在役海管立管腐蚀缺陷修复技术及质量控制措施

（1. 中海油（天津）管道工程技术有限公司，天津 300450；

2. 中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津  300459；

3.天津市海底管道重点实验室，天津 300450；

4.海油发展海底管道安全服役保障技术重点实验室，天津  300450）

摘要：针对带护管的海管立管，在工程设计阶段，为防护船舶及海冰对海管的破坏，在海管立管外侧增加了护管保护措施。因此，在海管与护管之间形成了环形空间，研究表明，环形空间内的金属管壁电化学保护效果不佳，导致立管外壁腐蚀加剧的问题。本文根据环形空间的位置和特点，筛选出具有独特性能的填充材料，完成陆地模拟试验后，开展成海上立管环空的修复作业，检测结果表明，改填充材料抗压强度大，附着力高，能够满足环形空间腐蚀缺陷的修复作业。

关键词： 海洋立管；环空腐蚀；修复技术

中图分类号：TE98  文献标识码：A

0  引言

渤海油田有数百条海底管道，负责提供海上采油平台之间以及和陆地终端的油气输送，当海底管道需要登陆采油平台时，通常采用立管的形式与采油平台连接，立管与海平面接近垂直，立管高度依据水深几十米不等。在早期立管的设计中，为避免日常船舶以及冬季冰层的撞击，在立管外部设计一护管结构，护管下部开口，护管和立管形成了环形空间。某海上油气生产设施的注水海管的立管段发生泄漏，经失效分析后发现，泄漏的主要原因^[1-3]是立管和套管存在环形空间，导致失效部位长期处于海洋大气环境，阴极防护起不到防护作用，腐蚀速率加快^[4]。为解决此类问题，保证海管的输送安全，需要对环空空间进行密封处理，，从根本上解决此类结构腐蚀泄漏的风险。

1  环空修复方案设计

环空修复作业难点分析和应对方案：目前，还没有针对这种狭小环空结构的填充材料标准也没有试验标准和工艺标准，依据设计要求，对填充材料和试验标准提出了技术指标。现阶段常采用水泥砂浆对环形空间进行填充，但水泥砂浆养护时间长，养护过程中如受到交变温差或外力作用，极易会导致失效，同时水泥砂浆密度较大，对立管整体重力载荷增大，影响立管受力分布^[5-6]。依据立管环空的特点，填充材料要能够快速固化及具有强疏水性能，同时要与金属本体具有良好的粘接性，同时要适应输送介质温度、承受风浪流和冰载荷的要求^[7-9]。

在役海洋立管环空腐蚀修复要在不停产的情况下，对环空进行清理，清除立管外壁和护管内壁的腐蚀产物，以保证填充材料与金属本体的良好的结合。对表面清理质量可控^[10]。

针对上述难点进行分析，提出解决方案和对策。

1.1 填充材料的选择

目前，还没有针对这种狭小环空结构的填充材料标准，为了筛选出满足项目技术要求的封堵材料，对拟采用的填充材料样品按照可流动时间、固化时间、内部最高反应温度、发泡倍数、抗压强度、表面附着力的顺序，采用“逐步筛选法”进行分析试验^[11]，即有一项不达标者即排除该产品，最终筛选出NPU-1300增强型聚氨酯材料。

1.2 环空表面清理装置的设计

清理装置的安装，首先在护管上部沿径向对称冷切割两个窗口（300mm×300mm），安装清理装置，清理装置通过吊耳由甲板卷扬机控制，通过安装在环形外齿轮内壁的弹簧式万向滚珠，实现在环形空间上下移动，通过驱动气动马达，带动环形底盘，实现在环空的周向转动。

在环形底盘上设有沿着竖直贯穿的喷砂管，在喷砂管底部装有喷砂头，喷砂头采用直管散砂头结构，以保证磨料可以向四周均匀喷射。在环形底盘上设有微型摄像头，微型摄像头通过支架安装在环形底盘的顶壁上。微型摄像头在环形底盘带动下能够转动对准立管内管外壁和套管的护管内壁设置。可有效减轻喷砂对微型摄像头的磨损，也便于对喷砂处理后的立管内管外壁和护管内壁表面观察。针对空间狭小，选择采用双向短焦距的广角摄像头，可以检查立管内管和护管之间形成的环形空间的内外表面，并获得视频画面。

2  模拟实验

2.1 模拟试验装置的搭建

在进行海上实际修复作业前，需先进行陆地模拟试验。模拟实验立管6米，斜度比例1：10，底部配备海水池，海管立管和护管之间的环形空间可以进入海水池，按照海上平台实际工况模拟实验，设计制作，并安装。将圆钢板内部画出同心直径219.1mm的圆形标记，将内管与标记对应焊接在一起；内管穿入外管中，外管边缘顶靠已焊在内管上的圆钢板外沿，焊接固定；将三组支撑脚分别间隔120°焊接在外管外壁上，保证支撑脚底部与内管的下部探出端面平齐；将焊接完成的部分，圆钢板朝上，支撑脚朝下，放置在方钢板正中，将支撑脚的底端与方钢板焊接固定；模拟试验立管搭建完成。

2.2 模拟试验的效果评价

为验证在役海底管道立管腐蚀缺陷修复技术使用效果，对模拟实验的灌浆立管进行了剪切强度试验，补强性能试验，弯曲试验。

2.2.1 剪切强度试验

将灌浆管切割成短节，尺寸为内管长250mm，外管长200mm，在万能试验机进行滑脱试验，推脱速率5mm/min，计算剪切强度。

2.2.2 补强性能试验

为验证填充材料的的补强性能，进行水压爆破试验。在2根5m长的内管外壁上制作80%深度的缺陷，缺陷打磨面积为110mm×55mm，其中一个内管于外管组合模拟立管装置，并在环空灌入修复材料，另一个内管单独做水压爆破试验。制作堵头将管段两端封住，在管件上焊接进出口及排气口，按照SY/5992-2012进行水压爆破试验，测试内管的爆破压力。试验表明，未经补强的带缺陷的内管爆破压力为41.8MPa，经灌浆修复后，爆破压力为55.8MPa，试验结果表明，此立管修复技术有较强的补强作用。

2.2.3 弯曲试验

为验证灌注材料的抗弯曲性能，进行弯曲试验。截取灌浆完成后复合管件2.5m，包含封隔器部分，取同规格的钢管将管件焊接接长至14.5m，安装至静态弯曲实验设备，钢管两端固定，在距离管端3m处立管外部焊接长度为0.475m的套袖，对套袖加载300kN的力，对弯曲试验后的灌浆管段进行滑脱试验^[12]。试验表明，弯曲试验没有影响填充材料的剪切性能。

3  海上修复作业实施

3.1 表面清理

在立管的套管上通过冷切割的方式对开两个作业口，窗口纵向300mm，横向300mm，不破坏整体结构，通过作业窗口，在环形空间内组装清理装置，在作业口上方安装固定滑轮，将牵引绳穿过滑轮，清理装置通过卷扬机实现上下移动，通过视频装置观察环空内部腐蚀情况。接入平台气源，气动马达驱动清理装置底盘，带动喷砂头匀速往复旋转，对环空表面进行清理。同时采用视频系统观察清理效果，表面应达到St2.0级。

3.2 封堵作业

立管环空清理完成后，需要对环空底部进行封堵，保证灌注填料的成型完整性。先组装环空封堵单元的承托结构，承托结构采用两个半圆形结构，在环空内组装成环形结构，将牵引主绳通过副绳与承托结构相连，将封堵气囊呈环状放置于承托结构上，气囊气嘴与供气管相连；启动绞车释放牵引绳，封堵气囊随承托结构向下移动，当承托结构移动到指定位置后，对气囊进行充气。当气囊气压达到0.25MPa时停止，拉动副绳的解脱端，使主绳与承托架分离，控制绞车回收主绳。随后安装搭载平台，搭载平台采用瓣型设计，在环形空间内组装，搭载平台携带摄像头和封堵胶管，下放到封堵气囊位置，按照1:4比例配置8L封堵胶，加热至60℃，加入灌注机，启动灌注机向气囊上部释放封堵胶，视频检查封堵胶的流平情况，灌注完成后回收灌注装置。

3.3 灌注作业

湿润灌注管线，防止灌注过程中发生冷隔卡堵现象，设备和管线采用快速接头连接，采用两台搅拌机作业。首先在一台搅拌机内搅拌放入200kg材料，然后加入30kg纯净水进行搅拌，搅拌时间不少于4min，再加入10kg纯净水进行搅拌，搅拌均匀后泵入管路系统，完成润滑整个管路系统和灌浆空间，湿润管线用料量为150—200kg/环空。在湿润工作开始后，进行灌浆料准备，持续泵送浆料至浆料从环形灌浆空间的末端溢出，经确认环空空间充满浆料后，停止泵送，控制绞车以100m/min速度提升排料管口^[13-14]。

3.4 质量控制

现场质量控制人员要依据用水量和搅拌时间制作试块。用以抗压强度检测。试块委托独立的第三方实验室开展，试块制作后保存在20℃水箱内，在48小时后脱模并标记，试块在20℃情况下保存28天后，开展实验室测试，28天抗压强度98～111.7Mpa，材料的力学性能指标超出设计提出的技术要求。

4  结论

（1）成功实施了立管环空腐蚀的修复任务，所选择的填充材料能够满足附着力和抗压强度的要求，所研发的环空表面处置装置能够满足环空表面的处理，所设计的海上施工工艺能够满足海上实际工况的应用。（2）筛选出的填充材料还可以对海上其他的狭小空间造成的缝隙腐蚀进行修复。（3）所涉及的环空表面清理装置对立管管径和环空尺寸有一定要求，对管径和环空尺寸差距较大的情况，还需对清理设备进行改造和升级。

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