内衬修复海洋管道安装过程与拖拉受力分析
时间：2023-06-27 10:50:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
袁志达，王佐强，章仲怡，胡伟，康学君，张晓灵，郭宇礼
中海油能源发展股份有限公司清洁能源分公司，天津 300452
自1980 年起，我国开始开发开采海洋油气资源，目前，已有300 多条、超过6 000 km 的海底管道用于油气输运，且每年还有一定数量的新建管道[1]。尽管近些年来柔性复合软管在海洋油气开发中有一定的应用，但目前服役的海底油气管道还是以碳钢管为主。在管道的设计阶段，考虑一定的腐蚀余量，可以适当增加壁厚；
采用耐腐蚀钢或不锈钢复合管，或者增加防腐涂层以及采取牺牲阳极等方式来预防和减缓腐蚀现象对钢管的安全运行的影响。在管道的运维阶段，一般则通过加注缓释药剂、杀菌药剂等来延缓和抑制腐蚀，但效果有限。无论采取哪种措施，碳钢管在服役使用期间，腐蚀问题是普遍且不可避免的现象。如果腐蚀严重，将会引起管道的油气泄漏，甚至引起海洋环境污染和油田的停产。对少量的管道穿孔泄漏，可以采取水下打卡箍方式来进行维修。但如果管道腐蚀严重，则只能铺设新的替代管道，以维持油田的生产，花费巨大。对已腐蚀的钢管，风送涂料挤涂技术是一种较成熟的防腐治理技术，在陆地油气田和市政燃气等管道中有着较广泛的应用[2-7]。但由于存在较大的施工风险因素，如发生挤涂装置卡堵、涂料凝固等，在海上油气田的管道防腐治理中，鲜有应用案例。近些年发展的柔性内衬管技术，是延缓海洋油气管道腐蚀、延长管道使用寿命的一种新技术[1]，具有施工速度快、不占用大型施工船舶、成本低等优点，并在马来西亚石油公司的海底管道中得以首次应用[8-9]。因此，本文重点介绍柔性内衬管在海洋油气管道中的施工过程及拖拉受力特点。
作为一种内衬技术，聚乙烯（polyethylene，PE）内衬管产品在修复较平直油气管道领域有较广泛应用。但对于存在较大角度弯头的管道，由于PE 内衬管自身刚度较大，很难实现穿插过弯或者在弯管处存在较大的应力集中现象，导致PE 内衬管容易过早的失效[10-12]。
柔性加强型内衬管技术尤其对存在弯头的海洋管道是另一种解决碳钢管内腐蚀问题的切实有效的方法。如图1 所示，这种内衬管一般由3 层结构组成，分别为防腐内层、柔性编织加强层和外层。内层主要为防腐层，根据输送介质条件的不同，可以采用聚乙烯（PE）、热塑性聚氨酯弹性体(thermoplastic polyurethanes,TPU）或者聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride,PVDF）等高分子材料，从而到达耐酸、耐高温、防渗透等目的；
中间加强层可采取芳纶或涤纶纤维编织而成，主要起抵抗环向内压、抵抗安装时的径向拖拉力的作用；
外层为耐磨层，主要为防止安装和使用过程中内衬管与被修复钢管间的磨损，可以采用PE或TPU 材料[13-14]。
图1 加强型内衬管结构
采用这种柔性加强内衬设计技术，可以在实现钢管防腐、延寿功能的同时，又具有较好的柔性和较大的抗内压与抗拉强度，既可单独承压又可与被修复钢管复合使用，且能一次连续修复数公里管道并适应多个90°弯管。因此，与重新铺设海底管道的方案相比，柔性加强型内衬管为海底管道修复行业提供了一个技术可行、快速与经济的选择。
在内衬管修复钢管实施过程中，需要将内衬管在被修复钢管中拖拉就位，以实现安装修复功能。对存在较多弯头的海洋油气管道，内衬管的拖拉就位是整个安装过程中最具挑战性的关键步骤，准确预测拖拉力是一项十分重要的前提工作。Barsoum等[13]采用ABAQUS 软件对内衬管在钢管中的拖拉受力进行了模拟分析，指出摩擦系数尤其弯头处的摩擦系数对拖拉力大小有较大的影响。
2013 年，阿联酋腐蚀防护系统公司（APS）采用其内衬管专利产品为马来西亚石油公司Samarang油田的一条即将到达35 a 设计使用寿命的8 吋输油海管进行了成功修复[8-9]。
随后几年，马来西亚石油公司采用APS IFLTM内衬管专利产品，总共修复了10 余条腐蚀严重的海管，总共节约上亿美元的费用。图2 为马来西亚石油公司采用内衬管修复海底管道时的一张现场施工照片（图片来源于www.worldpipelines.com）。
图2 马来西亚石油公司内衬管修复施工现场
在确定了对已腐蚀钢管进行柔性加强型内衬修复技术方案后，则需对管道的路由，两端平台特点，管道的管径、壁厚、腐蚀情况、输送介质等进行详细的调研，以便作为设计输入条件进行内衬管的设计与制造。同时，内衬管的施工承包方需会同业主单位及软管提供商，制定出详细的内衬管施工方案以及相应的机具准备工作。内衬管海上安装施工涉及多种设施设备，主要包括内衬管卷盘的运输、平台吊装与就位及相应的卷盘固定装备，海底管道的清管、排水与干燥作业以及检验检测装备，内衬管的拖拉穿插作业所需的装置装备，内衬管的接头安装装备，内衬管的通球检测及试压装备等。因此，在施工方案的编制中，必须考虑到所有需要的装备及规格参数的选取标准。概括而言，内衬管的安装过程主要包括以下几个重要步骤。
1）对被修复管道的清洗
作为内衬修复施工的开始点，在正式管道修复前，需要对被修复管道进行清管作业，对管道内的异物、结蜡、结垢等进行清除。通过管道清管作业，在确认管道内部满足内衬管修复要求后，将管道内部残留液体排干，进行干燥并达到相应的技术要求标准。
2）对海管两端的切割截断及法兰焊接
综合考虑后续内衬管拖拉穿插作业的可行性与便利性，在管道两端所在平台合适处，确定被修复管道切割截断位置。此外，连接接头的法兰应焊接到被截断的管道两端。步骤1）和步骤2）可参见图3。
图3 被修复管道清洗与切割
3）内衬管拖拉辅助装置的安装
内衬管的拖拉力一般情况下达到几吨到几十吨的量级，靠人力拖拉很难实现，因此，一般需要采用绞车等拖拉装备进行拖拉（绞车布置于拖拉端）。此外，为保证拖拉的顺畅及内衬管的安全性，现场须安装一定的内衬管导向装置，参见图4。如果平台空间有限，也可以将拖拉绞车布置在施工船舶上。
图4 安装拖拉辅助设施
4）内衬管折U、装船运输与就位
生产出的内衬管带出厂前，先储存在储运滚筒上。需要在运输至海上进行安装前，将软管过驳至运输船上的安装滚筒，同时将内衬管折U，使内衬管由扁平状态变为U 型，同时内衬管外面缠绕专用胶带，以便于穿插拖拉作业。
5）管道两端平台的施工准备
将运输船舶上的内衬管安装滚筒吊至拖拉起始端的平台合适位置并进行固定。如果平台没有足够的空间和合适的位置，则需要将滚筒放置在船舶上，因此实际项目的船舶要求需要根据现场平台的情况确定。步骤4）和步骤5）过程模拟参见图5 。
图5 内衬管压U 并过驳装船
6）牵引和拖拉绳的穿插
如果被修复管道较短、拖拉力较小，牵引绳和拖拉绳则可以采用同一绳索进行，可选择较轻的尼龙绳。但如果被修复管道较长、拖拉力较大，则拖拉绳须采用钢丝绳，而牵引绳采用较轻质的尼龙绳。对较轻质的尼龙牵引绳，其穿插可通过发球筒将连接到清管球上的牵引绳从管道的一端打到另一端，完成牵引绳在管道中的贯穿。之后，再将牵引绳连接拖拉绳，进行倒绳拖拉，实现拖拉绳在管道中的贯穿，参见图6。
图6 安装牵引绳和拖拉绳
7）内衬管的拖拉
拖拉绳在管道中贯穿就位后，即可将拖拉绳通过可自由旋转的拖拉头连接内衬管进行拖拉作业，旋转头可释放拖拉过程中内衬管自身产生的扭矩，最大限度地防止内衬管在管道内穿插时发生扭转。在拖拉过程中，要控制拖拉速度，保持内衬管与拖拉绳的受力均匀性，拖拉速度可控制在10 m/min 以下，并在拖拉过程中监控拖拉力，防止因意外情况出现(如拖拉头过弯时被卡住)拖拉力急剧上升的情况，参见图7。
图7 拖拉内衬管
8）内衬管涨开与接头安装
内衬管穿插入管道后，两端切割并插入封堵盲板（或气囊），通过向内衬管内充气的方式，将内衬管外面缠绕胶带胀开，以便被压U 后的内衬管恢复到圆形，并且贴紧到管道内壁。之后，再把专用的内衬管接头装配上，起到固定内衬管以及密闭且连通后续钢管的作用，参见图8。
图8 涨开内衬管与安装接头
9）试压与管线恢复
内衬管两端加装接头后，根据原钢管的运行压力进行1.5 倍原压力保压测试。测试合格验收后对整条管线进行恢复，完成内衬管的修复作业，参见图9。
图9 试压并恢复管线
如前文所述，在整个内衬管的安装施工过程中，穿插拖拉过程是十分重要的一个环节。在安装施工前，须对内衬管的拖拉作业所需拖拉力进行详细的计算，以选定合适的拖拉绞车、拖拉绳、测力计等设备以及评估内衬管与被修复管道在拖拉过程中的结构强度安全性。本章给出一种能计算内衬管在被修复管道中拖拉力的计算模型，以指导施工设计和实施。
3.1 拖拉数值模型
如前文所述，内衬管在被拖拉进入被修复管道前，先对管体进行压U 型处理，从而使其处于折叠状态。这样做的目的是为了使内衬管在钢管中更容易被穿插牵拉。尽管内衬管自身弯曲刚度较小，但经压U 折叠后，管体侧向刚度会有所增加。因此，内衬管在被修复钢管中被拖拉时，所产生的拖拉力除由内衬管自重引起的其与被修复管道管壁之间的摩擦力外，还需考虑过弯管段时，由于内衬管体自身侧向弯曲而产生的与被修复管道壁间的接触摩擦力。本文使用OrcaFlex 软件提供的管中管接触摩擦理论[15]，建立一段含3 段直管、2 段弯管的内衬管与被修复钢管的接触摩擦数值模型，来分析内衬管在被修复钢管中的拖拉过程与受力特点，数值模型如图10 所示。模型中被修复钢管外径0.219 m，内径0.2 m,内衬管直径0.07 m，弯管段的半径为5 倍的管径。表1列出了钢管各管段的长度，整体钢管模型的长度为32 m。
表1 内衬管拖拉模型钢管各段长度表
图10 OrcaFlex 内衬管拖拉受力模型
图10 所示的分析模型中，由直管段与弯管段组成的钢管两端固定约束，待穿插内衬管长度与钢管长度一致，且预置于1 个支撑结构上，忽略内衬管与该支撑结构间的摩擦作用。钢管内部预置拖拉绳，拖拉绳一端连接拖拉绞车，另一端连接待穿插内衬管前端。拖拉绳与内衬管均与钢管建立接触摩擦关系。绞车回收速度设为0.1 m/s。通过这样的模型设置，以实现内衬管通过拖拉绳由拖拉绞车拖拉，从钢管右端下部进入，直至到达钢管左端部，内衬管全部穿插拖拉进行入钢管的模拟。
很明显，内衬管与钢管间的摩擦系数对拖拉力的大小有显著影响，摩擦系数越大，则拖拉力越大[13]。在实际工程中，为准确预估拖拉力值，须提前对摩擦系数进行试验标定，且通过采用涂抹润滑油的方式来减小摩擦系数，从而减小摩擦力。参考相关研究[13]，内衬管与钢管间的摩擦系数假定为0.3。如前所述，内衬管经压U 折叠后，管体侧向弯曲刚度会有所增加，须调查内衬管体侧向弯曲刚度对拖拉力的影响。本研究重点考察了内衬管3 种不同侧向弯曲刚度对拖拉受力的影响，3 种内衬管的特性见表2。
表2 3 种内衬管特性表
3.2 拖拉力数值结果分析
3.2.1 内衬管拖拉受力特点
考察内衬管被拖拉处（左侧端点）的受力时程，可以得出在整个拖拉过程中，内衬管被拖拉至钢管内部不同位置时的拖拉力特点。图11 给出3 种内衬管的整个拖拉力时程变化。
图11 3 种内衬管在钢管中拖拉力时程
从图11 中可以看出，对所有3 种内衬管，在拖拉过程中，当内衬管拖拉至平管和竖直管段时，拖拉力缓慢提升；
但在弯管段，拖拉力均有陡升的现象（参见60～80 s、170～190 s 时间区间的拖拉力）。造成拖拉力具有这样特点的原因可解释如下：当内衬管在管道中被拖拉时，在水平管段时，拖拉力的提升是由于随着进入管道的内衬管长度增加，相应的摩擦力增大造成的；
在竖直管段时，随着进入长度的增加，相应的内衬管重量增大，拖拉力也相应地增大。从拖拉力时程还可以看出，在水平管段和竖直管段，拖拉力增大的梯度是不同的，竖直管段的梯度大于水平管段。但当内衬管被拖拉经过弯管段时，由于钢管弯管段对内衬管有较大的反作用接触力（简单的静力关系，参见图12），因此，造成相应的摩擦力在弯管段剧增，即拖拉力陡增。根据以上对内衬管拖拉受力特点的分析可知：在水平段和竖直段，摩擦力主要由重力产生；
而在弯管处，弯管的反作用力较大。对无侧向弯曲刚度的内衬管A，我们可以手工计算得到的拖拉力的大小。通过图11可以看出，对内衬管A，手算得到的内衬管拖拉力与软件模型结果吻合良好。
图12 具有一定侧向弯曲刚度的内衬管过弯管段时与钢管的接触关系示意
此外，如果内衬管具有一定的侧向弯曲刚度，拖拉力还需克服由于内衬管弯曲过弯所产生的接触压力而引起的额外摩擦力。从图12 中明显可以看出，侧向弯曲刚度越大，所需的拖拉力越大。图13 给出了3 种不同弯曲刚度的内衬管被拖拉经过弯管段2 时，内衬管与钢管的接触关系模拟结果。其中，紫色线段表示钢管与内衬管发生接触部分钢管的中心轴线；
而白色点表示内衬管与钢管发生接触部分，即内衬管的接触单元节点。可以看出，对于内衬管A，由于没有侧向弯曲刚度，在过弯时，管体贴合在弯管段2 的内弧上以及水平管段1 的下侧管壁，内衬管轴向与钢管轴向呈基本平行状态。而对于内衬管B 和C，由于管体具有一定的侧向弯曲刚度，在竖直管段有一部分管体接触钢管的右侧管壁；
在水平管段1，则有一部分接触钢管的上侧管壁，内衬管轴线与钢管轴线呈交叉状态，同时，管体侧向弯曲刚度越大，则接触长度越大，接触摩擦力越大。
图13 3 种内衬管过弯管段2 时与钢管的接触关系（t=190 s）
3.2.2 内衬管沿管长的轴向力特点
通过对内衬管拖拉受力数值模拟，还可以得到不同拖拉时刻内衬管沿管长的轴向力分布。图14 给出将整段内衬管拖拉入钢管内的时刻（t=320 s），内衬管沿管长的轴向力分布情况。从图14 可以看出，内衬管拖拉入钢管后，从钢管入口到出口，内衬管的轴向力是逐渐增大的，且在过弯段处，由于钢管的弯管段对内衬管的接触反作用力较大，内衬管轴力呈现陡增的特点。这与拖拉力时程曲线中，过弯管段时拖拉力陡增是一致的。同时，由于受内衬管侧向弯曲刚度的影响，在弯管段的两侧，内衬管与钢管壁产生较大的接触压力，引起轴向摩擦力的局部增大（参见图14 中虚线圆圈中，内衬管B 与C 轴向力的局部增大）。
图14 拖拉就位时刻3 种内衬管沿管长轴向力分布
根据计算分析得到的内衬管被拖拉就位后的轴力分布特点，建议在实际拖拉施工时，内衬管在拖拉就位后、安装接头前，需要静置一段时间，使其轴向内力尽可能在自身材料弹性收缩作用下，有一个逐步消除的过程，从而避免在安装接头后的服役期内，存在较大的轴向内应力而影响其使用寿命。
内衬管修复技术作为解决碳钢管内腐蚀并延长既有腐蚀钢管寿命的有效方法之一，必将会在海洋油气管道的修复工程中得以广泛应用。本文介绍了内衬管修复施工过程，并重点给出了计算分析内衬管拖拉受力方法并讨论了拖拉力的特点和影响因素等，结论与建议如下：
1)内衬管在海洋管道修复拖拉时，需克服内衬管与钢管之间的摩擦力以及自重等。
2）本文采用OrcaFlex 软件，建立了一种能模拟内衬管在被修复钢管中拖拉受力的模型，可以计算得出所需拖拉力大小，并考察内衬管被拖拉过程轴向力特点等。
3）由于弯管段的存在使得拖拉力在弯管处出现陡增的现象，且内衬管自身的弯曲刚度对拖拉力陡增影响明显。所以，对存在较多弯管段的管道，拖拉力较大，拖拉会较困难。
4）对存在较多弯管段的海洋油气管道进行内衬管穿插修复时，须仔细计算所需拖拉力值，采取必要措施，保证拖拉作业的顺利完成。
5）内衬管拖拉就位后，在安装接头前，须静置一段时间，以消除由于拖拉引起的内应力。
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