海底管道膨胀弯角度偏差原因分析和解决措施

海底管道膨胀弯角度偏差原因分析和解决措施于银海【摘 要】海底管道膨胀弯安装是新铺设海底管道施工的重要组成部分,针对 20132016年中国海油在渤海海域铺设的54条海底管道的113 套膨胀弯在施工 过程中发生实际角度与设计角度偏差影响施工效率和安装质量的问题,运用统计的 方法进行了分析研究,初步掌握了膨胀弯实际角度偏差发生的频率,介绍了立管安装 角度偏差、导管架安装方位偏差、水平管道铺设精度偏差、弯管角度制造偏差和膨 胀弯预制偏差等主要造成膨胀弯角度偏差的影响因素,并提出了必要的预防措施.对 已经发生的膨胀弯实际角度与设计数据偏差项目,根据引起角度偏差的因素,提出了 焊口修正、旋转立管、搬移平管和切割弯管等有效的解决方法.期刊名称】油气田地面工程年(卷),期】2018(037)010【总页数】5页(P55-59) 【关键词】 海底管道;膨胀弯;角度偏差;控制措施;解决方案【作 者】 于银海【作者单位】 海洋石油工程股份有限公司【正文语种】 中 文连接海上油气田海底管道水平段和立管的弯管称作膨胀弯，随着国产海底管道法兰加工技术的不断提升和成熟，法兰连接的膨胀弯1-3基本取代了以往与立管焊接 在一起的整体立管膨胀弯4的结构形式，大大地降低了施工难度，提高了立管的 安装精度。但由此使得膨胀弯安装工作全部转入水下，在浅水区施工效率受油田所 在海域平潮时间长短的影响较大。在施工过程中，一旦实际膨胀弯角度和尺寸与设 计数据出现较大偏差，将会很大程度上影响法兰对接工期和连接质量，更有甚者造 成现场施工待机，增加施工成本，而实际生产中近几年此种情况偶有发生。虽然马 超5对膨胀弯预制精度影响因素进行了分析，刘丰等6对膨胀弯安装质量控制措 施进行了总结和研究，提出了膨胀弯安装过程中存在的部分问题和解决建议，但对 造成膨胀弯角度偏差的影响因素、预防偏差的控制措施及发生偏差后的解决措施尚 无系统的研究和分析。本文对中国海油20132016年在渤海油气田安装的海底 管道膨胀实际弯角度与设计角度偏差的问题进行了分析研究，介绍了造成膨胀弯角 度偏差的多方面的影响因素，提出相应的预防措施和解决方案。1 海底管道膨胀弯角度偏差统计 据不完全统计，从20132016年中国海油在渤海海域铺设54条海底管道，包括 原油混输、天然气、注水等多种类型，与这些管道配套的113套膨胀弯在管道铺 设后进行安装，图1是20132016年中国海油在渤海海域安装的膨胀弯数量统 计。图1 20132016年中国海油渤海膨胀弯安装数量统计 据统计，这113套膨胀弯在安装过程中，大部分角度与设计数据保持在合理偏差 范围内，未对海上施工造成较大影响，但也存在着一定数量的膨胀弯角度偏差超出 了正常可控范围，图2示出113套膨胀弯实际角度与设计角度偏差占比。因膨胀 弯角度偏差，导致额外增加数十天的海上工期，提高了施工船舶成本。图2 20132016年膨胀弯实际角度与设计角度偏差占比 目前渤海油气田的海底管道膨胀弯尺寸的测量方式为基于法兰测量仪7的拉线测 量方法，测量精度可控制在 1范围内，实际操作过程中采用至少两次测量和复测， 基本上可以排除这种测量方式对膨胀弯真实角度的影响，膨胀实际角度偏差主要受 其他因素影响。2 海底管道膨胀弯角度偏差的影响因素2.1 立管安装角度偏差海底管道膨胀弯一端连接的是立管，立管是海底管道由水平方向向平台上部组块过 渡的桥梁，立管长度与油田所在海域水深有关，位于浅水区的立管短则不足 10 m， 在深水油田可达数百米。立管底部水平管段与导管架底部横拉筋之间的夹角在立管 设计阶段已经确定（图3所示p角），结合平管铺设的路由进行膨胀弯的路由和 形状设计，立管角度的偏差将在一定程度上导致膨胀弯角度和长度的变化。立管安 装根据其安装地点的不同可分为陆地预安装和海上安装。立管陆地预安装是指平台 导管架在陆地建造阶段，按照设计要求把立管预先安装在导管架结构相应部位上， 随导管架的海上安装达到最终状态。陆地预安装立管因处于导管架建造阶段，安装 精度相对容易控制，一般不会出现立管角度与设计数据差别较大现象，但小范围的 偏差较为常见，图 4 是渤海28 条陆地预安装立管初次安装的角度偏差区间占比统 计情况。统计发现立管水平管段与导管架底部横拉筋夹角为 90的情况下，初次安 装角度偏差全部在 2以内。图3立管水平段与水平横拉筋夹角示意图海上立管安装是指在导管架或其他形式的平台基础结构上，根据油田新增海管建设 需要安装立管结构，包括立管卡子和立管安装。受平台作业空间限制，以及立管主 体结构位于水面以下，立管的安装精度极难控制，尤其是在水下能见度较差的海域， 立管安装后的角度不易测量，导致角度偏差更为明显，多则达数十度，往往只能在 膨胀弯安装阶段，根据膨胀弯水下测量数据最终调整立管角度，对后续膨胀弯安装 工期和整体施工成本影响较大。图 4 陆地预安装立管初次安装角度偏差占比统计2.2 导管架安装方位偏差海洋平台导管架或其他基础结构在海上安装的最终方位，决定了预先安装在其结构 上的立管水平段的最终朝向，因此平台基础结构的安装方位与设计要求的偏差与否， 关系着连接平台立管和水平海管的膨胀弯的角度能否按照设计要求正常安装。在精 确的海洋测绘技术的支持下，海洋平台基础结构安装精度基本都能控制在合理范围 内，但在极个别情况下出现了较大偏差的情况，如渤海某油田单点系泊三腿导管架 安装方位角偏差达到9.66，导致最终立管水平段朝向角度随之变化，如此大的角 度偏差直接造成该单点处4条管线膨胀弯无法安装的情况，由此产生了现场施工 待机，如图5所示，虚线部分为膨胀弯设计路由，红色实线为膨胀弯起始段实际 路由。图5 某油田单点系泊导管架安装方位偏差导致膨胀弯路由变化示意图2.3 新铺水平管道弃置精度偏差海底管道膨胀弯另一端连接的是水平管道，水平管道由铺管船铺设到海底，其起始 端和终止端的铺设精度是影响膨胀弯尺寸和角度的另一重要因素。在精确导航定位 技术支持下，正常管道铺管船能够把海底管道铺设到设计路由区域内。但在个别管 道铺设过程中，根据铺管辅助船作业能力和主要施工负责人经验差异，如起始锚放 置精度出现较大偏差，会影响起始端膨胀弯路由。此外随着国内油气需求量持续加 大，海上油气田扩建工程快速增加，海上平台数量越来越多，在渤海湾某些油田中 心平台附近新建外挂平台或辅助平台，并使用栈桥连接相邻平台，新建海底管道铺 设过程中，因已有平台影响铺管船抛锚移船工作，导致需要在偏离设计路由较远的 距离把管道终止端下放到海底。如渤海中部某油田一条海底管道终止端铺设时，从 距终止点约300 m位置开始偏移设计路由，海管铺设终点距离原设计路由约90 m ，另一条海底管道终止点偏离设计点位约30 m ，对后续施工产生较大影响。2.4 弯管角度制造偏差连接海底管道立管和平管的膨胀弯是通过一个或多个弯管实现路由的短距离调整， 弯管角度的制造误差对最终预制的膨胀弯整体尺寸有着一定的影响。通常弯管制造 角度允许最大误差为0.58，但由于弯管热煨厂家未能采取有效的控制措施，个 别弯管角度偏差超出了允许范围，并且在验收阶段采用粗略式放样测量角度，不易 及时发现。例如位于渤海湾的某油田膨胀弯安装工程中，一条膨胀弯的弯管角度和 两端直管段长度(图6中的角度申和长度L1、L2 )均发生了误差，其中角度申 误差值达到了3，给现场施工带来了不小的麻烦。图6弯管示意图2.5 膨胀弯预制偏差 膨胀弯通常有多个焊口节点，在预制过程中，因在管道下料切割过程中产生的其端 部不均匀偏差会造成两段管道对接后直度发生变化，引起膨胀弯整体角度和尺寸与 设计数据的偏离。以10 in(1 in=25.4 mm )管道为例，一道焊口两端管道发生5 mm 的不均匀偏差即可造成超过 1的角度变化，且在管道对接过程中不易察觉， 若多个焊口发生偏差，可造成膨胀弯最终角度发生更大变化，增加最终水下安装工 作的困难。3预防措施及解决方案3.1 预防措施 针对影响海底管道膨胀弯角度的各项因素，在施工准备阶段进行预判，制定合理的 控制措施，跟踪前期流程中的相关环节，降低最终膨胀弯角度偏差发生的可能性， 从而减少施工难度，使后续施工高效顺利进行，节省工程工期和成本，主要采取的 预防措施有以下几个方面：(1) 对陆地随导管架建造预安装的立管，根据设计方位角度要求，对其下部水平 管方向进行复测，发现角度与设计存在偏差时及时调整，并在导管架海上安装阶段 精确控制导管架安装位置和方位，确保与设计要求相符，安装后编制详细的测绘报 （2）海上安装立管时，可在立管水面以上部分标记水平管段的方向，在立管安装 时作为参考，提升一次安装的准确率。（3）海底管道水平段铺设前，尤其是针对起始端和终止端铺设，需要根据海底管 道所处海域环境、平台方位设计合理的铺设方案，考虑各种因素的影响，计算起始 锚点距离、拖拉缆长度、海管终止端下放位置等，并制定精确导航定位方案，在海 管铺设过程中对管道的实际路由打点记录，发现偏差后及时调整，确保海管铺设精 度。（4）施工前对膨胀弯材料进行复核，特别是认真复测膨胀弯弯管的角度和两端直 管段的长度，根据管径对存在小范围偏差的进行标记和记录，以便调整海上预制方 案，对尺寸偏差较大的返厂重新加工，降低因材料引起的膨胀弯角度直接偏差的风 险。在膨胀弯海上预制阶段，对组对完成的膨胀弯进行角度和尺寸复测，一旦发生 偏差及时调整，确保膨胀弯预制的精度。3.2 解决方案 对于一些无法避免或者已经出现的膨胀弯角度偏差，需要根据角度偏差的大小和膨 胀弯所处的海域环境选取有利于解决偏差的措施，制定有效的方案，将其造成的影 响降到最低。3.2.1 焊口修正法 通过调整膨胀弯管道的焊口改变膨胀弯整体预制角度，是国内海底管道膨胀弯施工 过程中通常采取的简单而又有效的措施。一般而言，为降低海上预制的工作量，往 往在陆地提前对海底管道膨胀弯进行预制，通常每套膨胀弯的最后一节预留两道焊 口，以便在测量实际尺寸后用于调整整体尺寸和角度。根据DNV-OS-F1012013Submarine Pipeline Systems9要求，不允许通过一个线性焊口修正管道的角度超过3，因此膨胀弯最大修正角度应不超过6。膨胀弯实际角度测量 后，计算角度偏差数值，分配到某一个焊口（若角度偏差未超过3）或两个焊口 上，根据管道直径，在AUTO CAD图上模拟打磨区的大小，如图7所示，并以此 打磨焊口两侧管道，最后对接到一起，即在此焊口处形成一个与Y互补的角度， 同时膨胀弯整体角度也因此改变。图7焊口修正角度示意图3.2.2 旋转立管法 当膨胀弯角度偏差超过6后，特别是因立管角度偏差造成膨胀弯角度与设计偏离 的情况，采取旋转立管的方式调整膨胀弯角度较为容易，不需要投入特殊装备，只 需要在立管上部挂吊点或倒链，松开立管全部卡子螺栓，在立管水平管段上拴拖拽 缆，侧向拉动立管旋转特定角度。通常在立管和立管所在的导管架结构上选取两个 相对的点，如图8所示A和B点，根据所需要旋转的角度，计算立管外径对应的 弧长A点到 C点的距离，转动时当把C点转动到A点位置后，即达到了所需调整 的角度。图8旋转立管角度示意图3.2.3 搬移平管法 海底管道平管起始端或终止端与设计位置偏差较大时，特别是平管端部超出管道路 由海域使用许可范围时，造成膨胀弯尺寸和角度偏差较大，必须将平管搬移到设计 路径上，才能进行膨胀弯的安装工作。平管搬移需要在船舷一侧布置A型吊架， 提起平管端部，然后移动船舶将管道放置到设计路由上。此种方式需要进行特殊的 平管搬移计算和配套的A吊设备，工作量大，一定程度上影响施工整体效率，需 要提前准备。3.2.4 切割弯管修正角度 国际上许多油气工程公司针对海底管道膨胀弯实际角度与设计偏离，通常提前制作 90备用弯管，当膨胀弯角度与设计角度发生偏差后，根据实际角度需求，通过切 割备用弯管调整与之对接的管道方向达到调整膨胀弯角度的目的，如图 9 所示。 此种方式调整膨胀弯角度，施工较为简便，不需要增加施工设备和工艺，能够解决 任何因素造成的角度偏差，但是每套膨胀弯都要制作备用弯管，一定程度上增加了 施工材料成本。图9 切割弯管改变角度示意图4 结语针对中国海油20132016 年间在渤海油气田安装海底管道膨胀弯施工过程中出 现的膨胀弯实际角度与设计角度偏差从而导致施工工期增加的问题，分析了造成膨 胀弯角度偏差的原因，在此基础上提出相应的角度偏差预防和解决措施，为今后海 底管道膨胀弯安装施工和质量控制提供参考。近年来随着国内能源需求持续增加， 海上油气田建设规模不断加大，并逐渐向远海深水发展，海底管道铺设数量越来越 多，对膨胀弯安装过程中采取积极有效的角度偏差控制措施，将大大节省管道铺设 施工的整体工期，对降低油田建设投入成本，提高投资收益率具有重大意义。 参考文献【相关文献】1 刘贞飞，高原，陈晓明，等特制加强法兰在海管连接中的应用J.中国海洋平台，2015 , 30 （3）：77-802 栾涛，刘朋基于ABAQUS的海底管道膨胀弯法兰安装预紧分析J 油气田地面工程，2017 , 36（4）：4-73 隋海琛，王崇明，雷鹏基于EKF-SLAM算法的水下膨胀弯测量技术J.水道港口，2015 , 36（4）：362-3654 朱绍华海底管道工程中立管的安装方法J 中国海上油气（工程），1999 ,11 （ 3 ）:15- 17马超膨胀弯精确预制的探讨J 中国造船，2008,49 （增刊2 ）: 305-309 .6刘丰，柳斌提高海底管道膨胀弯安装一次合格率方法J 中国造船，2016 , 57 （增刊1）:305309 3、冷蓉 s 1 斤ffl山、2008、20 ( 5 二 342344 7田山郵廉曲酱崖飙冒莒涪嗾-SY、T 525720120 兰汕-、2013 二24 SDNV GL Submarine pipe=ne systems - DNV0SF10120133 Norway - NDV、 2013