穿越地中海管道热缩套补口技术

穿越地中海管道热缩套补口技术Novel field joint coating solutions for the constructionof subsea pipelines加拿大Canusa-CPS公司D Tailor与E Tacoma著 王向农 译18th International Conference on Pipeline Protection, Nov. 2009摘要：在穿越地中海的一条24英寸天然气管道的建设中，防腐工程师面临特别的挑战。深水管段增加了管道工程施工的复杂程度，在这里，采用加厚型聚丙烯防腐层的钢管道铺设在水深2000 m的水域。为此，由多个技术领域的专家组成了一个技术攻关小组，用独特的创新技术战胜这些项目中面临的挑战。本文介绍了该项目的实施概况，重点叙述了在岸上、浅水区和深水区里，如何解决所遇到的许多管道现场补口的技术和施工问题。为了满足项目的要求，开发了多种不同的现场补口设计方案和创新的安装技术。一、近海项目的背景过去十年间，高性能三层聚丙烯（3LPP）防腐层系统在近海管道项目的用量已经明显增多了。虽然三层聚丙烯（3LPP）防腐层的使用还不及三层聚乙烯（3LPE）防腐层那么普遍，但是，已经制订相应的技术标准，当管道使用温度高于85，或者需要增强海底管道铺管作业过程的机械强度时，或者为了适应特殊使用要求时，都规定要采用三层聚丙烯（3LPP）防腐层。干线管道的三层聚丙烯（3LPP）防腐层和三层聚乙烯（3LPE）防腐层都是在预制厂里，在良好控制的作业环境中，在高度自动化生产线上完成涂敷的。在海底管道铺管作业中，要在现场半自动生产线上，将防腐管段焊接在一起，然后做好补口防腐层，这要求补口作业保质保量地快速完成。在预制厂里，干线管道的涂敷工艺容忍生产线多少有些停机时间。但是，近海铺管作业与此绝然不同，各项工作时间是安排得非常紧凑的。所以，铺管船上“流水作业线”的所有工序必须严格按照设计时间表高效完成，应最大程度避免发生意外停工的风险。现场补口作业是铺管船上“流水作业线”的关键工序之一，必须保质保量地快速完成，以免延误整条海底管道的铺管施工进度。从阿尔及利亚到西班牙的24英寸天然气管道全长210 km，包括岸上、浅水区和深水区三部分施工管段。这些施工管段的现场补口都采用三层聚丙烯热缩套。为了满足整条管道铺管施工进度的要求，开发了独特的热缩套安装技术，在规定时间内，确保补口防腐层符合相应的性能标准要求。图1 从阿尔及利亚到西班牙的210 km穿越地中海的24英寸天然气管道这条管道的中间管段铺设在极深的水域里。靠近岸边水比较浅，管道铺在水深不足550 m的浅水中，而管道中间管段铺在水深最深达到2160 m的深水里。浅水区与深水区的管段采用不同的设计和施工方法。在浅水区，4.5 mm厚的聚丙烯管道防腐层外面加上混凝土加重层，采用S法铺管技术铺设。混凝土加重层增强了管道的机械保护能力，特别是防止水下管道受到拖网渔船或者铁锚的损伤，并防止管道因浮力而漂浮。深水区管段采用相同的三层聚丙烯管道防腐层（3LPP），但没有混凝土加重层，按照分开的协同承包施工计划，采用四根管子预先焊接成一体的四节管（quadruple joint），在铺管驳船上将这些四节管焊接在一起后，再用J法铺管船铺设。图2 从阿尔及利亚到西班牙天然气管道水下管段水深的变化Shallow Water浅水区 Deep Water Section深水区S法铺管技术一般适合浅水管道铺设。管子成水平方向沿着S法铺管船的流水作业线移动，船上的各种作业包括焊接、焊缝检查、表面清理、安装现场补口和检验。当铺管驳船朝前移动管子时，在铺管船的船尾安装支架与海床的触地点之间的管道形成“S”形状。J法铺管技术普遍用于深水管道铺设，最深可达到3500 m。在J法铺管船上，焊接-补口-检验等作业均以直立管柱形式完成。管道成“J”形状，因为管子离开驳船时成直立状态，再向下一直触到海床。项目的成功取决于作业过程的生产率，因为租用J法铺管船是非常昂贵的。为提高生产率，供给J法铺管船的管子是预先焊接成一体的四节管。这样，只要在铺管船上将这些四节管焊接起来，再做好每道现场焊缝的防腐补口。图3 近海管道S法铺管技术（左）与J法铺管技术（右）二、浅水区管段热缩套技术的进步浅水区管段的焊缝补口，采用2.5 mm标准厚度的GTS-PP聚丙烯热缩套防腐，然后覆盖一层填充加密层，填满混凝土加重层管端截短部位的空隙。2001年，加拿大Canusa-CPS公司首先推出其享有专利权的聚丙烯热缩套技术。GTS-PP聚丙烯热缩套系列设计采用独特的交联聚丙烯基膜和改性聚丙烯粘接剂。安装到位后，在最高操作温度140（284）的聚丙烯防腐管道上，GTS-PP聚丙烯热缩套具有极好的附着力和卓越的防腐性能，按照有关技术标准进行的质量评定试验结果已经证实了这一点。图4 2002年穿越黑海的Bluestream管道上的GTS-PP聚丙烯热缩套补口2002年，在穿越黑海的Bluestream管道工程上，部分管段采用GTS-PP聚丙烯热缩套补口。Bluestream管道工程的水下管段采用更贵的注塑成型的聚丙烯补口，因为那时候为这种补口技术提供了足够的安装作业时间。自2002年以来，GTS-PP聚丙烯热缩套技术有了新的发展（见表1）。GTS-PP聚丙烯热缩套能够更快更有效地在现场安装，特别适合S法铺管技术的应用，并且，完全符合DNV、NFA、DIN等聚丙烯材料国际标准的要求。结果，GTS-PP聚丙烯热缩套系列已经成为许多近海聚丙烯防腐管道主要的补口材料。表1 聚丙烯现场补口技术的进步性能注塑成型聚丙烯2002年GTS-PP 聚丙烯热缩套（Bluestream项目）2009年GTS-PP聚丙烯热缩套预热温度23018516024英寸管道补口时间8 10分钟 20分钟 5.0 mm3.0 mm8.0 mm环氧防腐底漆仅在涂敷聚丙烯面层前仓促检查详细检查完全固化的环氧涂层详细检查完全固化的环氧涂层专用设备感应加热设备和 注塑成型模具感应加热设备感应加热设备承包商工人需要经过专门技术培训的工人需要经过专门技术培训的工人对驳船操作工人进行监管技术标准NFA标准DIN标准DNV标准有有有有有无有有有三、深水区管段热缩套技术的进步在深水区，业主和承包商合作探索一种独特的现场补口技术方案。要求补口防腐层成本效益好，具有必要的防腐性能和机械强度，适合与干线管道加厚型聚丙烯防腐层配套使用。此外，这样的补口技术应当能够适应四节管的连接方式和J法铺管作业要求。虽然已经证明注塑成型的聚丙烯补口技术是可行的，但是，还有一些影响因素使这项技术对四节管连接方式和J法铺管作业缺乏吸引力。为此，提议采用6 mm厚的聚丙烯热缩套技术，作为可能的替代方案，使整个补口部位（包括在焊缝区）达到所需要的超过4.5 mm厚的防腐层。以前从没有生产过这样厚的聚丙烯热缩套。通常S法铺管和J法铺管常用热缩套厚度只有1.7 mm至3.0 mm，现在要用厚度6 mm的聚丙烯热缩套，相当于常用热缩套厚度的一倍。增加厚度意味着需要延长热缩套的安装时间，增加加热收缩时间和后冷却时间。为确保加厚的聚丙烯热缩套能够在规定作业时间内容易完成安装，需要对产品关键性能和施工方法加以研究。聚丙烯热缩套安装后，应当符合DNV RP-F102现场补口推荐实用标准用于设计温度100的2-B补口材料数据表的技术要求。只有包括聚丙烯基膜（外层）、聚丙烯粘接剂（里层）的聚丙烯材料和100%固体分液体环氧底漆，才能够满足这些要求。企业内部的技术进步解决了关键的缩短施工安装时间的问题。不管是直接的还是间接的，补口部位的预热过程一般占用了现场补口作业总的安装时间中的大部分时间。更高的温度要求意味着热缩套需要更长的安装时间和更长的冷却时间。早期开发的GTS-PP聚丙烯热缩套系列产品，预热温度需要超过185。最新开发的新的GTS-PP聚丙烯热缩套系列产品，只需要最低160的预热温度。需要的预热温度降低了25，这是实现缩短聚丙烯热缩套现场安装施工时间的重大进步。较低的预热温度的另一技术优势是在现场补口作业期间，有效保护了干线管道防腐层。160的预热温度表明，GTS-PP聚丙烯热缩套系列产品是当今市场上所有聚丙烯类现场补口材料中，安装温度最低的产品。相比之下，聚丙烯火焰喷涂补口技术或者注塑成型聚丙烯补口技术都要求超过220的施工温度。在这样高的施工温度下，增加了工厂预制管道三层聚丙烯（3LPP）防腐层局部损伤的风险，特别是现场补口与管端截短的防腐层的搭接部位。经过七年时间的开发研究，现在GTS-PP聚丙烯热缩套系列产品已经明显降低了这样损伤防腐层的风险。热缩套的安装依靠补口部位预热剩余的热量和热缩套收缩过程输入的热量。这样的热量熔化了粘接剂，热缩套收缩过程产生的环向应力将粘接剂强力粘接到涂有环氧底漆的钢管和工厂预制管道三层聚丙烯（3LPP）防腐层上。采用感应加热技术容易将钢管加热，但是，三层聚丙烯（3LPP）防腐层依靠从钢管上传过来的热量，因此，三层聚丙烯（3LPP）防腐层表面相对温度低一些。安装6 mm厚的聚丙烯热缩套，要使热量传递穿过这样厚的热缩套，使界面上的粘接剂熔化确实是一项挑战，特别在温度较低的管道三层聚丙烯（3LPP）防腐层搭接部位。Canusa公司的工程师为此开发了一种新的热缩套安装工艺，在标准厚度的GTS-PP聚丙烯热缩套系列产品相同的安装时间内，在整个补口防腐层上施加均衡一致的粘合强度。这种正在申请专利的施工技术涉及改变三层聚丙烯（3LPP）防腐层搭接部位的几何形状以及独特的对中心技术，实践证明这种安装技术是解决这个加厚的聚丙烯热缩套安装问题的简单高效的方法。通常，热缩套做成片状，在铺管驳船上使用。与工厂预制的管套状热缩套相比，这样的片材热缩套可以降低材料运输成本，节约库房储存空间。总的说来，聚丙烯热缩套片材比聚乙烯热缩套硬，而6 mm厚的聚丙烯热缩套更硬了。所以，需要在65的电炉里预先调整聚丙烯热缩套片材，才能快速高效地将这些加厚的聚丙烯热缩套片材缠包在管子上。Canusa自动热缩套焊机是本项目中的又一大技术进步。图5 Canusa自动热缩套焊机正在现场加工管状聚乙烯热缩套安装前，在铺管驳船上将聚丙烯热缩套片材加工成管套热缩套，这样可以缩短现场补口安装时间。常用的塑料焊机通过加热加压，可以把聚丙烯热缩套片材加工成管套热缩套，但加工一个热缩套需要5 10分钟。铺管驳船上作业的时间限制迫使Canusa工程师有了新的突破。他们开发成新的塑料焊接技术，只需要30秒种就可以把一张聚丙烯热缩套片材加工成一个管套热缩套。设备设计上的重大改进提高了塑料焊机的加热能力，同时减小了设备的体积，减轻了设备的重量。通过与施工承包商的密切合作，设计开发成功的高效塑料焊机体积很小，特别适合在铺管驳船狭小的空间里安全使用，四、质量预评价程序和试验（PQT）产品经过好几个月的开发和施工技术的改进，对产品的安装应用组织了质量预评价和性能试验（PQT）。项目用的两根12 m长的610 mm管段接受了补口聚丙烯热缩套产品应用质量预评价。试验管段上模拟了许多现场管端截短的防腐层，并且按照技术规程准备了3 mm高的焊缝。按照技术规程，安装完成了GTS-PP聚丙烯热缩套补口，然后，提交第三方进行试验和验证。在补口聚丙烯热缩套产品应用质量预评价中，接受试验的产品包括：1） 用于S法铺管的安装在混凝土加重层（CWC）接头上的2.5 mm厚的标准型GTS-PP聚丙烯热缩套；2） 用于J法铺管的安装在四节管上的6.0 mm厚的加厚型GTS-PP聚丙烯热缩套；3）任何类型的三层聚丙烯（3LPP）管道防腐层的修补程序。表2列出了这些补口聚丙烯热缩套产品接受应用质量预评价的试验结果，所有样品都合格，性能指标高于技术规程的要求。有关各方都认为，这项质量预评价和性能试验（PQT）是成功的。业已证实，GTS-PP聚丙烯热缩套完全符合项目技术规范的性能要求。更重要的是，在铺管驳船的环境中，质量预评价和性能试验（PQT）过程中开发的评价程序是可以再现的，也是适合的。表2 GTS-PP聚丙烯热缩套补口试验室试验和质量预评价结果性能试验标准验收标准PQT试验结果评价漏涂点检测NACE RP0274在25kV为零零漏涂点合格在100与钢的附着力NFA 49-711 40牛/cm100 - 160牛/cm合格在100与3LPP附着力NFA 49-711 40牛/cm144 - 160牛/cm合格硬度ISO 868 60肖氏D65肖氏D合格23抗冲击性NFA 49-71140.5牛-m冲击零漏涂点零漏涂点合格在23抗压痕针入度NFA 49-711 0.10 mm0.0 mm合格在100抗压痕针入度NFA 49-711 1.0 mm0.375 mm合格6548小时的阴极剥离EN 12068附录K 7.0 mm 3.0 mm合格9548小时的阴极剥离EN 12068附录K 7.0 mm 3.0 mm合格图6 GTS-PP聚丙烯热缩套高温附着力试验这项质量预评价和性能试验（PQT）的重点是GTS-PP聚丙烯热缩套的安装施工技术，但是，也对照项目的技术要求，对产品性能进行了评价。对J法铺管过程中GTS-PP聚丙烯热缩套可能受到的机械作用力，进行了单独的试验评价。这项试验结果证实：1）管子处于直立位置时，安装完成的GTS-PP聚丙烯热缩套，能够承受铺管船设备夹紧热缩套时作用在热缩套上的荷载和压缩力。2）安装完成的GTS-PP聚丙烯热缩套，具有足够强的抗剪切作用能力，在这些作业过程中，能够限制任何滑动或者移动，包括在较高环境温度下。图7 在J法铺管船上直立安装的补口热缩套虽然这些发现和试验结果属于铺管承包商的专有资料，但是，GTS-PP聚丙烯热缩套确实已经进行了大量的试验，并且，证明其具有足够的强度，能够承受用四节管连接成的下到海床长度超过2100 m的管柱产生的极端作用力。传统的热缩套是无法承受这样高的机械作用力的。五、项目的实施Canusa公司为该项目三个深度不同的水域提供了全部补口热缩套材料、安装施工设备和技术监理服务。Canusa公司的工程师为承包商操作工进行了相应的技术培训，确保他们严格按照质量预评价和性能试验（PQT）过程中形成的安装技术标准进行施工。2008年3月，在西班牙的艾尔玛利亚港开始四节管的焊接与补口作业。系泊的S法铺管船上的流水生产线作为生产设施。Canusa公司的监理人员和技术专家指导操作人员严格按照聚丙烯热缩套安装程序施工。建立了两个补口作业工作站，每个6.0 mm厚的加厚型GTS-PP聚丙烯热缩套的目标安装时间为15分钟，实际安装时间缩短到8 10分钟，显著提高了工作效率。图8 GTS-PP聚丙烯热缩套的撕剥附着力试验到2008年5月末，大约完成了2500个四节管焊缝的聚丙烯热缩套补口安装，比计划时间大大提前。本项目的统计报告指出，由于现场补口作业而造成的停工时间只占全部停工时间的不到1%，主要是对损伤防腐层的修补而造成的停工。图9 从承包商铺管驳船的船尾安装支架卸下完成补口的四节管完成上述四节管的焊接和补口作业后，S法铺管驳船移动并开始在西班牙近海浅水区的铺管作业，然后完成阿尔及利亚近海浅水区的铺管作业。图10 S法铺管船上的流水生产线上已安装好的GTS-PP聚丙烯热缩套从2008年夏季开始在深水区用J法铺管船铺管，采用预先焊接成一体的四节管，这些四节管在铺管船上焊接后，采用GTS-PP聚丙烯热缩套完成补口作业，每天铺管长度可以超过3 km。到2008年10月末，完成了全部深水区的管道铺设。2008年12月23日，完成了距西班牙的艾尔玛利亚港大约1.6 km的最后两段管道的焊接和补口。这样，全长210 km的穿越地中海的24英寸天然气管道按期完成全线施工，可以按计划在2009年顺利投产。图11 已安装好GTS-PP聚丙烯热缩套的3LPP防腐管道正在下入地中海六、总结仅仅用了九个月时间，完成了富有挑战性的穿越地中海的24英寸三层聚丙烯（3 LPP）防腐管道的施工。整个施工过程中，全部补口作业非常顺利，没有发生任何事故。因为在项目开始前用了好几个月时间进行产品开发和试验，才取得这样的成功。特别是研发出新的加厚型聚丙烯热缩套，创新的施工设备和先进的施工技术。通过质量预评价和性能试验（PQT），形成了相应的施工技术规程，再通过操作人员的技术培训和现场严格的施工监理，确保工程在铺管驳船限定作业时间内，保质保量完成所有现场补口作业。承包商与产品供应商之间的密切合作也是本项目成功完成的重要原因之一。参考文献1. NFA-49-711, “French Standard for Steel Tubes Three-layer External Coating Based on Polypropylene Application by Extrusion”, Nov. 1992.2. EN 12068, “Cathodic Protection - External Organic Coatings for the Corrosion Protection of Buried or Immersed Steel Pipelines Used in Conjunction with Cathodic Protection - Tapes and Shrinkable Materials”, 1999.3. NACE RP0274, “Holiday Testing. Recommended Practice - High-VoltageElectrical Inspection of Pipeline Coatings Prior to Installation”, 1998.4. ISO 868, “Plastic Test Standard - Plastics and ebonite - Determination ofindentation hardness by means of a durometer (Shore hardness), 2003.5. DNV RP-F102, “Pipeline Field Joint Coating and Field Repair of LinepipeCoating”, 2003.6. 7. Gritis N., and Tailor D., “New Developments in Joint Protection Systems forPolypropylene Coated Pipelines”, BHR 14th International Conference on Pipeline Protection, 2001.8. Andrenacci A., Wong D., and Mordarski J., “New Developments in Joint Coating and Field Repair Technology”, NACE Corrosion 1998.9. Haimbl, J. and Geiser, J., “Polyethylene Coatings in Europe: a look back on 30 years of experience”, Prevention of Pipeline Corrosion Conference, October 1995.10. Hodgins W., “Key Success Factors in Field Joint Coating Applications”, 7th Annual Conference - Oil and Gas Pipelines in the Middle East, 2007.11. Roche M., “An Experience in offshore Pipeline Coatings”, NACE Corrosion 2004.12. Buchanan R., “Project: Medgaz”, World Pipelines, August 2008.13. Canusa-CPS, PQT Report for GTS-PP FJC Application Quadruple, Onshore & Slay Field Joints, December 2007.16