特种管道结构工程技术

(一)柔性软管的一般结构和特性

1.柔性软管的一般结构

海底油气管道系统中使用的柔性软管一般由五部分组成:

A.密封材料。常用尼龙11。在85℃下，这种材料的预期寿命为30年，弹性良好。或者采用HID9300高密度聚乙烯，这种材料的极限拉伸强度可以达到400%，具有良好的耐海水环境性能。

B.加固材料。钢筋铠装常采用不锈钢，一般采用316L不锈钢作为内外压下的骨架，具有较高的耐腐蚀性。或者用碳钢件来承受环向力和轴向力。

C.隔热材料。聚氨酯泡沫是最常用的。该材料导热系数低，保温性能好，但熔点低，不能挤压成型，与钢筋粘结不好。目前已经开发出一种改性聚氨酯泡沫，可以通过挤出来克服上述缺点。由于保温材料的脆性，单层厚度不能超过40mm，否则会影响软管的柔韧性和强度。

D.防滑耐磨材料。为了防止过度滑动和磨损，在各层加强钢片之间放置合成材料，以紧紧地抓住钢片，起到防滑和防磨损的作用。

E.外部防护材料。通常使用高密度聚乙烯，因为它具有良好的耐腐蚀性和抗机械损伤性。

图15-21和图15-22显示了两种典型软管体的结构图。前者是内衬尼龙材料的柔性软管，在常压下输送腐蚀性介质，后者是用于强化处理和保温的高压柔性软管。

2.柔性软管的特性

A.管段的长度是无限的。因为制管过程和电缆一样是连续生产，所以这种管段的长度只受卷筒和滚筒的尺寸以及安装起重设备的能力的限制。与钢管相比，可以大大减少管段连接的工作量，避免接口质量薄弱的环节。

图15-21图15-22

B.铺设安装方便。在海上铺设和安装柔性软管不需要特殊的铺管船。一般只要稍加改装就可以用一艘大功率的拖船来铺设安装柔性软管，就像铺设电缆一样简单快捷，大大降低了海上铺设安装的成本。

C.具有良好的内外防腐性能、保温性能，比钢管具有更好的机械强度性能和耐久性。

d .具有足够的负浮力，无需挖沟埋地或增加额外配重涂层，即可满足海底管道稳定性的要求。

E.它比钢管具有更强的抗流体动力和抗振动疲劳损伤能力。

f .预制时管段两端可配备通用机械法兰，以实现管段之间或与钢管段之间方便可靠的机械连接。

G.可以实现循环利用。

(2)柔性软管的应用领域和效果

我国海上油田开发工程中使用柔性软管，但数量和范围都不大。由于软管材料成本较高，所以大多选择应用在一些特殊部位或特定环境下，充分发挥柔性软管的特殊优势。经过实际测试，质量总体稳定可靠，在恶劣的海洋环境和复杂的动力作用下效果良好。柔性软管在我国海洋石油开发项目中的应用有两种，一种是浮式生产系统与单点系泊或水下生产系统之间的跨接管或动力立管，另一种是海底输油管道系统。本文着重研究后者的应用。

a . 1989年9月，中国海洋石油总公司在北部湾W10-3A平台和W10-3B平台(由“南海1号”钻井船改装而成的钻采两用平台)之间铺设了一条内径为6”的软管海底输油管道，这在中国是第一次，在整个远东地区也是第一次。该软管长度约为1800m，由法国Coflexip公司制造，中国负责管道设计、铺设和安装。这条海底软管是由一艘名为“南海211”的拖船铺设的。对该船进行了改装，在船中部安装了固定滚轮装置固定软管卷盘，在船尾安装了软管下水尾槽。软管通过将软管套在J形钢管内并将J形钢管固定在护套上而连接在平台的两端。铺设这种软管只需要一天时间，比铺设钢管大大节省了时间和管道铺设成本。

b . 1991 7月，中国海洋石油总公司在韦10-3北部油田开发工程建设过程中，在北部湾成功铺设安装了第二条带软管的海底输油管道。管道内径6”(152mm)，长约4.25km，从W10-3C平台(由“渤海6号”自升式钻井平台改装而成的钻井采油固定平台)至W10-3A平台。这条柔性软管海底输油管道的长度是目前中国海域最长的。由法国Coflexip公司进行软管结构设计和铺管施工设计(包括“南海210”和“南海211”三用工作船的改装设计)，并承担软管制造和供货。铺管船(“南海210”和“南海211”)的改装施工和软管的海上安装均由中海油完成。北部湾W10-3油田两条柔性软管海底输油管道的总体布置见图15-23。

图15-23北部湾W10-3油田铺设的软管海底输油管道。

C.1993珠江口联合开发的陆丰13-1油田铺设并投产了一条6”海底柔性输油软管。本油田水深为140 ~ 150米。该输油软管是从井口采油平台到南海盛开号的浮式储油装置，全长约1.85km，见图15.24。

d . 65438+1996年3月，承包法国Coflixip公司在珠江口刘桦11-1油田铺设三条柔性软管海底管道。这三条软管中的一条是6 "测试和计量管道，另外两条是海底生产和灌注管道。管线一端连接南海胜利号浮式生产储油装置单点系泊系统，另一端连接南海挑战号半潜式钻采辅助平台水下基座，全长约2.5km，三根软管布置见图15-25。刘桦11-1油田由中国阿莫科东方石油公司和美国Comac石油公司联合开发，油田水深300 ~ 350米..

图15-24陆丰13-1油田海底输油软管

图15-25刘桦11-1油田3根软管布置图

E.1993辽东湾绥中36-1油田试验区开发工程海底管道系统中，用三段柔性软管代替了部分钢制立管和膨胀弯头。当时这个油田的生命动力平台需要架设6根海底管道的平台立管，平台的上部模块已经安装完毕。安装海底管道和立管时，无法采用通常的立管、膨胀弯头和扁管整体吊装的方式。为解决这一问题，提出了用柔性软管替代部分钢制立管和膨胀弯头的方案，实践证明达到了预期效果。三段软管一段用于天然气输送，内径88.9mm，一段用于注水，内径152.4mm，一段用于输油，内径203.2mm，三段软管长度均为60m。绥中36-1油田试验区水深30米。

f . 1998年4月，美国Wel1-stream公司生产的4节柔性软管安装在渤海锦州9-3油田开发工程海底管道系统中。安装地点在东/西区沉箱基础平台附近，柔性软管作为连接沉箱内立管和沉箱基础外钢扁管的膨胀弯管。主要考虑沉箱基础附近的冲刷深度为1.5m，而当立管穿过沉箱壁与扁管连接时，穿过沉箱壁的点距离海底为1.5m，因此立管至扁管会有一段从海底悬起的膨胀弯头段，如果使用钢管，会有涡流激励引起疲劳破坏的风险。因此，设计并选择了具有更好流体阻力的柔性软管。规格为2段12”输油管和2段65/8”高压注水管。西区沉箱端软管长度为50m，东区为70m。从投产到现在用了五年了，一直没有出现问题。

(3)柔性软管的技术发展和应用前景

柔性软管最早是由法国石油研究所经过近十年的研究开发出来的，是一种适用于油气行业的专利产品，随后成立了Coflexip公司专门生产。当时全球独大，处于垄断地位，价格也比较贵。然而，由于它比钢管有许多明显的优点，在海洋石油工业领域尤其受到青睐，其应用范围不断扩大。近年来，美国、日本和一些欧洲国家相继生产了这种软管，其中美国的“Wellstream”公司已成为Coflexip公司的有力竞争对手。随着技术的发展和市场的竞争，这类产品的价格不断下降，应用领域和规模进一步扩大。

二、“分干管”管道结构的应用及相关技术

(一)“子母管”管道结构工程实例

图15-26“母管与子管”结构配管图

中国海洋石油总公司在渤海辽东湾勘探开发的锦州20-2凝析气田一期工程建设中，设计、铺设和安装了一条长约10km、外径为2.375”的输送乙二醇防冻液的海底管道。“主管道”外径为8.625英寸，用于输送井口生产的天然气。这条管道是凝析气田的集输管道，用于将南高平台生产的天然气输送到北高平台，再输送到陆上处理终端。为了防止南平至中北坪10km海底天然气管道内水合物的形成，从管道入口注入乙二醇防冻剂。为了降低生产成本，实现防冻液的重复利用，我们提出了在北平台分离回收防冻液，然后用2”小管将回收的乙二醇抽回南平台的工艺方案，实现了防冻液的重复利用。为了实现这一技术方案，比较了几种管道结构方案，如采用柔性收集软管或分别铺设两根钢管等。但经过技术经济分析比较，最终决定采用“子母管”结构的钢管管道，认为技术上可行。可以安装现有的铺管船，将两根钢管一起铺设，埋在同一个沟里，这样工程造价最低，显然是最合理的做法。管道路由海底为平坦软土，水深约为18m。

图15-26显示了“子母管”结构管道的主要参数。

(二)“子母管”管道结构相关技术

这种海底管道在中国还是第一次使用，在世界上也不多见。

首先，这种管道的设计在一般的国际标准中找不到具体明确的指导性规定，也找不到可以作为设计依据的方法和原则。在管道设计中，根据工程的具体情况，考虑将2”小管作为8”主管的附加荷载，控制8”主管的结构强度，保证两管在安装过程中不会脱离即可。虽然从设计理念上可以这么说，但毕竟没有设计过，没有经验和把握。最后邀请美国海湾工程公司合作完成了“子母管”结构海底管道的设计。

根据设计要求，利用“滨海109”铺管船在现有铺管作业线外侧增加一条2英寸的铺管作业线。利用2”管的柔性，在8”主管完成现场节点马体指浇后，将2”管连接到主管的下水管线上，按照设计要求将管子在主管上绑扎固定，然后一起下水铺设在海底。敷设过程中，施加的拉力全部在8”主管上，2”小管仅作为附加荷载固定在主管上，安装时不使用受力构件进行应力控制。

(3)“次干管”管道结构的应用前景

实践证明，这种“子母管”结构海底管道的设计、铺设和安装非常成功，达到了预期目的，为我国设计和铺设这种特殊海底管道积累了宝贵经验。“子母管”管道结构的应用前景广阔。