水下干式管道维修系统及其工程化应用

水下干式管道维修系统及其工程化应用高峰房晓明刘春厚潘东民海洋石油工程股份有限公司，天津塘沽，300451摘要：“十五”期间，由海洋石油工程股份有限公司承担的国家863计划“渤海大油田勘探开发关键技术”领域——“水下干式管道维修系统”课题研制获得成功，并在我国渤海湾、南海西部海底电缆检测和海底管道维修依托工程中成功应用。

本文重点介绍此套具有完全自主知识产权的海底管道水下干式维修作业系统（包括其工作特点、系统组成、工作原理、关键技术等）以及工程化应用与市场前景分析。

关键词：海底电缆海底管道干式舱干式维修浑浊水域水下开孔高压焊接作业机具Submarine Dry Pipeline Maintenance System and Engineering Application Gao Feng,Fang XiaoMing,Liu ChunHou,Pan DongMin China Offshore Oil Engineering Company, Limited Gao Feng Fang Xiaoming Liu ChunhuoPan DongmingAbstract：During the tenth five-year-plan period, “subsea dry pipeline maintain system”project which is undertaken by COOEC and belongs to national863 plan BoHai big oil fiel dreconnoitre and exploitation key technichedomain has succeeded. This system has been succeedly applied in subseacable inspection and subsea pipeline maintain support engineering ofBoHai Bay, west of NaiHai. This paper introduces this subsea pipeline drymaintain work system (including work characteristic、systemcomposition、work theory、key techniche etc) which has entireself-determination knowledge patent、engineering application and maketforeground analysis.Keywords：submarine cable,subsea pipeline,habitat,dry maintenance,feculent water, under water tapping,dry method welding,operation machine*“863”重大专项资助项目（2002AA602012）1 引言我国已探明的海洋石油资源量约246亿吨，占石油资源总量的22.9%；海洋天然气资源量为15.79万亿立方米，占天然气资源总量的29.0%，海洋石油在国内石油产量的增量中，已占有越来越重要的地位。

目前，我国海域已铺设的海底管道超过3000km，海底油气管道是投资高风险大的海洋工程设施，它对海上油气田的开发、生产与产品外输起着至关重要的作用。

管道一旦出现损伤和泄漏，将导致油田停产，污染海洋环境，甚至引起爆炸，给企业和国家造成巨大经济损失。

表1 近年海底管道损伤事故案例统计国际上许多著名的海洋工程公司及潜水作业公司都拥有承担海底管道维修工作的能力和成功经验，如SNAM公司、OCEANEERING公司。

国外工程公司掌握着海底管道修复专利技术和装备，对我国设置技术壁垒。

二十世纪末，国内海底管道修复工作只能委托国外工程公司进行，或与国外工程公司联合作业，国内专业公司仅初步掌握了海底管道湿式修复技术。

为此，2002年10月，由海洋石油工程股份有限公司申请的“863”计划水下干式管道维修系统课题得到了国家科技部的批准。

经过4年多的研究、设计、实验、试验，于2006年11月在我国渤海湾海上试验获得成功，打破了国外海洋工程专业公司对我国的技术垄断。

其创新技术成果包括水下干式作业舱及配套装备、水下开孔封堵设备与系列化设计技术、高压焊接工艺技术与TIG自动焊接设备、水下专用配套机具设备等。

水下干式管道维修系统研制成功，极大地提升了我国在海底管道检测与维修领域的作业能力。

2 水下干式管道维修系统组成与工作原理2.1 系统组成水下干式管道维修系统是国家“十五”863计划重大专项“渤海大油田勘探开发关键技术”中的一项课题，是针对我国渤海海域浑水环境条件，研制开发的60米水深以内、6″-- 24″管径范围内的单层管配重结构和双层管保温结构海底管道的干式维修作业系统。

由水下干式舱系统、配套高压焊接技术与装备系统、水下管道密封封堵技术与装备系统、水下专用作业机具设备系统等组成。

其中水下干式舱系统是为海底管道维修创造干式环境的重要装备系统之一，包括：干式舱本体结构、H型外框架、水下脐带系统、脐带终端系统、干式舱液压系统、供配电系统、供配气系统、综合监控系统、照明系统、摄像系统、通讯系统等。

2.2 工作原理利用水下干式舱系统在海底管道泄漏点位置创造“干式”作业环境，即在舱内充入略大于水深压力的高压气体，将海水从舱内“挤压”出去，并维持舱壁内外压力平衡，形成干式高压环境。

然后在舱内进行管道干式高压全位置焊接修复。

系统工作原理如图1所示。

图1 水下干式管道维修作业原理图3 关键技术与创新成果3.1 系统关键技术系统研制过程的关键技术包括：（1）高压干式工作舱及密封技术解决60米以浅海底管道修复工程中干式环境的形成，使管道焊接作业处于干式环境下操作，从而保证管道焊接质量。

（2）潜水及生命支持系统解决60米以浅海底管道修复工程中潜水作业人员的安全技术问题，保证工程安全顺利进行。

（3）管道封堵技术解决60米以浅海底管道修复工程中的管道封堵技术问题，保证舱内的干式工作环境。

（4）水下高压干式焊接技术解决水下干式高压环境下的管道焊接装备与工艺技术问题，保证管道焊接质量。

3.2 系统技术创新点（1）针对我国渤海海域水质混浊，水下能见度几乎为零，ROV作业支持无效的使用条件，在干式舱结构上首次采用了多自由度液压调舱对管技术，有效地解决了混水条件下遥控对管、抱管和密封等难题。

（2）在水下干式舱系统中首次采用了闸室式潜水员进出舱技术。

潜水员可在保持干舱状态下进出舱室、传递物品或更换人员。

解决了人员安全高效进出干舱的关键技术，在国际干式舱系统中属首创。

（3）在干式舱系统中首次采用了水下动力供电用户端采样、水面自动调压技术，解决了大电流（50A以上）、低电压（24VDC）、长距离供电，空载和加载时电压不稳定难题，实现了低压大功率平稳供配电目标，解决了长距离脐带水下安全有效的供电技术难题。

（4）开发的水下干式舱结构系统、脐带系统、液压系统、供配电系统、供配气系统、安全应急系统、综合监控软硬件系统、照明摄像系统和通讯系统、施工建造等综合集成技术；成功研制了一套国内自主知识产权，新型、先进、实用的水下干式舱系统，申请了发明专利。

（5）课题研制的水下开孔机为国内首台水下自动带压开孔机，技术指标达到了国外同类开孔机的先进水平，打破了国外在该设备方面对我国的技术封锁，并在以下几方面属国际首创：（1）开孔机进给深度能够预先设定，首次在水下开孔机上采用了差速机构并通过刻度盘指示的方法实现主轴进给尺度指示；（2）通过采用安全离合器、水下溢流阀、油路互锁等技术，解决了开孔机在开孔后自动停止并快速回退的难题。

（6）针对海底管道维修安全作业的要求，在海底管道钨极氩弧自动焊机上首次采用了低电压直流24VDC伺服驱动技术，适应了水下干式舱系统供电的特殊要求，首次采用了焊接过程船上遥控技术，通过焊接时潜水员出舱待命、焊机自动焊接的方式，有效地解决了焊接可能引发的潜水服燃烧等难题。

（7）利用引进、消化、吸收、再创新的科技理念，开发出了具有自主知识产权的水下管道坡口/切割机、闸刀锯、冲击铲、液压对口器，其各项技术指标达到国外同类技术的先进水平。

4 系统工程化应用水下干式管道维修系统具有应用范围广、维修作业快捷、维修质量高、水下作业安全可靠，并且修复后的管道完整性好等优点。

自2006年11月海试成功后，凭借其独有的技术特点，相继在我国渤海曹妃甸11油田海底电缆检测复位工程和南海西部涠州12-1油田2条双层海底管道修复等工程中成功应用。

4.1 曹妃店11油田海底电缆检测复位工程应用介绍2006年12月，在进行渤海湾曹妃店油田海底调查时发现一条海底电缆被船锚拉至泥面，涉及长度约1000米。

其中最有可能受到损伤的是入泥点和锚拉过的部分。

曹妃店油田业主要求调查和处理这条海底电缆，以评估和确定这条海底电缆的安全性和使用风险。

由于曹妃店海域水质混浊，水下可见度很低，在这种海况下，如采用潜水员探摸和水下录像的调查方式不可能提供可靠的信息。

该工程于2007年1月上旬，使用刚刚研制成功的水下干式管道维修系统对受损海底电缆进行检查，通过干式舱内摄像系统对电缆状态进行记录，解决了在渤海湾水质浑浊情况下，无法进行水下外观检测和录象的难题，有效地验证了该系统在浑水环境下的整体优势，为海底电缆安全运行评估提供了重要数据。

4.2 南海西部涠州12-1油田2条双层海底管道修复工程应用介绍2006年12月，涠洲11-4A~WZ12-1平台和WZ11-4C ~WZ11-4A平台由于海底管道发生泄漏，致使油田停产，给油公司造成了巨大的压力。

经调查：发生泄漏的两条海底管道分别为WZ11-4A ~WZ12-1平台之间的API X52 406.4mm/273.1mm 壁厚12.7mm双层海底管道，WZ11-4C~WZ11-4A平台之间的API X52 273.1mm/168.3mm 壁厚11.0mm双层海底管道。

该海底管道维修作业使用了水下干式管道维修系统，用以提高水下维修工作质量和应急抢修作业效率，为油公司尽快恢复海上油气生产创造条件。

5 系统应用前景分析与瞻望我国自1985年在渤海埕北油田建成第一条海底输油管道以来，在不同海域已建成各种管道近百条，总长度在3000公里以上。

“十一五”期间，大约有1300公里的海底管线需要铺设。

部分海底管道使用时间已超过15年，个别已达20年。

近几年相继出现了一些海底管道的损伤和泄漏事故。

同时，海洋石油工程股份有限公司正在积极开拓国际市场，随着专用装备不断完善，技术、操作人员不断成熟，一些国际上的海底管道维修业务也将成为水下干式管道维修系统的市场。