海底管道系統(tǒng)

海底管道系統(tǒng)是海洋工程中一種重要的支撐裝備，在海底惡劣的工作環(huán)境中承擔(dān)著不可替代的重要功能。目前，隨著海洋工程技術(shù)和裝備發(fā)展，管道系統(tǒng)已成為深海勘探、開(kāi)發(fā)和利用中必不可少的技術(shù)與裝備。管道系統(tǒng)為石油平臺(tái)提供了巨大的能源供應(yīng)和安全保障作用，為海上鉆井平臺(tái)提供了安全穩(wěn)定的環(huán)境。管道系統(tǒng)可分為固定安裝、移動(dòng)安裝和移動(dòng)式安裝三種，在海上復(fù)雜環(huán)境下可根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行調(diào)整。

海底管道系統(tǒng)

海底管道系統(tǒng)主要由管道和輔助設(shè)備組成。主要包括管徑各異的橡膠圈和電纜套、管件套筒、機(jī)械連接件和管道連接件等。海底海底管道系統(tǒng)通常由橡膠圈或管件構(gòu)成，用于連接和固定海底管線。其中，橡膠圈用于連接海底管線表面，具有較高強(qiáng)度和耐腐蝕性能；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造；具有較好的抗海水侵蝕性能；施工簡(jiǎn)單、易于維護(hù)；適用于固定安裝和移動(dòng)安裝。我國(guó)目前使用較多的為固定安裝和移動(dòng)安裝兩種深海管道系統(tǒng)，其中固定安裝和移動(dòng)安裝較為常見(jiàn)。

1、固定安裝

固定安裝是指在海底管線上放置支架或固定裝置以使管道固定于海底，以適應(yīng)施工環(huán)境的安裝方法。常用的安裝方法有潛水員操作海底管道系統(tǒng)固定裝置，將潛水服或吊車(chē)裝置在海底管道上，并通過(guò)潛水員、吊車(chē)和吊鉤等裝置將管道固定于適當(dāng)位置錨定。根據(jù)其工作環(huán)境的不同，該方法可分為室內(nèi)固定安裝和海上固定安裝。室內(nèi)固定安裝是在海底管線固定位置設(shè)置支架，利用該支架將其固定在海底管線壁上，使管線與錨定裝置相匹配、保持其完整性。海上固定安裝是將潛水服或吊車(chē)裝置在海底管線上，通過(guò)吊鉤將管線懸掛在海底管線上，使管道緊貼海上錨定裝置，并使其保持完整性。它適用于深水管道及海底隧道。

2、移動(dòng)安裝

采用浮運(yùn)的方式將管道運(yùn)送到海底作業(yè)平臺(tái)，然后將管道輸送到作業(yè)平臺(tái)上繼續(xù)安裝和拆卸。目前，海底管道系統(tǒng)最常用的固定安裝方式是浮運(yùn)方式。浮運(yùn)方式的優(yōu)點(diǎn)是可以較容易地更換或維修海底管道系統(tǒng)、簡(jiǎn)化施工程序、縮短維修周期。缺點(diǎn)是需要較大的作業(yè)范圍，施工難度大、成本高。目前我國(guó)的海洋石油鉆探工程項(xiàng)目采用的浮運(yùn)方式較多，但浮運(yùn)方式在某些方面對(duì)海底管道施工造成一定程度的限制。另外由于海水流速較大，浮運(yùn)方式還會(huì)造成管道受到不同程度沖擊損傷、使管道系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏等問(wèn)題。

3、機(jī)械連接件

海底管道系統(tǒng)中機(jī)械連接件的主要作用是將金屬或非金屬管道固定在系統(tǒng)中的適當(dāng)位置，使管道與水面以下形成水平，并能承受高壓；防止海水的侵蝕。例如，海底電纜套、連接螺栓之間的法蘭等都是海底管道中的機(jī)械連接件。隨著海工技術(shù)的發(fā)展及海底石油資源的開(kāi)發(fā)利用，機(jī)械連接件的使用越來(lái)越廣泛，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，施工方便，目前主要被用于在一定深度內(nèi)連接海底管線及連接不同類(lèi)型管道。

4、管道連接件

海底管道系統(tǒng)中使用的海纜或海底管線，一般包括海纜，通常有兩種形式，一種是直接布放海底管線，另一種是埋設(shè)在海床表面和巖層之間的管道連接器。目前使用的最多的海纜連接件為“PA”(Polyurea Association)型。海纜由帶狀纏繞或螺旋纏繞的鋼絲和絕緣材料組成。在使用過(guò)程中將纏繞在電線電纜上、纏繞在鋼絲或絕緣材料表面上的海纜稱為電纜布放線(Spring Table Association),而將電纜外壁直接鋪設(shè)在海纜外壁(Monoza Interview)稱為電纜布放線(Spring Table Association)。電纜布放線是利用鋼絲繞在海纜外壁而布放管道線(Monoza Interview)的方法，使海纜在埋設(shè)深度達(dá)到埋地管道埋設(shè)深度時(shí)，不受海水和洋流干擾，將海底管道內(nèi)或外層與海纜之間采用埋設(shè)在海纜外壁而埋入土層表面或者巖層之間的管道連接器作為連接線來(lái)進(jìn)行埋放施工。

海底管道系統(tǒng)是由海底預(yù)制件（預(yù)制管）、管接頭（PE管）、端部接頭（PTU接口）、導(dǎo)管（PHU接口）、管卡（PB接口）組成。通過(guò)海底預(yù)制件將管卡與海底管接頭連接并加以固定后通過(guò)安裝工具卡將管卡與管接頭連接而成。根據(jù)海上作業(yè)方式和應(yīng)用需要，在海上可安裝多根海底管道；在岸基安裝中可將多根海底管道并聯(lián)起來(lái)，形成一個(gè)完整的海底管道系統(tǒng)；在陸上可鋪設(shè)數(shù)十根海洋海底管道。海底管道系統(tǒng)一般采用分段設(shè)計(jì)原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各分段之間采用連接件或連接卡進(jìn)行連接；每段管道之間可由一個(gè)連接，件之間設(shè)置導(dǎo)管或管卡進(jìn)行連接。各海底管道之間一般采用電纜或軟管進(jìn)行連接，當(dāng)其中一段海上作業(yè)時(shí)必須采用電纜將其與海底 PE管連接并鋪設(shè)；當(dāng)海上作業(yè)需要改變站位時(shí)，需重新修建海底 PE管或采用陸地臨時(shí)連接樁來(lái)敷設(shè)。

1、海底管道系統(tǒng)一般由 PE管、 PTU接口（又稱端部接頭）、導(dǎo)管、管卡組成。

PE管在連接時(shí)，首先采用一端部接頭對(duì)接法與海底預(yù)制件進(jìn)行連接。PE管接頭的直徑為1~2 m。PTU接口與其他海底管道在安裝前，先將管接頭與兩端部分進(jìn)行焊接，并用 PHU和管卡進(jìn)行固定，以使該端接頭與 PTU接口之間的縫隙相互抵消。連接完成后的端部接頭一般用兩塊螺栓固定于 P口或管卡上，管卡的螺紋可作適當(dāng)加工。此外，還有用螺栓和螺母緊固于 P口端部管接頭或套管后的法蘭中、用墊圈固定于 P口內(nèi)的套管固定于 PTU接口上、管卡可做適當(dāng)加工與螺紋加工。目前在海上安裝海底管道時(shí)多采用導(dǎo)管或管卡進(jìn)行連接。

2、海底管道系統(tǒng)連接件分為插入件和脫出件。

插入件主要用于插入 PE管段，當(dāng)插入件和連接卡有一定間隙時(shí)，可使用螺栓或螺母進(jìn)行固定。脫出件主要用于脫出 PE管段，其作用是防止管件變形，脫出件必須采用螺栓固定；脫出件還可用于插入和拔出一段距離的 PE管道，即插入件和脫出件連接成一個(gè)整體。海底管道系統(tǒng)中插接件一般可分為插入式、嵌入式和直接插入式三種，在海底管道系統(tǒng)中一般不設(shè)插入式，直接插入式僅限于特殊條件下使用。在海底管道系統(tǒng)中脫接件在安裝時(shí)需預(yù)先放置在海底預(yù)制件中并在管道插入前設(shè)置了插孔以防止插入物進(jìn)入管材內(nèi)部而造成損壞。插入式連接件有兩種：一種是通過(guò)專用裝置在插入管內(nèi)將其固定到管材中，這種形式適用于管徑為50 mm以下或者海底長(zhǎng)度小于50 m的 PE管；另一種是將插接件直接插入 PE管內(nèi)，這種形式適用于管徑為30 mm以上、海底長(zhǎng)度小于50 m、管孔直徑為20 mm以下、使用連接件時(shí)插入即可完成連接。

3、管卡分為管卡和卡板，以適應(yīng)不同施工環(huán)境的需要。

管卡可采用機(jī)械或手工操作的方法，一般分為普通管卡、鋼制或鑄鐵管卡和卡板三種類(lèi)型。普通管卡是用鋼管制成的可調(diào)薄的管卡，一般用鋼板或鑄鐵制成，有良好的抗拉性和彈性，適用于各種海底管道的安裝；鋼制管卡用于水下的管卡應(yīng)用廣泛。鋼制卡板一般采用熱鍍鋅鋼板或塑料型材制成，具有良好的耐腐蝕性能；不銹鋼卡板用于水下和陸地現(xiàn)場(chǎng)安裝的海溝施工中。為適應(yīng)安裝海溝時(shí)多水的環(huán)境，鋼制海溝卡板表面應(yīng)涂以防銹涂料防止海水腐蝕開(kāi)裂；海溝卡板通常采用鉚釘固定，其位置應(yīng)使海溝深度大于或等于40 m;不同海溝深度設(shè)置不同卡板厚度；管道安裝完后拆除所有卡板和螺栓并清除海溝中殘留的碎屑。鋼制卡板具有一定的抗拉強(qiáng)度和耐沖擊強(qiáng)度，對(duì)于較深海底管道系統(tǒng)可將其作為浮橋使用；鋼管采用冷軋薄板制成，可承受較大風(fēng)浪載荷；焊接鋼管前應(yīng)進(jìn)行焊接試驗(yàn)、氣密性檢查和焊縫性能檢測(cè)；卡具一般為專用工具式，也可根據(jù)施工要求配制，其性能應(yīng)滿足使用要求。

4、海底管道連接件的類(lèi)型

海管連接件是在管接頭與連接管之間填滿泡沫、填充聚乙烯泡沫，或者直接將材料制成制品的材料構(gòu)件。海底管道系統(tǒng)中使用的連接件包括：導(dǎo)管（PHU接口）、管件(PE)、連接件（支架）以及連接卡，其作用是把管子與連接起來(lái)或?qū)⑺芰瞎芘c連接起來(lái)。其類(lèi)型可分為剛性連接件和柔性連接件兩大類(lèi)。

5、溫馨提示：

海底管道系統(tǒng)中，管卡是一種用于支撐和固定管卡的構(gòu)件。它通常分為水平管卡和豎直管卡。水平管卡是一個(gè)用于安裝的結(jié)構(gòu)部件，它一般由支架和拉桿組成而成，以確保不會(huì)因?yàn)榇换蚱渌矬w刮擦或撞擊海底管線或海底管道系統(tǒng)內(nèi)部；豎直管卡是由兩根豎直的管道或由兩根豎直的管道組成，其中一根豎直的管道或由一根豎直的管道卡口相互連通而成一個(gè)完整的垂直管道系統(tǒng)。管道系統(tǒng)主要由海底預(yù)制件（PE管）、根管接頭、端部接頭及導(dǎo)管、輔助工具等組成，是一個(gè)重要的組成部分[1],通常與管道系統(tǒng)一起設(shè)計(jì)和安裝。

海底管道系統(tǒng)是一種高強(qiáng)度、高剛度、非焊接化材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)，在不同環(huán)境條件下的性能會(huì)發(fā)生變化，因此需要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境制定適當(dāng)?shù)墓こ碳夹g(shù)措施和設(shè)計(jì)方案，以確保管道系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。常見(jiàn)的海中海底管道系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括：管體材質(zhì)控制技術(shù)、海底管材預(yù)制技術(shù)、超低應(yīng)力連接理論與方法以及鋼管內(nèi)防腐和涂層涂裝等。管體管體材質(zhì)控制主要包括：管殼材料控制；鋼管內(nèi)壁涂層優(yōu)化設(shè)計(jì)；鋼管焊縫表面涂裝。同時(shí)，還需要注意不同環(huán)境下管道與海底的匹配問(wèn)題，以及特殊環(huán)境下的穩(wěn)定性問(wèn)題。海上作業(yè)一般采用浮式安裝方式，可在陸上鋪設(shè)管道系統(tǒng)進(jìn)行安裝，也可在固定安裝條件下鋪設(shè)管道系統(tǒng)完成安裝工作。

1、管體材質(zhì)控制技術(shù)

管殼材料控制主要包括：管殼材料控制包括選用合適的管材、管體制造工藝和管體材料選擇。選擇管殼材料時(shí)，應(yīng)考慮管道系統(tǒng)的承載能力，以及管體材料的耐腐蝕能力和使用壽命；根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇最佳的管材和管體材料，以保證管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性；應(yīng)合理選擇管體材料，并采用合適的管材和管體材料的熱處理工藝，以保證材料在使用中不發(fā)生脆性斷裂。海中管線系統(tǒng)一般為鋼質(zhì)材料內(nèi)襯復(fù)合管，通常采用玻璃鋼作為其管殼材料；在鋪設(shè)海中管線時(shí)，要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，通常采用鋼外涂玻璃鋼外敷管道材質(zhì)。在應(yīng)用海中管線系統(tǒng)前，需根據(jù)工程應(yīng)用條件進(jìn)行管材尺寸選擇和設(shè)計(jì)，并根據(jù)工程應(yīng)用要求完成鋼管內(nèi)壁涂層優(yōu)化設(shè)計(jì)、鋼管焊縫表面涂裝等工作環(huán)節(jié)。

2、海底管材預(yù)制技術(shù)

海底管壁采用人工鋪設(shè)，需要控制管壁尺寸和厚度，且通常要在水下200 m范圍內(nèi)鋪設(shè)5~10根管材，因此對(duì)海底管材預(yù)制技術(shù)要求較高。海底管束管是直接把直徑小于300 mm的焊接管材通過(guò)水下導(dǎo)管打入海底巖層中，經(jīng)過(guò)切割、焊接等工藝制作而成的各類(lèi)管道系統(tǒng)。因?yàn)樗枰ㄟ^(guò)潛水或淺水作業(yè)過(guò)程從管壁到海底進(jìn)行各種焊接，因此對(duì)管體質(zhì)量要求非常高。海底管道系統(tǒng)具有安裝便捷、施工周期短、成本低、施工精度高等優(yōu)點(diǎn)，但它與傳統(tǒng)的鋼管相比，強(qiáng)度相對(duì)較低。為了滿足海洋環(huán)境下對(duì)海底管道性能的要求，目前主要采用鋼制管材制作深海管線系統(tǒng)。

3、超低應(yīng)力連接理論與方法

超低應(yīng)力連接技術(shù)是一種新的連接方法，是利用橡膠與管壁間產(chǎn)生的強(qiáng)大剪切力來(lái)實(shí)現(xiàn)管道與海底母體的連接。由于海底管道系統(tǒng)具有抗沖擊、抗振動(dòng)和抗腐蝕的特點(diǎn)，所以超低應(yīng)力連接具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。超低應(yīng)力連接的發(fā)展歷程：上世紀(jì)60年代以前，對(duì)不同橡膠材料之間進(jìn)行超低應(yīng)力焊接，即超低應(yīng)力連接;70年代以后采用化學(xué)惰性材料作為原材料實(shí)現(xiàn)超低應(yīng)力連接。隨著我國(guó)南海海洋工程技術(shù)的發(fā)展以及海底管道技術(shù)的不斷完善，超低應(yīng)力連接技術(shù)在海中管道系統(tǒng)中已經(jīng)開(kāi)始使用。然而由于海底管道系統(tǒng)具有高強(qiáng)度、高剛度和超低孔徑效應(yīng)的特點(diǎn)，因此采用超低應(yīng)力連接還存在一定需要解決的技術(shù)問(wèn)題。另外，目前國(guó)內(nèi)外尚未開(kāi)展超低應(yīng)力系統(tǒng)相關(guān)研究工作。

海底管道系統(tǒng)是海洋工程中不可缺少的一部分，其性能和功能直接影響到石油平臺(tái)的運(yùn)行和壽命。隨著國(guó)際石油市場(chǎng)的發(fā)展和國(guó)際石油公司對(duì)油氣資源勘探和開(kāi)發(fā)技術(shù)水平高低的關(guān)注，海洋管道系統(tǒng)必將得到更多地應(yīng)用和發(fā)展。當(dāng)前全球油氣行業(yè)正處于從“發(fā)現(xiàn)石油”向“發(fā)現(xiàn)油氣”轉(zhuǎn)換階段，需要更多地關(guān)注和使用管道系統(tǒng)在油氣勘探實(shí)踐中扮演過(guò)的重要角色和作用。海底管道系統(tǒng)已成為深水鉆井平臺(tái)的重要支撐裝備之一。隨著近年來(lái)油氣行業(yè)的持續(xù)發(fā)展對(duì)復(fù)雜海況要求苛刻的特點(diǎn)，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境、提高其使用壽命（如抗沖擊、抗硫化氫腐蝕等）已成為一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。隨著海洋工程技術(shù)和裝備發(fā)展，對(duì)海底管道系統(tǒng)提出了更高要求，包括高效環(huán)保、抗硫化氫腐蝕、適應(yīng)多種工作環(huán)境等（如高效高密度耐壓、抗硫化氫腐蝕等),因而未來(lái)也將是對(duì)海底管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、施工和管理等各個(gè)環(huán)節(jié)提出更高要求。