柳宇，马秦锋，陈俊友，李晶，李刚，肖清军

（深圳海洋工程技术服务有限公司，广东深圳 518067）

伴随海洋石油的开发向深水化发展，海底管道遇到越来越复杂的海洋工程环境。近年来，一些海域发生海管漂移、渔船抛锚拖拉等海管损伤事故，造成了巨大的财产损失[1]。

海管损伤大多是突发性的，根据海管的损伤程度、海管受损点所处位置及受损点周边海床环境可将海管损伤分为以下几种：1）小泄漏。这种情况一般是由于管道腐蚀造成海管出现小孔或者小裂缝泄漏。2）局部破坏。通常由船锚或渔网等对管道拖拽超出的破坏，一般会出现大面积破裂。3）大面积破坏。这种情况一般出现在大距离的海管上，使海管出现破损性泄漏，通常需要更换海管。

海管维修方法可分为水上维修和水下维修，水上维修即将海管回收至水面以上进行维修，水下维修即在水下采用水下干式焊接或安装机械连接器等方法进行维修，海管水上维修方法无需专用的修复器械，维修质量较高，但受管径、水深、成本等因素限制，通常应用于浅水区海管维修。目前国内外针对海管维修多采用水下维修模式，而机械连接器作为一种成熟的海底管道产品，在进行海管维修时无需将海管回收至水面从而影响海管性能，也不需要像水下干式焊接维修那样需要庞大的干式舱焊接专用工具，只需在水下将海管受损段切除，然后进行机械连接器安装和新管段回接，整个过程无需焊接，无需耗时较长的焊接工艺制定和评定，且维修过程对船舶和专用工具要求较低，因而维修效率高、成本低，被广泛地应用于海管海底维修中[2-5]。

1.1 机械连接器分类

根据卡锁至海管的固定结构形式不同，机械连接器可分为卡压式（MORGRIP式）机械连接器和卡瓦式机械连接器（如图1、图2）。在加载预紧力的作用下，连接器端盖会轴向移动并推动卡压式机械连接器的钢珠或卡瓦式机械连接器的卡瓦嵌入到海管表面，使机械连接器锁在海管上，并压紧密封圈实现密封。根据机械连接器结构形式不同可分为法兰机械连接器和双向密封接头机械连接器（如图3、图4），法兰机械连接器上的法兰通常为旋转或球法兰，便于水下膨胀弯法兰与机械连接器的法兰进行螺栓孔对中及螺栓安装；
双向密封接头机械连接器的两侧均为带密封及卡锁结构的接头，在进行海管维修时套入管段就位后直接进行预紧即可完成维修[3]。

图1 卡压式机械连接器

图2 卡瓦式机械连接器

图3 法兰机械连接器

图4 双向密封接头机械连接器

1.2 国外机械连接器现状

机械连接器制造和应用在国外发展较为成熟，在浅水和深水海管维修中均有应用案例，主要的连接器生产商公司有Oceaneering 公司、Connector subsea solutions（以下简称：CSS）公司、FMC Technology公司、Oil states公司等，这些公司开发了一套完整的海底管道连接与维修工具，并且面向全世界的海洋石油开发提供服务，表1列出两家国外主要制造厂商机械连接器的参数[3-4]。

表1 国外主要制造厂商机械连接器参数

1.3 国内机械连接器现状

目前，国内的机械连接器制造厂商有廊坊市永春工业制品有限公司，其生产的机械连接器为法兰机械式（卡瓦式），适用管径为6～48 in，采用潜水员安装，并在国内浅水海管维修中有过应用案例[5-6]。双向密封接头国内尚无具体产品生产商，仅由哈尔滨工程大学对卡瓦式双向密封接头进行了初步研究，并制作出一套样机，但尚未具体应用到工程实际上[3]。

表2 国内机械连接器参数

浅水区海管水下更换管段维修多采用法兰机械式连接器，其特点是：1）作业水深小于300 m；
2）需采用潜水系统（饱和潜水或空气潜水）。以渤海某12 in注水管道维修为例，说明浅水海管维修机械连接器安装流程[6]（如图5）为：ROV（或潜水员）进行海管预调查及海管路由障碍物清理；
作业面开挖，直至满足机械连接器安装作业空间要求；
海管受损段切割和回收；
海管水泥涂层及防腐层清理；
海管直线度和椭圆度测量，并根据测量结果核实海管外形尺寸能够满足机械连接器安装；
海管机械连接器安装、螺栓紧固及试漏；
膨胀弯测量、预制、运输至现场并下放就位；
膨胀弯与机械连接器法兰进行螺孔对中、法兰拉近、螺栓安装及拉伸；
膨胀弯安装完成，海管试压；
海管保压成功后，进行工具回收及保护压块、沙包安装和回填。

图5 浅水海管维修机械连接器安装

深水海管维修中，双向密封接头机械连接器因技术方案操作相对简单，海上施工周期较短而应用广泛，根据双向密封接头是否预先安装在膨胀弯上又可分为双向密封接头预装技术和后装技术，下文将就这两种安装分别进行介绍。

3.1 双向密封接头预装技术

双向密封接头预装技术是将双向密封接头预装在膨胀弯管段上，与膨胀弯管段一起下放至海管管段进行安装，由于双向密封接头质量大，预安装在膨胀弯上时由于受自重影响会造成膨胀弯两端承受较大的力，不利于膨胀弯吊装下放，通常双向密封接头预安装技术可适用管径6～20 in海管维修，不适用于大管径海管维修[2]，以下以Oceaneering公司双向密封接头安装流程为例进行该技术介绍（如图6）：海管预调查及海管路由障碍物清理；
作业面吹泥，直至满足海管切割工具安装作业空间要求；
海管受损段切割和回收；
下放提管架将海管提升至作业高度；
海管水泥涂层及防腐层清理；
海管直线度和椭圆度测量，并根据测量结果核实海管外形尺寸能够满足机械连接器安装；
膨胀弯测量及预制；
下放膨胀弯及双向密封接头就位；
将海管和膨胀弯端头进行对中；
双向密封接头从膨胀弯上滑动至海管安装位置；
进行双向密封接头紧固及试漏；
下放海管至海床，回收作业工具，完成维修。

图6 深水海管维修双向密封接头（预装）安装

3.2 双向密封接头后装技术

双向密封接头后装技术将双向密封接头与膨胀弯管段安装分开，这样满足大管径海管维修需求，该技术的特点是将双向密封接头设置在接头安装框架上，在进行海管维修时，可将接头安装框架和膨胀弯管段分别下放至海管维修位置就位，然后利用提管架、接头安装框架配合完成双向密封接头左右滑动至设计安装位置完成维修[2]，以下以CSS公司双向密封接头安装流程为例进行该技术介绍（如图7）：海管预调查及海管路由障碍物清理；
作业面吹泥，直至满足海管切割工具安装作业空间要求；
海管受损段切割和回收；
下放提管架将海管提升至作业高度；
海管水泥涂层及防腐层清理；
海管直线度和椭圆度测量，并根据测量结果核实海管外形尺寸能够满足机械连接器安装后，提管架将海管放回海床；
膨胀弯测量及预制；
下放接头安装框架和双向密封接头进行就位；
提管架将海管提离海床，并进行海管提升高度调整；
启动接头安装框架滑动功能，将双向密封接头海管接触段和膨胀弯管段接触段均滑动套入至海管上；
下放膨胀弯管段至接头安装框架上就位；
启动接头安装框架滑动功能，将双向密封接头膨胀弯管段接触段滑动套入至膨胀弯管段上；
确认双向密封接头海管接触段和膨胀弯管段接触段均已滑动到位后，进行双向密封接头紧固及试漏；
下放海管至海床，回收作业工具，完成维修。

图7 深水海管维修双向密封接头（后装）安装

机械连接器是成熟的海管连接产品，并且广泛地应用在海管水下维修中，因而研究海管机械连接器对于保障我国海上油气管道运营安全十分重要，目前我国机械连接器研究已取得一定的进展，并在国内浅水海管维修中有过应用案例，但深水机械连接器相关技术研究目前仍与国外存在较大的差距，应加强深水海管机械连接器相关技术和装备研究，为我国深水油气管道保驾护航。

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