李 敏 何婷婷 代志雙 金 磊 韓雪艷

（1. 中海油油氣田腐蝕防護中心，天津 300452；2.中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452）

0 引言

目前，我國海底管道主要有兩種形式：鋼管和非粘結(jié)柔性管道。其中鋼管作為傳統(tǒng)運輸手段，在我國海洋工業(yè)運輸中占有絕大比例。鋼管具有承壓能力大、韌性強、品類齊全、工藝成熟、成本低等優(yōu)點，但鋼制管道受到地理環(huán)境、輸送介質(zhì)、微生物、水、氧氣等影響，易發(fā)生腐蝕失效的情況，從而造成巨大的經(jīng)濟損失和安全風(fēng)險。

隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷進步，我國逐漸開始使用非粘結(jié)柔性管道替代鋼管。與鋼管相比，非粘結(jié)柔性管具有柔性好、耐腐蝕、使用壽命長、海上鋪設(shè)快捷、后期易于維護等優(yōu)點。2010年中國海油首次在WZ12-1PAP到WZ6-1平臺安裝了11.5km的Φ76.2mm 輸氣軟管，壓力13MPa，水深31m。這是首條真正意義上的國產(chǎn)海上軟管，至今投產(chǎn)已超過11a，軟管運行狀態(tài)良好[1]。2010年以后，國產(chǎn)非粘結(jié)柔性管得到了廣泛應(yīng)用。輸送介質(zhì)也有最初的天然氣發(fā)展到水、油氣水三相、MEG等；管道直徑也由原來的3in管線發(fā)展到最大的12in，但高溫非金屬粘結(jié)柔性管道始終未得到應(yīng)用。2021年，中海油首次在墾利項目中采用了交聯(lián)聚乙烯非粘結(jié)柔性管道，很好的解決了介質(zhì)高溫的問題，為非金屬粘結(jié)柔性管道的進一步發(fā)展提供了基礎(chǔ)。

1 交聯(lián)聚乙烯非粘結(jié)柔性管道生產(chǎn)工藝 簡介

海洋柔性管道根據(jù)制作工藝可分為粘結(jié)柔性管道和非粘結(jié)柔性管道。非粘結(jié)管道層間允許相對位移，可以根據(jù)需要加減層，能夠更好滿足用戶的特殊要求，也可以避免粘結(jié)管道的特殊工藝及其副作用對環(huán)境造成的影響，因此廣泛應(yīng)用于立管和輸油管[2,3]。非粘結(jié)柔性管道一般由骨架層、內(nèi)管、耐壓層、耐磨層、內(nèi)抗拉層、耐磨層、外抗拉層、外包覆層組成，如圖1所示。

圖1 非粘結(jié)性柔性管結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)過多年的應(yīng)用嘗試，目前海洋石油非粘結(jié)柔性管道主要結(jié)構(gòu)包括：內(nèi)壓密封層、抗壓鎧裝層、抗拉鎧裝層、中間包覆層、配重保護層、外包覆 層[4]。骨架層雖然能為柔性管提供較好的抵抗外壓載荷的能力，但由于目前軟管應(yīng)用環(huán)境要求不高，骨架層加工工藝復(fù)雜，成本較高等原因，在現(xiàn)實應(yīng)用中較少。

1.1 內(nèi)壓密封層

目前，內(nèi)壓密封層生產(chǎn)主要采用高溫擠出法，內(nèi)壓密封層生產(chǎn)流程如圖2所示。主要工序為調(diào)整設(shè)備參數(shù)，進行擠出測試，使擠出的管材壁厚、直徑、橢圓度等參數(shù)滿足技術(shù)要求，將牽引管從牽引機末端穿入到冷卻水箱內(nèi)到達擠出機機頭處，在冷卻水箱安裝支架并調(diào)整位置使?fàn)恳芫€保持水平。擠出機擠出內(nèi)襯層后，將管料內(nèi)孔套到牽引管上，用水布纏繞內(nèi)襯層表面固定。開始生產(chǎn)，由牽引機牽引出管材。內(nèi)襯管頭部用工裝連接到鋼絲繩，鋼絲繩的另一端纏繞在大盤上。調(diào)整測米速的滾輪開始工作，激光噴碼機每隔一米開始在管上標(biāo)示批號、管號、長度，要求字體清晰可見。在牽引機處安排檢驗點，按生產(chǎn)檢驗標(biāo)準(zhǔn)檢驗。鋼絲繩的一端固定在大盤上，并在大盤上纏繞兩圈，將另一端安裝到工裝上，并保證安裝牢固。將內(nèi)襯管的一端固定在工裝上，啟動地輥，大盤開始牽引內(nèi)襯管上盤，調(diào)整支架使內(nèi)襯管以小角度緩慢纏繞。觀察大盤的牽引，轉(zhuǎn)動是否平穩(wěn)，有無停頓，調(diào)整大盤的牽引速度使?fàn)恳俣扰c牽引機速度相匹配，內(nèi)襯管靠近大盤段，無明顯的彎曲。

圖2 內(nèi)壓密封層生產(chǎn)流程圖

交聯(lián)聚乙烯內(nèi)壓密封層生產(chǎn)工藝與普通聚乙烯生產(chǎn)工藝基本相同，但生產(chǎn)過程中應(yīng)注意擠出速度。我們在生產(chǎn)交聯(lián)聚乙烯內(nèi)壓密封層時，出現(xiàn)了流涎現(xiàn)象。流涎現(xiàn)象與油污污染現(xiàn)象基本相似，均為擠出管線上出現(xiàn)黑色斑塊，如圖3所示。一開始出現(xiàn)流涎現(xiàn)象時，我們誤以為是由于機器設(shè)備清理不合格造成的，但設(shè)備經(jīng)過多次清洗，擠出管線仍出現(xiàn)流涎現(xiàn)象。為此，我們對黑色斑點進行了化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)黑色斑點并非油污，而是交聯(lián)后的聚乙烯。因此，我們對生產(chǎn)工藝進行了改進，現(xiàn)場生產(chǎn)效果良好。此外，交聯(lián)聚乙烯內(nèi)壓密封層生產(chǎn)工藝比普通聚乙烯生產(chǎn)工藝多了一步交聯(lián)工藝。交聯(lián)工藝能使聚乙烯部分分子間的共價鍵形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而改善其性能，目前要求交聯(lián)度需達65%，以保證后期使用性能。

圖3 管線“流涎”

1.2 抗壓鎧裝層

抗壓鎧裝層主要承受縱向內(nèi)外壓載荷，它一般由四層鋼帶按一定的角度纏繞而成，相鄰兩層鋼帶纏繞角度互為相反數(shù)?？箟烘z裝層生產(chǎn)過程中，應(yīng)使同一層相鄰兩條鋼帶的間距相等，且上層鋼帶應(yīng)完全覆蓋下層鋼帶間的間隙，不得出現(xiàn)咬邊及扭曲情況，并定期檢測鋼帶纏繞行程、外徑、橢圓度信息，以保證生產(chǎn)后的管線符合質(zhì)量要求。

1.3 抗拉鎧裝層

抗拉鎧裝層主要承受軸向拉伸載荷，一般由兩層鋼條纏繞而成，層與層之間正反纏繞，以避免軸向力作用下的扭轉(zhuǎn)。抗拉鎧裝層生產(chǎn)過程中，外表面光滑平整、行程均勻，鋼條不得咬邊、扭曲、魚鱗、鳥籠等情況，且應(yīng)定期檢查抗拉鎧裝層行程、外徑、橢圓度等信息，以保證生產(chǎn)后的管線符合質(zhì)量要求。

1.4 中間包覆層

中間包覆層主要作用是保護內(nèi)襯層，當(dāng)外部壓力超過內(nèi)襯層的破壞壓力時，需增加內(nèi)襯層。目前，海洋石油應(yīng)用的管線一般都包含中間包覆層。中間包覆層生產(chǎn)工藝與內(nèi)壓密封層生產(chǎn)工藝基本相同，但高溫擠壓出的中間包覆層直接包覆在管線上。生產(chǎn)過程中，需定時檢查厚度、外徑、橢圓度等信息，以保證生產(chǎn)后的管線符合質(zhì)量要求。

1.5 配重層

配重層主要是增加柔性管道的重量，與普通鋼管的混凝土配種作用相同。生產(chǎn)工藝與抗拉層的生產(chǎn)工藝一致。

1.6 外包覆層

外包覆層由熱塑性高分子材料擠出成型，主要作用是避免柔性管道受到海水腐蝕，并為金屬鎧裝層提供機械保護。據(jù)統(tǒng)計，40%的柔性管失效石油外包覆層破壞導(dǎo)致的。外包覆層生產(chǎn)過程與中間包覆層生產(chǎn)工藝一致，但一般會添加染色劑，以保證生產(chǎn)的管線在現(xiàn)實應(yīng)用中易于辨識。

2 交聯(lián)聚乙烯非粘結(jié)柔性管道性能測試

為保證交聯(lián)聚乙烯非粘結(jié)柔性管道后期使用質(zhì)量，確保管道各項指標(biāo)滿足功能要求，需要進行爆破試驗，拉伸試驗，彎曲剛度試驗，軸向壓縮試驗等多組試驗?，F(xiàn)將主要試驗介紹如下：

2.1 爆破試驗

爆破試驗主要測量管道的爆破壓力，試驗時截取一段長度為2m的軟管（不含接頭長度），將軟管兩端用盲法蘭封堵，其中一端盲法蘭上預(yù)留高壓注水管線接孔和排水孔，管線內(nèi)部注滿水后將試驗管段放置在防爆裝置中，并進行加壓測試，試驗記錄爆破壓力值、失效模式及失效位置等信息，爆破壓力≥40MPa、接頭、增強鎧裝層不發(fā)生拉脫效應(yīng)為合格。試驗示意圖如圖4所示。

圖4 爆破試驗原理圖

2.2 拉伸試驗

拉伸試驗主要確定管道主體承受軸向拉伸的性能指標(biāo)，檢驗接頭結(jié)構(gòu)的連接可靠性，測定管道的拉伸剛度和抗拉強度。試驗時將管道安裝在拉伸試驗機上，以10mm/min的速率對管道進行拉伸，試驗過程中持續(xù)記錄拉力-變形值、拉斷力、破壞位置等信息。管道可承受的拉力值大于150KN，且大于最大安裝鋪設(shè)張力。試驗示意圖如圖5所示。

圖5 拉伸試驗原理圖

2.3 外壓壓潰試驗

外壓壓潰試驗主要測量壓潰臨界力和壓潰形狀，試驗時將試驗管段兩端密封，并在四周安裝剛性支桿限制管道軸向位移，持續(xù)緩慢加壓，觀察壓力曲線的變化，以壓力曲線突降作為壓潰現(xiàn)象發(fā)生的判斷依據(jù)，壓潰載荷不應(yīng)小于0.3MPa。試驗示意圖如圖6所示。

圖6 外壓壓潰試驗原理圖

2.4 軸向壓縮試驗

軸向壓縮試驗主要測定管道的軸向抗壓剛度，以驗證是否發(fā)生鳥籠現(xiàn)象。試驗時對管道進行橫向擠壓加載，加載完成后，測量管道橢圓度，管道外徑橢圓度不超過3%且不超過設(shè)計最大橢圓度為合格。

2.5 彎曲剛度試驗

彎曲剛度試驗主要衡量管道的彎曲性能，通過三點彎曲的方法對管道進行彎曲剛度測試。試驗示意圖如圖7所示。

圖7 彎曲剛度試驗原理圖

2.6 扭轉(zhuǎn)試驗

扭轉(zhuǎn)試驗主要確定管道主體承受扭轉(zhuǎn)的性能，檢驗兩端連接件密封與承受扭轉(zhuǎn)的性能。試驗時，一端固定，另一端以7.2°/min施加扭轉(zhuǎn)，直至最大設(shè)計載荷，測量扭矩大小及旋轉(zhuǎn)角度，在最大扭力設(shè)計載荷500KN-m2下，管道不出現(xiàn)破壞失效，接頭失效或增強鎧裝層從接頭拉脫為合格。試驗示意圖如圖8所示。

圖8 扭轉(zhuǎn)試驗原理圖

2.7 最小彎曲半徑試驗

最小彎曲半徑試驗主要驗證管道是否滿足最小彎曲半徑，保證管道在最小彎曲半徑下仍然可以正常工作。試驗時將管道一端固定，另一端施加拉力，管道與彎曲支架始終保持接觸，30min后測量卸載后管道的橢圓度，橢圓度不應(yīng)超過3%。試驗示意圖如圖9所示。

圖9 最小彎曲半徑試驗原理圖

2.8 拉伸彎曲組合試驗

拉伸彎曲組合試驗主要模擬管道鋪設(shè)過程，驗證管道是否滿足鋪設(shè)條件，保證管道在額定拉伸和彎曲載荷下仍可以正常工作。試驗方法與最小彎曲半徑試驗類似。

2.9 徑向擠壓試驗

徑向擠壓試驗主要模擬安裝工況下張緊器履帶對管道的擠壓，評估管道的抗擠壓能力。試驗時，對管道進行橫向擠壓加載，加載至最大設(shè)計抗壓載荷后，測量管道內(nèi)徑變化，測量橢圓度；將管道卸載至自由狀態(tài)，測量橢圓度。橢圓度不超過3%且不超過設(shè)計最大橢圓度為合格。

2.10 靜水壓試驗

靜水壓試驗主要測定管道主體承受內(nèi)部壓力的能力，試驗時按照《API SPECIFICATION 17J》9.3中靜水壓試驗要求，試驗壓力最少為設(shè)計壓力的1.15倍，達到設(shè)計壓力后至少穩(wěn)壓24h，壓力降不超過4%。

2.11 電聯(lián)通試驗

電聯(lián)通試驗主要測定成品管道兩端連接接頭處連接電阻、連接接頭與管線中其他部位的電阻，從而確保管道犧牲陽極有效連接，同時，軟管中的導(dǎo)電物質(zhì)未暴露。

2.12 通球試驗

通球試驗主要保證管道內(nèi)部是順滑的，未發(fā)生影響后期使用的變形。通球采用過盈量3～5%的泡沫球，從一端進入直至從另一端發(fā)出，試驗后泡沫球未發(fā)生劃痕和凹痕為合格。

3 交聯(lián)聚乙烯非粘結(jié)柔性管道海上鋪設(shè)

交聯(lián)聚乙烯非粘結(jié)柔性管道海上鋪設(shè)與常規(guī)非粘結(jié)柔性管道鋪設(shè)工藝相同，采用邊挖溝邊鋪設(shè)的施工方法。通過控制鋪管船移動速度、挖溝機前進速度、張緊器張力、管道入水角度、用聲吶系統(tǒng)觀測挖溝機的姿態(tài)，使管道按路由平穩(wěn)鋪設(shè)[5,6]。目前，交聯(lián)聚乙烯非粘結(jié)柔性管道已完成海上鋪設(shè)，我方會繼續(xù)跟蹤使用效果。

4 結(jié)語

在海洋石油開發(fā)過程中，普通碳鋼有很大的局限性[7]。隨著越來越多非金屬管道在海洋石油開發(fā)過程中得到應(yīng)用，非金屬管道的應(yīng)用環(huán)境也越來越復(fù)雜。根據(jù)現(xiàn)場實際使用條件開發(fā)新型非粘結(jié)柔性管道并通過試驗確保新型管道的使用性能，對于提高我國的科研制造水平至關(guān)重要。