Field Joint Coatings of Subsea Pipeline

王向农 编译

(中国石油工程建设协会管道设备保温与防护技术专业委员会)

摘要:

海洋石油工业的发展促进了海底管道施工技术的创新,作为海底管道防腐体系的重要组成部分,海底管道补口材料和施工技术近年都有很大发展。结合世界上已建的多项海底管道工程,本文叙述了海底管道补口用的防腐材料、保温材料、补口结构、施工工艺和专用施工机具等。

 

Abstract:

The innovative construction technology of subsea pipeline has been accelerated by the developing offshore oil industry. Field joint coating is an integrated part of subsea pipeline protection system. Recent years, both field joint coating materials and application technology of subsea pipeline has been developed substantially. With a number of constructed subsea pipeline projects, the paper describes the coating materials, thermal insulation materials, field joint coating structure, application process and special application machinery.

 

一、 欧洲的海底管道工程

随着海洋石油工业的发展,海底管道建设也取得了引人注目的成就。由于欧洲的地域能源经济特征,海底管道已经成为欧洲天然气管网的重要组成部分。

 

海底管道工程 穿越海域 管径与管道长度
Langeled“朗吉德”

海底天然气管道

从挪威到英国

穿越北海

管径42-44英寸

海底管道全长1165 km

Nord Stream “北溪”

海底天然气管道

从俄罗斯到德国

穿越波罗的海

两条管径48英寸平行管道

海底管道各长1220 km

South Stream “南溪”

海底天然气管道

从俄罗斯到塞尔维亚

穿越黑海

管径32英寸

海底管道长931 km

Green Stream“绿溪”

海底天然气管道

从利比亚到意大利

穿越地中海

管径32英寸

海底管道长516 km

Blue Stream “蓝溪”

海底天然气管道

从俄罗斯到土耳其

穿越黑海

两条管径24英寸平行管道

海底管道各长约396 km

Medgaz“梅嘎兹”

海底天然气管道

从阿尔及利亚到西班牙

穿越地中海

管径24英寸

海底管道长210 km

TAP“塔普”

海底天然气管道

从阿尔巴尼亚到意大利

穿越亚得里亚海

管径36英寸

海底管道长105 km

 

这些海底管道输送的天然气是经过脱水净化处理的“干气”, 输气温度不高,所以,管道外壁无需保温,根据海况条件,管道钢管采用3LPE或者3LPP外防腐层。

 

二、海底管道补口案例

欧洲长距离海底输气管道现场焊缝补口普遍选用聚乙烯或者聚丙烯热缩套。管道内壁不需要防腐层而只有减阻涂层,现场焊缝不需要内补口。

1.  Langeled朗吉德海底天然气管道

从挪威西海岸到英国东海岸,穿越英国北海,海底管线全长1156 km,管径42-44英寸,设计年输气252亿方。2005年开始铺管,2007年10月投产,是当时世界上最长的海底管道。

海底管道采用沥青外防腐层以及Bredero Shaw公司230mm厚的HeviCoat混凝土配重层。铺管船上焊接补口作业时,先用电动钢丝刷清理钢管表面,再用电感应加热线圈或者丙烷火炬预热约四分钟,然后安装Canusa的MIS 65聚乙烯热缩套,最好用填充材料填平空隙,使补口部分与混凝土配重层平齐。

 

 

2.  Blue Stream蓝溪海底天然气管道

从俄罗斯的Dzhubga穿越黑海到土耳其的萨姆松Samsun,两条24英寸平行铺设的海底天然气管道,间距5m–100 m,长度分别为389 km和382 km。

X65钢管壁厚31.8 mm,钢管外面是Bredero Shaw公司的三层聚丙烯防腐层,还有45 mm厚的混凝土配重层。

 

 

浅水区采用12.2 m的标准长度钢管,用S式铺管船铺管。现场焊缝用Canusa GPS-PP聚丙烯热缩套补口,最大厚度3.0 mm。补口作业时,采取感应加热,预热温度185℃,24英寸管道补口时间> 20分钟,然后用填充材料填补与混凝土配重层的厚度差。

黑海最大水深2150 m,水深超过380 m的深水区,在岸上将四根管子连接成48.8 m长的管柱,再用J式铺管船铺管。现场焊缝用Canusa注模成型聚丙烯补口,最大厚度5.0 mm。补口作业时,采取感应加热,预热温度230℃,24英寸管道补口时间8-10分钟。

3.  Medgaz梅嘎兹海底天然气管道

梅嘎兹天然气管道工程全长757 km,包括从阿尔及利亚南端最大的哈西鲁迈勒气田到北端Beni Saf港的547 km管径48英寸的陆上管道,然后穿越地中海,在西班牙的Almeria上岸,海底管道管径24英寸,长210 km,设计年输气80亿方天然气。2008年3月开始建设,2008年12月完成海底管段铺设,2011年3月完成全线建设,管道正式投产。

海底管道采用3LPP外防腐层,厚4.5 mm,外有混凝土配重层,在铺管船上用热缩套补口。浅水区水深不超过550 m,海底管道采用S-式铺管;中间深水区最深2160 m,海底管道采用J式铺管。

浅水海域和深水海域的海底管道现场焊缝都用Canusa的KLON & KLNN聚丙烯热缩套补口,选用6 mm厚的聚丙烯热缩片材,在铺管船上先在65℃电炉里预热调整,再用专用塑料焊机焊接,加工成一个热缩套只要30秒钟。安装后,用感应加热补火,改进后的热缩套补火温度从185℃下降到160℃,24英寸管道补口时间缩短为8分钟。铺管船上,每个焊缝补口都要接受严格的质量检查。

 

专用塑料焊机         撕剥附着力试验           高温附着力试验

4.  Nord Stream北溪海底天然气管道

北溪管道工程包括两条1220 km长平行的48英寸海底管道,从俄罗斯Vyborg港穿越波罗的海,在德国Greifswald上岸,是目前世界上已经建成的最长的海底管道,设计年输送能力550亿方天然气,设计寿命50年。2011年建成第一条管道,2012年建成第二条管道,均已投产。

北溪海底管道采用总厚度4.2 mm的3LPE外防腐层,外有混凝土配重层。在铺管船上现场完成焊接后,用大约2 mm厚的密度为900 kg/m3的聚乙烯热缩套补口。再用注模成型工艺,将双组份聚氨酯注入热缩套与钢板套之间的空隙,形成密度约160 kg/m3的聚氨酯泡沫保护层,填补两侧混凝土加重层形成的环形空间,使现场补口与干线管道混凝土配重层平齐。

 

 

三、 巴西近海盐层下油藏保温管道

2014年6月底,巴西国家石油公司在近海盐层下(pre-salt)油藏的日产量达到520万桶,这些油气藏离岸300 km,水深2000 m,盐层厚2000–5000 m。从盐层下碳酸盐岩油藏到水面FPSO浮式生产储油轮的距离大约5000–7000 m

在这些近海盐层下油藏,普通海底出油管道和外输管道选用3LPP聚丙烯外防腐层。高温海底出油管道和立管选用Socotherm的5LPP五层聚丙烯复合泡沫防腐保温管道,即FBE熔结环氧粉末防腐层,聚丙烯共聚粘结剂层,硬质聚丙烯层,玻璃微珠充填聚丙烯复合泡沫保温层,硬质聚丙烯外防护层。

 

 

采用5LPP聚丙烯保温的出油管线和立管,补口用IMPU注模成型聚氨酯或者IMPP注模成型聚丙烯,补口厚度 50-90 mm。采用3LPP聚丙烯外防腐的出油管线,补口用IMPU注模成型聚氨酯或者IMPP注模成型聚丙烯,补口厚度5-7 mm,最外层采用聚丙烯热缩套防护。采用3LPP聚丙烯外防腐的外输管线,补口用IMPU注模成型聚氨酯或者IMPP注模成型聚丙烯,补口厚度3-5 mm,最外层采用聚丙烯热缩套防护。

现场补口作业程序:

(1)表面处理:喷砂除锈达到Sa 2.5,锚纹粗糙度60–110μm,盐分污染度 < 2μg/cm2,灰尘污染度 < 2级;

(2)喷涂环氧粉末:用LAT低固化温度环氧粉末,感应加热充分均匀,自动化喷涂,控制涂层厚度均匀;

(3)注模成型聚氨酯IMPU:自动化操作,控制配比,检测保温层密度和固化后硬度,检测FBE与聚氨酯、3LPP与聚氨酯或 5LPP与聚氨酯的层间粘结力,抽样冲击试验和弯曲试验。

四、海底管道补口技术的挑战

1. 时间就是金钱

以一条100 km长的24英寸海底管道为例,按常规工艺,船上完成每个补口需要12分钟。采用改进工艺,船上完成每个补口需要8-10分钟,平均每个补口可节省2.5分钟。

100 km管道有约8500-10000个补口,采用改进工艺,海上补口作业一共节约341小时,即14天。若按每天船上作业费40万美元计算,完成100 km长的24英寸海底管道施工,从理论上讲,改进补口工艺就可以节省560万美元。

2. 铺管方式的特殊要求

目前,热缩套是海底管道使用最多的补口材料,由于海底管道铺管施工的特殊性,热缩套材料面临新的技术挑战:

◇ 超长的耐久性确保使用寿命50年

◇ 承受深海高压低温环境超强的机械强度

◇ J式铺管中抗超长管柱拉伸强度

◇ J式铺管中抗管夹强力挤压

◇ S式铺管中抗弯曲柔韧性

◇ S式铺管中抗托管架磨损

◇ 与干线管道PP/PE/FBE防腐层的相容性

◇ 与混凝土配重层的相容性

3. 补口材料的选择

(1)海底管道补口材料必须与管道钢管预制防腐层有同等优越的物理化学性能,并且,两者应有良好的相容性,才能构成一个完整的防腐体系。例如,Nord Stream北溪海底管道采用3LPE外防腐层,补口选择聚乙烯热缩套。Medgaz梅嘎兹海底管道采用3LPP外防腐层,补口选择聚丙烯热缩套。

(2)根据输送介质的温度和海况条件选择不同的补口材料。例如,根据东南亚某海底油井出油管道的温度分布曲线设计时,仅仅离井口500 m左右的管段补口需要选用聚丙烯热缩套,其余管段补口可以用聚乙烯热缩套。巴西近海盐层下油田出油管道采用5LPP防腐保温系统,补口用IMPP注模成型聚丙烯或IMPU注模成型聚氨酯。部分出油管道和外输管道采用3LPP外防腐,补口用IMPP或IMPU,最外层用聚丙烯热缩套。

 

 

东南亚出油管道温度分布曲线           巴西近海油田海底立管

 

4. 海底管道补口技术标准

DNV-RP F102-2011《管道现场补口与管道防腐层修补技术推荐标准》是目前世界上指导海底管道补口技术的行业标准,标准第7章对各种现场补口材料做出了明确的具体规定,强调管道现场补口的质量测试应当执行ISO 21809-3《油气管道补口技术标准》。

例如,第7.8节规定了采用环氧粉末防腐层和聚丙烯热缩套补口的具体技术要求。规定环氧粉末防腐层的最小厚度300μm,必须采用自动化喷涂。聚丙烯热缩套要接受65℃,24小时,-3.5V阴极剥离试验,允许最大剥离半径7 mm。热缩套要接受热水浸泡试验,允许最大2 mm剥离平均值和单点最大3 mm剥离值。

DNV-RP F102-2011标准第8章对补口部位填充材料,包括注模成型聚氨酯和聚丙烯泡沫材料以及它们的硬质填充材料,做出了具体规定。强调外表面的机械保护特性,防止S式铺管船托管架的磨损和拖网渔船的损伤等。

 

五、海底管道补口技术的研发动向

1. LAT低熔融涂敷温度环氧粉末

阿克苏诺贝尔公司研发的Resicoat R-726LAT低熔融涂敷温度环氧粉末,性能完全符合ISO 21809国际标准的要求,在维持环氧粉末涂料原有卓越的防腐性能基础上,使钢管预热温度从240℃降到180℃, 预热时间缩短40%。并且,适合铺管船现场机械化施工,已经在多项海底管道工程补口上应用。例如,2011年马来西亚716 km海底管道37000个补口,2012年与2013年澳大利亚300 km海底管道补口,2014年巴西200多公里海底管道补口。

 

防腐层性能 ISO标准要求 Resicoat R-726LAT
涂膜厚度 最小300μm 300–400μm
附着力,干23℃ ≤等级2 等级0(0 mm)
抗冲击强度 ≥1.5 J 1.5 J
抗阴极剥离

28天,23℃,-1.5V

24小时,65℃,-3.5V

28天,65℃,-1.5V

 

最大8 mm

最大8 mm

最大18 mm

 

4–7 mm

2–4 mm

6–10 mm

柔韧性 用户与施工方协商 -30℃/2.5°pd(CSA)

 

2. 自动化环氧粉末喷涂设备

美国Inductotherm公司研发了用于管道现场补口的自动化环氧粉末喷涂设备,采用可编程控制器控制的中频加热和粉末喷涂设备,能够满足8英寸至48英寸管径补口作业的需要。这种爪斗式机具的加热线圈与粉末喷涂嘴是可以互换的,依据管径,在55秒至137秒不等时间内,能够完成350μm厚度熔结环氧粉末的喷涂。

 

3. GTS-PP聚丙烯热缩套

Canusa公司针对海底管道补口的特殊要求,研发成功GTS-PP系列聚丙烯热缩套。在S式铺管船上,这些聚丙烯热缩套补口能够顺利通过船尾托管架。在J式铺管船上,防腐管段需要焊接成48 m长的四联管段。

Canusa公司对J式铺管过程中GTS-PP聚丙烯热缩套可能受到的机械作用力进行了专项试验评价,结果证实:

1)管柱处于直立位置时,热缩套能够承受铺管船设备夹紧时作用在热缩套上的荷载和压缩力;

2)铺管作业中,热缩套具有足够强的抗剪切能力,能够限制任何滑动或移动,即使环境温度比较高时,依然有良好的抗剪切性能;

3)四联管连接成下到海床的直立管柱长度超过2100 m ,热缩套具有足够的机械强度,能够承受这样长的管柱产生的极端作用力。

 

4.  IntelliCOAT智能型热缩套补口机

Canusa公司研发成功IntelliCOAT智能型热缩套补口机,实现一键操作,自动加热,适合管径4英寸至60英寸,热缩套最大宽度900 mm。

用标准柴油发电机作为现场电源,无明火方式补火,随管径大小自动调节供电功率。现场配备彩色显示屏,可编程控制,能够自动调节加热温度、强度、加热时间。

无论是纵向还是轴向,加热区遍布整个热缩套,从中央到两边,自动控制整个热缩过程。模块化设计方便维修更换。

封闭的加热机构设计,消除了刮风的影响,即使是恶劣的施工环境,照样能够高效率高质量完成每个现场补口,同时增强了操作工的劳动安全。

 

5. 注模成型专用聚氨酯

美国DOW道化学公司研发成功HYPERLAST FJ 760E注模成型保温层补口专用的双组分硬质聚氨酯保温材料,在120℃的高温下,在熔结环氧粉末FBE防腐涂层上注模成型。环氧粉末喷涂后无需长时间冷却就可以进行聚氨酯注模成型,极大提高了施工效率。用小型移动式标准塑料注模成型设备,可在很宽的配比范围内加工,重量容差仅为±2%

 

 

海底管道定型试验结果

样品编号 管径 补口预留部位 工厂预制涂层 现场补口
O4*  

8.625英寸

外径

FBE 6英寸(+1/-0英寸)

玻璃微珠增强聚氨酯GSPU 8.5英寸(+2/-0英寸)/15.5英寸(+2/-0英寸)

FBE

14-16密耳

GSPU 1.5英寸

(±0.25英寸)

FBE

熔结环氧粉末

IMPU

注模成型聚氨酯

O5*
O6**
O7**

*:全尺寸弯曲试验;**:压力辊筒试验

 

试验项目 合格标准 试验结果
撕剥附着力

(聚氨酯对FBE)

在23℃

最小值 8N/mm

20.5 N/mm

(13 N/mm至28 N/mm)

坡口部位附着力

(聚氨酯对GSPU)

在23℃

最小值 8N/mm

20.5 N/mm

(19 N/mm至22 N/mm)

搭接部位附着力

(聚氨酯对GSPU)

在23℃

最小值 5N/mm

7 N/mm

(6.5 N/mm至7.5 N/mm)

断裂伸长率 在23℃

最小值 100%

230%

(210%至250%)

全尺寸弯曲试验/

压力辊筒试验

性能不变,内外均无损坏,没有剥离,没有孔洞,切成四分之一的横断面证实空腔已完全充填  

合格

 

6. 粘弹体+聚丙烯热缩套补口

Stopaq公司积极开拓粘弹体材料在海洋工程上的应用,已经在码头钢桩、海洋平台和导管架取得成功。近年,又与其他公司合作,在巴西海底管道上进行了粘弹体+聚丙烯热缩套的现场试验。

 

7. Wehocoat补口机器人

Wehocoat补口机器人现场喷涂环氧粉末,再热熔挤注聚乙烯补口,在陆上管道应用取得成功。最近,正在开拓海底管道补口上的应用前景,其适合海岸管子站补口和S式铺管船上补口,能够满足6-18英寸海底管道补口,补口长度300-450 mm,补口聚乙烯防腐层厚度2-8 mm,完成一个补口3.5-5分钟。