工時,將隔離囊安裝在臨時管卡外部,通過氮氣循環(huán)將可能產生的滲漏氣體導流至作業(yè)區(qū)上方的安全區(qū)域,從而有效保證動火作業(yè)安全。

3)隔離套筒壁厚控制。隔離套筒壁厚太大,焊接質量和變形難以控制。為確保焊接質量可靠,采取了2個優(yōu)化措施將壁厚由原設計的45 mm縮小至32 mm:一是參考海管運行最大關斷壓力9 MPa,隔離套筒的設計壓力取為9.5 MPa;二是切除臨時管卡的突出物將隔離套筒內徑縮小至900 mm。

2.2.2隔離套筒結構形式

隔離套筒由與海管連接套袖、隔離套筒、中間連接套袖等3個部分組成(圖5),均分為上下兩部分。其中,與海管連接套袖的作用是避免封頭與海管直接焊接,其環(huán)角焊縫位置距臨時管卡約為500 mm;中間連接套袖用于連接2個隔離套筒,其兩端不與海管焊接,大大降低了焊接溫度對臨時管卡密封的影響。

隔離套筒兩端采用圓球形封頭形式,最大程度降低焊縫處的應力集中,并且球形封頭與筒體錯位組對焊接,避免出現(xiàn)十字焊道。隔離套筒各設有2個工藝孔,施工完成后用專業(yè)絲堵進行封堵并蓋上管帽。隔離套筒及其附件表面采用防腐涂層與鋁基陽極聯(lián)合保護,套袖采用防腐涂層保護,連接套袖兩端與海管焊接節(jié)點處采用熱縮套進行防護。

番禺30-1天然氣海管設計壓力為14.2 MPa,運行期間最大關斷壓力為9 MPa;隔離套筒設計壓力取9.5 MPa,設計壽命為20 a,內徑為900 mm,總重約為3.5 t,相關參數(shù)見表1。

圖5 番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產干式維修隔離套筒示意圖

表1 番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產干式維修隔離套筒參數(shù)表

2.2.3隔離套筒強度校核

番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產干式維修隔離套筒強度按照海管附件的設計要求[3]進行校核,內壓安全系數(shù)為1.1,屈服應力許用系數(shù)為0.67,采用Abaqus軟件進行有限元分析。按照焊縫強度校核的要求[4],對套袖與海管連接的環(huán)角環(huán)焊縫(尺寸為24 mm× 30 mm)和套袖與套筒連接的熔透環(huán)焊縫進行校核,其中環(huán)角焊縫采用F-3型S-N曲線,熔透焊縫采用F型S-N曲線,安全等級高時校核系數(shù)取0.1[5]。

表2為番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產干式維修隔離套筒校核的工況表,校核結果表明隔離套筒強度滿足規(guī)范要求,焊縫疲勞壽命滿足20年的使用要求。

表2 番禺30-1天然氣海管淺灘段不停產干式維修隔離套筒強度校核工況

2.2.4隔離套筒對海管運行影響分析

由于隔離套筒結構造成海管局部重量加大,會造成海管局部沉降。結合海床土壤性質,根據(jù)DNV-OS-F101規(guī)范[3]對番禺30-1天然氣海管強度進行了校核。不考慮地震工況,海管最大位移為14.2 mm,最大應力比(UC)值為0.269;考慮地震工況,海管最大位移為14.4 mm,UC值為0.228。2種工況下UC值均小于1,表明海管強度滿足規(guī)范要求,也說明隔離套筒重量對海管運行影響較小。

3 實施效果

通過技術研究和優(yōu)化,不停產干式維修創(chuàng)新技術成功應用于番禺30-1天然氣海管永久維修工程中,適時解除了海管運行的一大隱患,保障了海管長期運行安全,取得了良好的應用效果。在現(xiàn)場實施時,很好地利用了番禺30-1平臺的停產時機,對海管進行了適當降壓,最大程度降低了臨時管卡意外泄漏的風險,保障了“帶壓焊接”動火作業(yè)安全。

該項目的成功實踐表明,通過構筑鋼板樁圍堰形成干式環(huán)境后采用焊接隔離套筒對海管進行永久性維修是可行的。對于海管近岸段尤其是淺灘段來說,鋼板樁圍堰干式維修方法比其他干式維修手段更易實施,施工環(huán)境更為安全可靠;對于已采取臨時管卡措施的海管永久維修來說,相比其他維修技術,焊接隔離套筒技術具有“安全可靠、對生產影響小、對海管影響小”等特點。

通過構筑鋼板樁圍堰形成干式環(huán)境后采用焊接隔離套筒的不停產維修技術成功應用于番禺30-1天然氣海管永久維修工程,填補了國內在該領域的一項空白,同時也為國內登陸海管的近岸段,尤其是淺灘段的維修提供了一種新的思路和技術保障,對今后類似工程具有借鑒意義。

[1] 中交水運規(guī)劃設計院.JTS+167-3-2009板樁碼頭設計與施工規(guī)范[S].北京:中國標準出版社,2009.

[2] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗疫總局.GB/T28055-2011鋼制管道帶壓封堵技術規(guī)范[S].北京:中國標準出版社,2012.

[3] DNV.DNV-OS-F101-2010 Submarine pipeline systems[S].Norway:DNV,2010

[4] AWS.AWS-D1.1-2010 Structural welding code-steel[S].USA: ASW,2010

[5] DNV.DNV-RP-C203-2010 Fatigue strength analysis of offshore steel structure[s].Norway:DNV,2010.

Study and application of pipeline repair technology without shutdown in a dry environment for the very shallow water section of PY 30-1 subsea gas pipeline

Wang Huoping Chen Zaisheng Liu Yiyong Xu Zhiyi Wang Yi
(Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,518067)

The PY 30-1 subsea gas pipeline suffered leaks in the very shallow water area due to accidental impact,therefore the temporary rubber sealed clamps were employed for emergency repair in order to resume production rapidly.To ensure longtime operation reliability,an innovative permanent repair technology has been studied and executed successfully,that is to weld stand-off sleeves in a dry environment by creating a steel sheet pile cofferdam.This technology has filled the gap in the domestic subsea pipeline repair techniques,and also provides a new solution and technical support for repairing the shallow shoal section,especially the very shallow water section of the domestic landing subsea pipeline,which can be used as reference for the future similar projects.

PY 30-1 subsea gas pipeline;very shallow water section;steel sheet pile cofferdam;online pipeline repair under dry environment;stand-off sleeve

2013-11-21改回日期:2014-01-20

(編輯:葉秋敏)

王火平,男,工程師,現(xiàn)主要從事海洋工程技術管理工作。地址:廣東省深圳市南山區(qū)蛇口工業(yè)二路1號海洋石油大廈B座12樓(郵編:518067)。E-mail:wanghp5@cnooc.com.cn。