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中国海底管道工程技术及发展趋势

TIME: 2022-12-20

一、海底管道工程简介

当今世界,各国都把目光瞄向了海洋油气资源在海洋石油中的开发,而此类开发需要在海上建设各类采油平台、钻井以及油气资源的输送设施,而各国目前采用的都是以海底管线作为海洋油气资源的主要输送方式,因此,海底管道成为了海上油气田开发的重要组成部分,具有便捷、可靠、经济、高效等优点,并且是油和气的主要外输手段。

海底油气输送管道是指水位最高时,位于海面以下的那部分直径为20cm至lm的管道,是海上油气田开发中油气传输的主要方式,也称为海洋油气生产系统中的“生命线”。我国的海底油气管道是近20年发展起来的。据统计,我国于2005年建成的海底输油管道,总长度超过3000km,这项工程形成了具有中国近海特色的专有技术能力,而且使得工程技术人员基本掌握了百米水深以内的海底油气管道施工设计与技术。目前,中国海底管道总里程已超过9000km,其中,隶属于中国海洋石油集团有限公司(简称中国海油)的管道近8000km。中国海底管道约占全国油气管道总里程的5%,虽然占比不高,但其输送量接近全国油气总输量的25%。

国际上,海底管道起源于美国墨西哥湾,1954年全球首条海底管道建成。发展至今,海底管道实现了由浅滩海域到浅水,再向中深水、深水、超深水的跨越式发展。管道形式早期以钢管为主,随后向涵盖单层钢管、双层保温钢管、单层夹克保温钢管、内附合金钢管、子母绑扎管、挠性管道、粘接式非金属管、集束管等多种类型相结合的方式转变。根据使用位置和状态,海底管道又可分为海面漂浮式管道、水中立式管道、海底水平管道以及动态立管。目前,全球最深的海底管道铺设水深已超过2824m。

中国海底管道相关技术研究起步较晚,因技术封锁、装备落后等原因,海底管道工程行业发展受到极大限制。1973年,中国首条海底油气管道在山东黄岛成功铺设;1985年,中国首条海上平台间海底油气管道在埕北油田建成投产;1989年,中国在渤中28-1油田自主建设了首条海底管道,真正具备了海底管道的工程技术能力。近年来,随着中国自主研发力度加大、海洋油气田开发建设进程加快,中国已全面创建形成了海底管道工程体系。


海底管线按其使用目的可分为内部转运平台、管线和外部输管的水、连接管线或化学品运输管线等类型。海底管道的铺设状态包括三种形式:挖沟不埋管道、平铺在海床上的管道、挖沟浅埋管道。海底管道的运行状态除包括上述的铺设状态外,还包括因波浪或地形、海流的冲刷和淘蚀作用导致的悬空状态。我国目前研究的海底管道工程的内容主要有:管道施工技术、海底管道安全状态评估以及管道疲劳寿命分析评估。

目前,中国已自主掌握了海洋管道稠油与高凝原油长距离多相输送技术、恶劣海况及复杂地貌下海底油气管道设计技术、海底管道高效安装技术、海底管道事故应急处置及维保技术在内的系列核心关键技术,并建立了较为完善的工程装备体系,有效解决了中国海洋稠油及高凝油多相混输,恶劣海况及复杂地质下的海底管道设计、安装、维抢修等系列重大难题,建成了渤海、东海、南海海洋油气管网,支撑了中国“海上大庆”建设。

二、海底管道铺设方法

⒈铺管船法

⑴拖管法

拖管法一般都会应用在近海浅水区海底管道的铺设。拖管法中的管道一般在陆上组装场地或在浅水避风水域中的铺管船上组装成规定的长度,然后用起吊装置将管道吊到发送轨道上,再绑上拖管头进而浮筒,用拖船把管道拖下水,按预定的航线将管道就位、下沉,最后再将各段管道对接,完成管道铺设全过程。目前,拖管法已经有四种方式:浮拖、水面下拖行、离底拖和底拖。

①浮拖。浮拖主要应用于海面风浪较小的海域,指的是利用浮筒来调节管道浮力使其漂浮在水面上,然后用大马力主拖轮牵引管道首端沿既定路线航行,尾拖轮牵引管道尾端控制其横向漂移以保证管道安全。它受海水流速、管道尺寸、拖轮大小等因素限制,每次浮拖的管道长度在几百米到几千米范围内不等。

③水面下拖行。水面下拖行与浮拖法有些相似,只是将管道位置调整到水面下一定深度进行拖行。而且它的水面下拖行的管道会受到波浪和风等环境荷载的直接作用较小,管道更安全。

③离底拖。离底拖指利用拖链和浮筒将管道悬浮在海床以上的一定高度,再由水面拖轮牵引前进,这样避开了海底障碍和地形起伏,又减小了海面风浪的影响,所以这种方法的适用范围比较广。

④底拖。在底拖中,管道直接放置在海底,由水面拖轮牵引至安放场地。这种施工方相对比较简单,但是它也会受海床土壤类型和海底地形起伏的影响,需要的拖轮马力比较大,管道长度和拖航距离也较短,一般只在海底平坦的海域应用,具体方法如下图1所示。

图1 底拖法铺管示意图

⑵S型铺管法

目前海底管道铺设技术中应用最多的方法就是S型铺管法,这种方法一般要安排艘起抛锚拖轮或者多艘起抛锚拖轮来支持铺管,工程在展开之前,需将一个锚定位在海床上,然后将锚缆引过托管架并系到第一根管子的端口,通过托管架的支撑,它会自然的弯曲成“S”型曲线。如图2所示。根据受力点的不同,可分为三个区域,即上弯段、中间段、下弯段。上弯段一般是从铺管船上的张紧器开始向下延伸到管道脱离托管架支撑为止;下弯段是从拐点到管线在海床泥面的着地点这段区域;中间段一般较短,即上弯段和下弯段之间的部分。目前,S型铺管技术可使用多条作业线进行管线预制,需要一个托管架,具有多个焊接站,随着水深的增加,托管架长度会增加、张力也会增大,但它的稳定性会减弱、风险也会增加。

图2 S型铺管法示意图

⑶J型铺管法

为了适应铺管水深的不断增加,20世纪80年代以来J型铺管法发展了起来,它是进行深水和超深水的种海底管道铺设的最适合方法。现阶段,J型铺管法主要有2种类型:即钻井船J型铺管法和带倾斜滑道的J型铺管法。在铺设过程中,通过借助调节托管架的管道和倾角承受的张力来改善悬空管道的受力状态,达到安全施工的目的,如图3所示。

图3 J型铺管法示意图

⑷卷管式铺管法

卷管式铺管法铺设效率高、费用低,是一种在陆地预制场地将管道接长,卷在专用滚筒上,然后送到海上进行铺设的方法。它的工程风险小,可以连续性铺设。由于受铺管船尺寸和滚筒直径的限制,卷管式铺管法适用柔性好的小直径管道,适合于深水区域的管道铺设。卷管法中用的滚筒的放置方法一般有有水平放置和竖直放置两种,为减小管道卷绕后的塑性变形滚筒直径一般比较大。如图4所示。

图4 卷管式铺管法示意图

⒉拖拉法铺管技术

陆上拖管法分为接管拖管法和弃管拖管法两种。接管拖管法指铺管船在管轴线上就位,然后将陆地绞车拖拉索具的一端送上铺管船,使其与管道拖拉头相接,再利用铺管船上的工程线接管,陆地用绞车拖管接一根拖一节,然后逐渐将管道拖向登陆点;弃管法指的是在铺管船就位后先做一段正常的铺管,等其达到设计管段的长度之后再弃管。陆地绞车往岸边拖管,铺管船绞车随即放缆、当管道的末端即将到达原铺管船初始位置时应停止拖拉,铺管船开始向回移船,并收起管道末端继续接管、再弃管、再接管,用此方法完成管道的登陆铺设。如图5所示。

图5 海底管线拖航示意图

⒊浮游法

浮游法铺管是指管道在浅水避风水域的铺管船上或者在路上完成管线连接。采用浮筒使管线漂浮在水面上,由工程船将管线拖拉到管线设计路由处,解除浮筒使管线下沉到海底的铺管方法。这种铺设方法会受海面波浪的影响,为了能够控制漂浮的管道,还需要一条牵制拖船,采用水面或者近水面浮游铺设管道的方法容易受到水面情况的影响,从而对海上交通产生影响。

稳定性是海底管道设计的关键问题之一,据统计,随着近几十年全球能源需求的不断增加和技术的进步,海洋油气也在不断向深水开发,就1996-2006年间所采用的主要深水铺管工程方法来看,在总共的64个项目之中,有32个项目采用了S型铺管法,占占总数的5000,J型铺管法在项目中的采用占58% ,这些数据充分表明,到目前为止S型铺管法仍然是海地管道铺设技术中最主要的深水铺管方式,而随着近几年海底铺管设备和铺设技术的不断进步,S型铺管法的铺设水深也在不断地增加之中。

三、中国海底管道行业发展历程

⒈发展阶段

中国海底管道行业发展历程可分为以下5个阶段。

⑴萌芽期(1965—1980年):土法上马,探索下海。以陆上技术和装备力量为班底向海洋迈进。通过自力更生,不断学习、试验,首次实现了由陆上到海上、岸基-船舶-滩海的突破。浅滩海域浮游法安装技术首次成功应用。

⑵成长期(1980—1989年):对外合作,学习借鉴。采用国际标准,依托中日、中法等对外合作油田开发,突破浅水海域海底管道内部承压、外部抗腐蚀、防水密封、抵御风波流环境等技术挑战,海底管道工程技术取得重要进展和突破,实现了浅水海域的管道油气集输、结构安全。工程设计水深为0~30m。

⑶发展期(1990—2006年):自主建设,全面提升。海底管道工程设计、安装、维修能力持续提升,充分发展了浅水海底管道技术,并初步构建了适应中国环境及地质特征的海底管道工程体系,实现了多重、复杂管输介质的海底安全集输。实现了一百余条、累计里程约3000km的海底管道工程建设,工程设计水深为0~150m。

⑷开拓期(2006—2014年):逐步摆脱对外依赖,实现多元化发展。技术及装备能力得到跨越式提升,中深水、深水海域海底管道在位、稳性、铺设、吊装、预调试系列工程技术取得突破。完整建立了300m以内水深的海底管道工程装备体系。突破了深水海底管道抗高静水压、途经沟壑、抵御高强度疲劳荷载、深水流动保障等重大技术挑战,成功建成“海上大庆”。初步具备1500m深水工程技术能力储备,实现了包括钢质海管、内覆合金管、子母绑扎管、挠性管在内的多元化工程建设。

⑸跨越期(2014年以后):中国广泛参与国际领域的海底管道工程市场竞争。建成集设计、建造、安装、维修于一体的深水海底管道工程技术及装备体系,持续完善中国浅水、中深水海底管道工程技术体系。全面具备1500m超深水油气管道自主建设工程技术能力,建成“深海一号”大气田并成功投产(图6),技术及装备能力总体达到国际先进水平。

图6 “深海一号”能源站及深水立管模型图

⒉国产化进程

1989年,中国在渤中28-1油田自主建设了首条1.6km长、管径6in(1in=2.54cm)的混输海底管道,加快了海底管道工程、技术、材料、装备的自主化与国产化进程。1992年,在锦州20-2油气田建成中国首条管长48.6km、管径12in的长距离油气水混输海底管道。同年,中国首条管径2in/8in、管长10.3km的绑扎式“子母管”海底管道在锦州20-2油气田成功投产。1995年,在崖城13-1气田建成管径28in、全长778km的天然气输送海底管道,其管道长度属中国之最。1998年,中国最长距离多相混输海底管道在平湖油气田建成投产,海底管道管径14in、全长366km。

2001年,在绥中36-1油气田建成全长70km、管径20in的中国首条长距离稠油混输海底管道,这也是全球最长的稠油混输海底管道。2006年,中国首条国产化无缝海底管道建成投产。2007年,在文昌油田群首条高频电阻焊海底管道实现国产化,在番禺/惠州油气田建成首条国产埋弧焊海底油气管道。2009年,中国首条管径10in、管长33.5km的集肤效应电伴热混输海底管道在渤南油气田投产使用。2010年,中国首条管径6in、管长4.2km的国产化挠性海洋软管在涠洲6-8油田建成投产。2013年,在崖城13-4油气田成功建成了中国首条管径6in、管长22.5km的内覆耐蚀合金海底管道。2014年,中国最大高差的高压大管径长输深水海底管道在荔湾3-1油气田建成投产,其管径22in、管长79km、最大设计高差达1409m。2019年,在东方13-2油气田建成中国自主铺设的距离最长的海底管道,管径24in、管长195km。2021年,中国首个超深水海洋立管在深海一号大气田投产,管径10in,最大水深1463m。同时,在该油田建成中国最大水深的海底管道,管径8in、管长4.5km,最大作业水深1542m。目前,中国已实现了主要类型海底管道的自主建设。

四、海底管道工程技术体系及发展趋势

⒈工程技术体系

海底管道工程技术体系主要包括油气集输与腐蚀控制技术、海底管道结构设计技术、安装技术、维抢修保障技术。

近年来,中国海底管道油气集输与腐蚀控制技术在理论研究、技术研发、工程应用方面取得重大进展。海底管道稠油、高凝油长距离多相混输技术取得创新与突破,加降黏减阻剂的稠油混输管道工艺设计方法在海上稠油输送中得到应用(图7),摩阻计算误差从107%降至4%,实际输送距离延长1倍,使大批离岸较远的油田得以开发,累计产油1.08×108m3;建立了高凝油混输管道流动安全保障技术体系,解决了31个边际油气田依托及区域滚动开发难题,累计产油超过5006×104t;提出内覆耐多相流腐蚀合金管与碳钢管S形铺管法整体安装技术,并成功建成投产,成本节省了16.2%。

图7 稠油混输管道轴向与周向油水分布变化示意图

恶劣海况及灾害地质下海底管道结构设计技术取得关键突破,“波流-管道-土壤”复杂流固耦合分析理论得到进一步发展(图8),斜坡海床海底管道稳定性设计技术等一系列新技术成功开发应用。在南海荔湾气田开发中,提出强急流环境下海底管道跨越冲刷分析及抑制方法,破解了大斜坡海底管道稳定性设计与冲刷抑制难题,突破了海底大陆架陡坡管道建设禁区,支撑了油气田开发由浅海至深海的拓展,解决了恶劣环境下管道结构安全及完整性的技术难题。

图8 波流联合作用下海底管道跨越冲刷分析模型图

通过20余年的持续开发与建设,创建形成了中国海底油气管道安装技术及工程装备体系。开发形成基于动力定位船、锚系船等多种类型的海底管道铺设技术,研制了海洋石油201船、海洋石油286船等系列化的大型专用工程施工船舶及装备,并组合形成行业工程体系。在平北黄岩油气田的滚动开发项目中,提出深水背负式绑扎管道铺设技术,发明了双管铺设专用管卡及自适应扭转抑制装置并成功实现了工程应用。目前,中国千米级水深管道就位精度达到0.3%,已实现了海管铺设水深从300m至1500m的重大突破(图9),形成了中国全海域海底管道铺设能力。

图9 深水高精度海底管道铺设模型图

中国海底油气管道事故应急处置及维保体系得到全面建设与完善,大深度海底挖掘机、重力式常压干式舱等用于事故处置、维修、保护的系列创新发明装备面世并成功应用,海底管道水下维修等系列国家工法与标准体系已经构建形成。在渤海跨航道海底管道不停产施工中,解决了硬质海床条件下在役管道整体下卧4.5m的技术难题,使跨航道海底管道得到有效保护(图10)。有效攻克了泄漏海底管道应急封堵、水下湿式不停产抢修、中深水犁式挖沟等关键技术和装备,并得到工程应用,实现了中国全海域海底管道事故的快速处置。近10年来,中国已成功处置各类海底管道受损事故31起,有效保护了海洋生态环境。

图10 跨航道在役管道不停产整体下卧施工模型图

⒉工程技术发展趋势

目前,中国海底管道工程技术及装备体系距离国际领先水平仍有较大差距,尚不能完全满足国内外海上油气田的开发要求。尤其是超深水立管工程技术、大型施工设备机具、核心材料等领域,仍存在显著短板,需进一步突破和发展,实现全面自主掌握和技术赶超,为加快推进中国南海远海、超深水油气田开发夯实基础。

⑴超深水海底管道工程技术

水下集输处理、水下增压、水下分离与流动控制、流动安全保障等超深水流动安全保障技术仍需进一步发展与深化,并实现工程应用。超深水立管结构工程技术也亟需全面掌握,包括深水立管抗疲劳设计、安装动态分析、在役检测及安全评估、维抢修等技术的自主攻关与能力提升等。

⑵深水海底管道施工装备体系

中国目前已具有动力定位S形铺管船、锚系S形铺管船、柔性管道铺管船、潜水支持船(DSV)、水下机器人(ROV)喷射式挖沟机、犁式挖沟机等百余台套海底管道工程大型作业装备和机具,但相关设备及装备能力无法完全适应深水油气田开发要求,其装备能力需进一步升级。此外,在J-lay铺管船、Reel-lay铺管船、深水海底管道应急湿式回收装置等大型装备与工机具方面仍有待进一步攻克关键技术,实现相关工程装备、工机具的研制与配套应用。

⑶关键核心材料研发与性能提升

受限于基础研究和工业化领域的技术短板,中国关键核心材料性能相比国际领先水平仍有较大差距。具体到海底管道行业,需进一步加强对外合作,加大研发投入与技术攻关力度,实现钢管管材、焊材、关键结构材料、挠性海洋软管关键部件国产材料性能的全面持续提升,从而更好匹配超深水、恶劣环境、复杂工况及荷载作用下的使用要求。

五、结语

近年来,我国对海洋石油开采的投资在大幅增加,而我国海洋石油开采和勘探工业也在迅速发展当中,这为我国海底管道工程创造了良好的发展前景和机遇。海底管道是海上油气田开发的必然选择,全面自主掌握各类型式的海底管道设计、建造、安装、维抢修、弃置回收技术,并开展配套技术及装备的国产化研究,形成具有自主知识产权的工程能力,对于全面推进中国海洋油气田开发建设具有重大意义。

目前,中国已突破稠油及高凝油长距离多相混输、复杂海底地质和恶劣海洋环境下设计与施工、海上油气管道事故应急处置等重大挑战,建立了相对完整的海底管道工程技术与装备体系,实现了海底管道铺设水深从300m至1500m的重大突破,形成了中国全海域海底管道工程能力和产业体系,促进了中国海上油气田规模开发,相关技术及装备能力达到国际同等水平。


【文章转载于微信公众号-溪流之海洋人生 2022-11-17发布】




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