胡知輝, 田 凱, 佟光軍

(中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院， 北京 100028)

深水Reel-lay鋪管船與復(fù)合管鋪設(shè)概述

胡知輝, 田 凱, 佟光軍

(中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院， 北京 100028)

針對(duì)深水強(qiáng)腐蝕性油氣田開采過(guò)程中存在的CO2和H2S導(dǎo)致的腐蝕問(wèn)題，雙金屬?gòu)?fù)合管以優(yōu)異的耐腐蝕性能、較低的價(jià)格和較高的承壓能力，在深水油氣田開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用。與普通碳鋼管相比，雙金屬?gòu)?fù)合管焊接工藝復(fù)雜，焊接速度慢，若采用Reel-lay鋪設(shè)雙金屬?gòu)?fù)合管，能夠解決目前雙金屬?gòu)?fù)合管的安裝問(wèn)題。該文對(duì)現(xiàn)有深水Reel-lay鋪管船資源和雙金屬?gòu)?fù)合管進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)采用Reel-lay鋪設(shè)雙金屬?gòu)?fù)合管的可行性進(jìn)行了分析，為后續(xù)深水油氣田的開發(fā)提供參考。

海底管道； 復(fù)合管； Reel-lay鋪設(shè)

0 引言

近十年來(lái)，隨著深水油氣田的不斷開發(fā)，海底管道和立管的數(shù)量在不斷增加，同時(shí)海底管道和立管的安裝水深也在不斷增加。目前正在規(guī)劃的一些深水海底管道項(xiàng)目水深已經(jīng)超過(guò)3 000 m[1]，對(duì)管材、鋼管制造和安裝技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。另外對(duì)于強(qiáng)腐蝕性油氣田的開采，添加緩蝕劑、采用耐蝕合金等傳統(tǒng)防腐技術(shù)及材料解決油氣中存在的CO2和H2S導(dǎo)致的腐蝕問(wèn)題，在耐蝕可靠性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)上都難以滿足深水強(qiáng)腐蝕性油氣田開發(fā)的需要[2]。雙金屬?gòu)?fù)合管的出現(xiàn)，以優(yōu)異的耐腐蝕性能、較低的價(jià)格和較高的承壓能力，在深水油氣田開發(fā)中逐步得到應(yīng)用。但與普通碳鋼管相比，雙金屬?gòu)?fù)合管焊接工藝復(fù)雜，焊接速度慢，也是一直困擾雙金屬?gòu)?fù)合管大規(guī)模應(yīng)用的一道難題[3]。海上油氣田開發(fā)進(jìn)入深水后，海上施工必須更注重提高焊接速度和焊接質(zhì)量，減少施工周期，以降低施工成本。海底管道鋪設(shè)方法中，Reel-lay與S-lay、J-lay相比，具有在陸上完成管道接長(zhǎng)、適合深水管道鋪設(shè)、鋪設(shè)速度快和受環(huán)境條件影響小等優(yōu)點(diǎn)，因此采用Reel-lay鋪設(shè)雙金屬?gòu)?fù)合管，能夠解決目前雙金屬?gòu)?fù)合管應(yīng)用受限的問(wèn)題。

該文首先對(duì)現(xiàn)有深水Reel-lay鋪管船和雙金屬?gòu)?fù)合管進(jìn)行了介紹。Reel-lay鋪管船資源及能力能夠滿足雙金屬?gòu)?fù)合管鋪設(shè)要求，同時(shí)雙金屬?gòu)?fù)合管生產(chǎn)技術(shù)不斷改進(jìn)，生產(chǎn)廠家不斷增加，為雙金屬?gòu)?fù)合管的大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。最后對(duì)采用Reel-lay鋪設(shè)雙金屬?gòu)?fù)合管的可行性進(jìn)行分析，為后續(xù)深水油氣田的開發(fā)提供參考。

1 深水Reel-lay鋪管船資源

Reel-lay鋪管法是將管道在陸地預(yù)制場(chǎng)地上接長(zhǎng)，然后卷在專用滾筒上，鋪管船抵達(dá)海上現(xiàn)場(chǎng)后，將管子從卷筒上退卷，經(jīng)矯直器矯直后，通過(guò)張緊器、滑道將其鋪設(shè)到海底。卷管過(guò)程可以直接在停泊的鋪管船上進(jìn)行，也可以卷在滾筒上再吊裝到鋪管船上，但滾筒完成卷管后，如果缺少相應(yīng)的起重設(shè)備會(huì)給滾筒的搬運(yùn)帶來(lái)一定的困難。該方法的優(yōu)點(diǎn)是大部分的焊接、檢驗(yàn)、保溫和防腐等工作都在陸地完成，海上鋪設(shè)時(shí)間短、成本低、每段管道(一個(gè)滾筒的管段)可連續(xù)鋪設(shè)、鋪管效率高、鋪管費(fèi)用低、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)小，適用于深水區(qū)域的各種管線鋪設(shè)。目前Reel-lay鋪管法在國(guó)外深水油氣田開發(fā)中的管道鋪設(shè)、立管安裝中得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)國(guó)外Technip、Subsea 7和EMAS等公司擁有功能先進(jìn)的Reel-lay鋪管船為Reel-lay鋪管提供裝備支持，表1列出了國(guó)外現(xiàn)有主要深水Reel-lay鋪管船資源，并對(duì)Deep Blue、Aegir和Lewek Constellation三艘具有代表性的Reel-lay鋪管船進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

表1 國(guó)外主要Reel-lay鋪管船鋪管船技術(shù)參數(shù)

Deep Blue是Technip公司的一艘先進(jìn)深水Reel-lay和J-lay鋪管船，該船剛性管道鋪設(shè)能力達(dá)到18英寸，對(duì)應(yīng)張緊器能力為550 t，擁有2個(gè) 2 800 t的剛性管儲(chǔ)管滾筒。Aegir是Heerema公司投入使用的Reel-lay和J-lay鋪管船，Reel-lay滾筒的儲(chǔ)管能力達(dá)到了2 000 t，最大鋪管直徑為0.4 m，對(duì)應(yīng)張緊器能力為800 t，Aegir能在惡劣的環(huán)境下進(jìn)行鋪管作業(yè)，如圖1所示。Lewek Constellation是EMAS公司投入使用的新一代超深水Reel-lay鋪管起重船，具備冰區(qū)航行能力。該船剛性管道鋪設(shè)能力為0.1 m～0.4 m，對(duì)應(yīng)張緊器能力為800 t，撓性管鋪設(shè)能力為0.1 m～0.6 m，對(duì)應(yīng)張緊器能力為520 t，擁有4個(gè)1 200 t剛性管儲(chǔ)管滾筒和2個(gè)1 250 t撓性管儲(chǔ)管滾筒，同時(shí)起重能力為3 000 t，非常適用于對(duì)船只的多功能、多元化作業(yè)能力有要求的項(xiàng)目。4個(gè)剛性滾筒儲(chǔ)管量0.2 m能鋪設(shè)64 km，0.4 m能鋪設(shè)16 km，與其他鋪管船相比，能夠節(jié)省鋪管時(shí)間，如圖2所示。

圖1 Heerema Aegir號(hào)J-lay和Reel-lay鋪管船 圖2 Lewek Constellation號(hào)Reel-lay鋪管船

2 雙金屬?gòu)?fù)合管Reel-lay鋪設(shè)

2.1 雙金屬?gòu)?fù)合管介紹

雙金屬?gòu)?fù)合管結(jié)構(gòu)是以耐腐蝕合金管作為內(nèi)襯層，以碳鋼管或低合金鋼管作為基管，通過(guò)不同制造工藝將兩種不同金屬管結(jié)合在一起的一種管材，如圖3所示。該管充分結(jié)合了外碳鋼管高強(qiáng)度的特性和內(nèi)不銹鋼管優(yōu)良的抗腐蝕性能，能夠解決油氣中存在CO2和H2S導(dǎo)致的腐蝕問(wèn)題，因此在國(guó)外海上油氣輸送管道中得到了廣泛應(yīng)用。雙金屬?gòu)?fù)合管按其制作工藝可分為機(jī)械復(fù)合管和冶金復(fù)合管。機(jī)械復(fù)合管的制作工藝比較簡(jiǎn)單，是將內(nèi)抗腐蝕合金鋼管插入外碳鋼管中，兩管同軸疊加，通過(guò)液壓或燃爆等方法，使內(nèi)管產(chǎn)生較大塑性變形，外管產(chǎn)生較小的塑性變形，撤除內(nèi)壓后，內(nèi)外管緊密結(jié)合在一起。冶金復(fù)合管的制作主要分兩步，首先將碳鋼材料和抗腐蝕性合金鋼材料通過(guò)熱軋工藝結(jié)合在一起制成復(fù)合鋼板，然后將復(fù)合鋼板制成無(wú)縫管或者直縫焊管。與機(jī)械復(fù)合管相比，冶金復(fù)合管在生產(chǎn)制作和經(jīng)濟(jì)上存在一定的劣勢(shì)。

圖3 雙金屬?gòu)?fù)合管示意圖

目前，國(guó)外雙金屬?gòu)?fù)合管制造生產(chǎn)水平已相當(dāng)先進(jìn)，德國(guó)BUTTING公司利用冷液壓擴(kuò)充法開發(fā)出了新的產(chǎn)品，申請(qǐng)了專利BuBi?Pipe。美國(guó)CLADTEK公司利用自創(chuàng)的干液壓擴(kuò)充法生產(chǎn)出了機(jī)械復(fù)合管，南海Liwan3-1項(xiàng)目采用了該公司生產(chǎn)的雙金屬?gòu)?fù)合管。德國(guó)BERGROHR公司采用新的輥彎成型制管工藝制造機(jī)械復(fù)合管，具有成本低、內(nèi)襯層材料選擇更廣泛和制造周期短等特點(diǎn)，同樣申請(qǐng)了專利BERG-LAY?。

由于雙金屬?gòu)?fù)合管結(jié)構(gòu)的特殊性，其焊接與普通碳鋼管相比，存在兩種材料的多層焊接，內(nèi)襯復(fù)合層壁厚小，焊接難度大，基層碳鋼管焊接碳及合金元素的擴(kuò)散，造成焊縫中奧氏體形成元素減少、含碳量增加，導(dǎo)致不銹鋼焊縫耐蝕性的下降[4]。雙金屬?gòu)?fù)合管焊接程序復(fù)雜，焊縫檢測(cè)難度大，因而其鋪設(shè)速度遠(yuǎn)低于碳鋼管鋪設(shè)速度。由于鋪管船日費(fèi)率較高，尤其是在深水，因此復(fù)合管海上安裝費(fèi)用遠(yuǎn)高于碳鋼管。

2.2 雙金屬?gòu)?fù)合管Reel-lay鋪設(shè)

雙金屬?gòu)?fù)合管卷管鋪設(shè)過(guò)程中的彎曲力學(xué)特性一直是亟待解決的問(wèn)題。卷管鋪設(shè)簡(jiǎn)圖如圖4所示，管道在上卷、退卷以及經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)器、拉直器、張緊器等設(shè)備的過(guò)程中，至少經(jīng)歷了兩次塑性變形，管道不可避免地產(chǎn)生殘余應(yīng)力，過(guò)大的殘余應(yīng)力會(huì)降低管道抗疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性能[5]。對(duì)于雙金屬?gòu)?fù)合管，Reel-lay安裝過(guò)程中還存在內(nèi)襯層起皺問(wèn)題，如圖5所示。雙金屬?gòu)?fù)合管內(nèi)襯層起皺對(duì)管道長(zhǎng)期運(yùn)行完整性產(chǎn)生威脅，可能導(dǎo)致內(nèi)襯層壓潰或穿孔、內(nèi)襯層疲勞失效以及影響清管等。影響內(nèi)襯層起皺的因素有內(nèi)壓、內(nèi)襯層與基管之間的加持力、內(nèi)襯層徑厚比、內(nèi)襯層與基管之間的間隙尺寸及表面缺陷等。

2002年，Heerema Marine Contractors(HMC)公司聯(lián)合荷蘭代爾夫特理工大學(xué)和日本Kuroki鋼管公司開展卷管鋪設(shè)過(guò)程中內(nèi)襯層的起皺和管道橢圓化研究，進(jìn)行了全尺寸管道上卷試驗(yàn)和軸向壓縮試驗(yàn)。2007年，HMC公司和代爾夫特理工大學(xué)進(jìn)一步研究了雙金屬?gòu)?fù)合管彎曲過(guò)程中的力學(xué)特性影響因素，特別是復(fù)合管彎曲過(guò)程中內(nèi)襯層起皺的產(chǎn)生和發(fā)展。2010年，Statoil公司和Technip公司申請(qǐng)了通過(guò)內(nèi)壓減小卷管過(guò)程中內(nèi)襯層起皺的專利。Subsea 7公司同樣通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)內(nèi)壓減小卷管過(guò)程中內(nèi)襯層的起皺進(jìn)行了研究。2011年，Technip公司研究表明合理選擇內(nèi)襯層的厚度，無(wú)內(nèi)壓也能避免雙金屬?gòu)?fù)合管安裝過(guò)程中內(nèi)襯層起皺。

圖4 Reel-lay鋪設(shè)簡(jiǎn)圖 圖5 雙金屬?gòu)?fù)合管內(nèi)襯層起皺示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

雙金屬?gòu)?fù)合管具有很好的耐腐蝕性能和良好的性價(jià)比在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。對(duì)國(guó)外深水Reel-lay鋪管船資源分析表明，現(xiàn)有Reel-lay鋪管船資源能夠滿足Reel-lay安裝雙金屬?gòu)?fù)合管的需要。同時(shí)，長(zhǎng)期開展對(duì)Reel-lay鋪設(shè)法安裝雙金屬?gòu)?fù)合管的研究以及結(jié)合Subsea 7公司和Technip公司相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，將促進(jìn)該方法的推廣與應(yīng)用。

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Introduction to Deepwater Reel-lay Pipe Laying Barge and CRA Lined Pipe Installation

HU Zhi-hui， TIAN Kai， TONG Guang-jun

(Engineering Design Institute, CNPC Offshore Engineering Company Limited， Beijing 100028, China)

In the development of deepwater oil/gas field with high corrosivity, the corrosion problem of subsea pipeline caused by CO2and H2S can be solved with CRA lined pipe, whose advantages are excellent corrosion resistance and lower prices. But compared with normal carbon steel pipe, the welding process of CRA lined pipe is more complicated and the welding speed is slower. This disadvantage can be improved with the Reel-Lay method. The pipe laying barge resources and brief introduction of CRA lined pipe are presented in this paper first. Then feasibility research is conducted for the application of Reel-Lay in the CRA lined pipe installation.

submarine pipeline； CRA lined pipe； reel-lay

2014-11-22

胡知輝(1983-)，男，工程師。

1001-4500(2015)04-0001-04

P75

A