海底管道系统

海底管道系统是海洋工程中一种重要的支撑装备，在海底恶劣的工作环境中承担着不可替代的重要功能。目前，随着海洋工程技术和装备发展，管道系统已成为深海勘探、开发和利用中必不可少的技术与装备。管道系统为石油平台提供了巨大的能源供应和安全保障作用，为海上钻井平台提供了安全稳定的环境。管道系统可分为固定安装、移动安装和移动式安装三种，在海上复杂环境下可根据应用需要进行调整。

海底管道系统

海底管道系统主要由管道和辅助设备组成。主要包括管径各异的橡胶圈和电缆套、管件套筒、机械连接件和管道连接件等。海底海底管道系统通常由橡胶圈或管件构成，用于连接和固定海底管线。其中，橡胶圈用于连接海底管线表面，具有较高强度和耐腐蚀性能；结构简单，易于制造；具有较好的抗海水侵蚀性能；施工简单、易于维护；适用于固定安装和移动安装。我国目前使用较多的为固定安装和移动安装两种深海管道系统，其中固定安装和移动安装较为常见。

1、固定安装

固定安装是指在海底管线上放置支架或固定装置以使管道固定于海底，以适应施工环境的安装方法。常用的安装方法有潜水员操作海底管道系统固定装置，将潜水服或吊车装置在海底管道上，并通过潜水员、吊车和吊钩等装置将管道固定于适当位置锚定。根据其工作环境的不同，该方法可分为室内固定安装和海上固定安装。室内固定安装是在海底管线固定位置设置支架，利用该支架将其固定在海底管线壁上，使管线与锚定装置相匹配、保持其完整性。海上固定安装是将潜水服或吊车装置在海底管线上，通过吊钩将管线悬挂在海底管线上，使管道紧贴海上锚定装置，并使其保持完整性。它适用于深水管道及海底隧道。

2、移动安装

采用浮运的方式将管道运送到海底作业平台，然后将管道输送到作业平台上继续安装和拆卸。目前，海底管道系统最常用的固定安装方式是浮运方式。浮运方式的优点是可以较容易地更换或维修海底管道系统、简化施工程序、缩短维修周期。缺点是需要较大的作业范围，施工难度大、成本高。目前我国的海洋石油钻探工程项目采用的浮运方式较多，但浮运方式在某些方面对海底管道施工造成一定程度的限制。另外由于海水流速较大，浮运方式还会造成管道受到不同程度冲击损伤、使管道系统出现泄漏等问题。

3、机械连接件

海底管道系统中机械连接件的主要作用是将金属或非金属管道固定在系统中的适当位置，使管道与水面以下形成水平，并能承受高压；防止海水的侵蚀。例如，海底电缆套、连接螺栓之间的法兰等都是海底管道中的机械连接件。随着海工技术的发展及海底石油资源的开发利用，机械连接件的使用越来越广泛，其结构简单，重量轻，施工方便，目前主要被用于在一定深度内连接海底管线及连接不同类型管道。

4、管道连接件

海底管道系统中使用的海缆或海底管线，一般包括海缆，通常有两种形式，一种是直接布放海底管线，另一种是埋设在海床表面和岩层之间的管道连接器。目前使用的最多的海缆连接件为“PA”(Polyurea Association)型。海缆由带状缠绕或螺旋缠绕的钢丝和绝缘材料组成。在使用过程中将缠绕在电线电缆上、缠绕在钢丝或绝缘材料表面上的海缆称为电缆布放线(Spring Table Association),而将电缆外壁直接铺设在海缆外壁(Monoza Interview)称为电缆布放线(Spring Table Association)。电缆布放线是利用钢丝绕在海缆外壁而布放管道线(Monoza Interview)的方法，使海缆在埋设深度达到埋地管道埋设深度时，不受海水和洋流干扰，将海底管道内或外层与海缆之间采用埋设在海缆外壁而埋入土层表面或者岩层之间的管道连接器作为连接线来进行埋放施工。

海底管道系统是由海底预制件（预制管）、管接头（PE管）、端部接头（PTU接口）、导管（PHU接口）、管卡（PB接口）组成。通过海底预制件将管卡与海底管接头连接并加以固定后通过安装工具卡将管卡与管接头连接而成。根据海上作业方式和应用需要，在海上可安装多根海底管道；在岸基安装中可将多根海底管道并联起来，形成一个完整的海底管道系统；在陆上可铺设数十根海洋海底管道。海底管道系统一般采用分段设计原则进行结构设计，各分段之间采用连接件或连接卡进行连接；每段管道之间可由一个连接，件之间设置导管或管卡进行连接。各海底管道之间一般采用电缆或软管进行连接，当其中一段海上作业时必须采用电缆将其与海底 PE管连接并铺设；当海上作业需要改变站位时，需重新修建海底 PE管或采用陆地临时连接桩来敷设。

1、海底管道系统一般由 PE管、 PTU接口（又称端部接头）、导管、管卡组成。

PE管在连接时，首先采用一端部接头对接法与海底预制件进行连接。PE管接头的直径为1~2 m。PTU接口与其他海底管道在安装前，先将管接头与两端部分进行焊接，并用 PHU和管卡进行固定，以使该端接头与 PTU接口之间的缝隙相互抵消。连接完成后的端部接头一般用两块螺栓固定于 P口或管卡上，管卡的螺纹可作适当加工。此外，还有用螺栓和螺母紧固于 P口端部管接头或套管后的法兰中、用垫圈固定于 P口内的套管固定于 PTU接口上、管卡可做适当加工与螺纹加工。目前在海上安装海底管道时多采用导管或管卡进行连接。

2、海底管道系统连接件分为插入件和脱出件。

插入件主要用于插入 PE管段，当插入件和连接卡有一定间隙时，可使用螺栓或螺母进行固定。脱出件主要用于脱出 PE管段，其作用是防止管件变形，脱出件必须采用螺栓固定；脱出件还可用于插入和拔出一段距离的 PE管道，即插入件和脱出件连接成一个整体。海底管道系统中插接件一般可分为插入式、嵌入式和直接插入式三种，在海底管道系统中一般不设插入式，直接插入式仅限于特殊条件下使用。在海底管道系统中脱接件在安装时需预先放置在海底预制件中并在管道插入前设置了插孔以防止插入物进入管材内部而造成损坏。插入式连接件有两种：一种是通过专用装置在插入管内将其固定到管材中，这种形式适用于管径为50 mm以下或者海底长度小于50 m的 PE管；另一种是将插接件直接插入 PE管内，这种形式适用于管径为30 mm以上、海底长度小于50 m、管孔直径为20 mm以下、使用连接件时插入即可完成连接。

3、管卡分为管卡和卡板，以适应不同施工环境的需要。

管卡可采用机械或手工操作的方法，一般分为普通管卡、钢制或铸铁管卡和卡板三种类型。普通管卡是用钢管制成的可调薄的管卡，一般用钢板或铸铁制成，有良好的抗拉性和弹性，适用于各种海底管道的安装；钢制管卡用于水下的管卡应用广泛。钢制卡板一般采用热镀锌钢板或塑料型材制成，具有良好的耐腐蚀性能；不锈钢卡板用于水下和陆地现场安装的海沟施工中。为适应安装海沟时多水的环境，钢制海沟卡板表面应涂以防锈涂料防止海水腐蚀开裂；海沟卡板通常采用铆钉固定，其位置应使海沟深度大于或等于40 m;不同海沟深度设置不同卡板厚度；管道安装完后拆除所有卡板和螺栓并清除海沟中残留的碎屑。钢制卡板具有一定的抗拉强度和耐冲击强度，对于较深海底管道系统可将其作为浮桥使用；钢管采用冷轧薄板制成，可承受较大风浪载荷；焊接钢管前应进行焊接试验、气密性检查和焊缝性能检测；卡具一般为专用工具式，也可根据施工要求配制，其性能应满足使用要求。

4、海底管道连接件的类型

海管连接件是在管接头与连接管之间填满泡沫、填充聚乙烯泡沫，或者直接将材料制成制品的材料构件。海底管道系统中使用的连接件包括：导管（PHU接口）、管件(PE)、连接件（支架）以及连接卡，其作用是把管子与连接起来或将塑料管与连接起来。其类型可分为刚性连接件和柔性连接件两大类。

5、温馨提示：

海底管道系统中，管卡是一种用于支撑和固定管卡的构件。它通常分为水平管卡和竖直管卡。水平管卡是一个用于安装的结构部件，它一般由支架和拉杆组成而成，以确保不会因为船只或其他物体刮擦或撞击海底管线或海底管道系统内部；竖直管卡是由两根竖直的管道或由两根竖直的管道组成，其中一根竖直的管道或由一根竖直的管道卡口相互连通而成一个完整的垂直管道系统。管道系统主要由海底预制件（PE管）、根管接头、端部接头及导管、辅助工具等组成，是一个重要的组成部分[1],通常与管道系统一起设计和安装。

海底管道系统是一种高强度、高刚度、非焊接化材料的复合结构，在不同环境条件下的性能会发生变化，因此需要根据应用环境制定适当的工程技术措施和设计方案，以确保管道系统稳定可靠运行。常见的海中海底管道系统关键技术包括：管体材质控制技术、海底管材预制技术、超低应力连接理论与方法以及钢管内防腐和涂层涂装等。管体管体材质控制主要包括：管壳材料控制；钢管内壁涂层优化设计；钢管焊缝表面涂装。同时，还需要注意不同环境下管道与海底的匹配问题，以及特殊环境下的稳定性问题。海上作业一般采用浮式安装方式，可在陆上铺设管道系统进行安装，也可在固定安装条件下铺设管道系统完成安装工作。

1、管体材质控制技术

管壳材料控制主要包括：管壳材料控制包括选用合适的管材、管体制造工艺和管体材料选择。选择管壳材料时，应考虑管道系统的承载能力，以及管体材料的耐腐蚀能力和使用寿命；根据设计要求选择最佳的管材和管体材料，以保证管道系统的稳定性和安全性；应合理选择管体材料，并采用合适的管材和管体材料的热处理工艺，以保证材料在使用中不发生脆性断裂。海中管线系统一般为钢质材料内衬复合管，通常采用玻璃钢作为其管壳材料；在铺设海中管线时，要保证系统的稳定性和安全性，通常采用钢外涂玻璃钢外敷管道材质。在应用海中管线系统前，需根据工程应用条件进行管材尺寸选择和设计，并根据工程应用要求完成钢管内壁涂层优化设计、钢管焊缝表面涂装等工作环节。

2、海底管材预制技术

海底管壁采用人工铺设，需要控制管壁尺寸和厚度，且通常要在水下200 m范围内铺设5~10根管材，因此对海底管材预制技术要求较高。海底管束管是直接把直径小于300 mm的焊接管材通过水下导管打入海底岩层中，经过切割、焊接等工艺制作而成的各类管道系统。因为它需要通过潜水或浅水作业过程从管壁到海底进行各种焊接，因此对管体质量要求非常高。海底管道系统具有安装便捷、施工周期短、成本低、施工精度高等优点，但它与传统的钢管相比，强度相对较低。为了满足海洋环境下对海底管道性能的要求，目前主要采用钢制管材制作深海管线系统。

3、超低应力连接理论与方法

超低应力连接技术是一种新的连接方法，是利用橡胶与管壁间产生的强大剪切力来实现管道与海底母体的连接。由于海底管道系统具有抗冲击、抗振动和抗腐蚀的特点，所以超低应力连接具有良好的环境适应性。超低应力连接的发展历程：上世纪60年代以前，对不同橡胶材料之间进行超低应力焊接，即超低应力连接;70年代以后采用化学惰性材料作为原材料实现超低应力连接。随着我国南海海洋工程技术的发展以及海底管道技术的不断完善，超低应力连接技术在海中管道系统中已经开始使用。然而由于海底管道系统具有高强度、高刚度和超低孔径效应的特点，因此采用超低应力连接还存在一定需要解决的技术问题。另外，目前国内外尚未开展超低应力系统相关研究工作。

海底管道系统是海洋工程中不可缺少的一部分，其性能和功能直接影响到石油平台的运行和寿命。随着国际石油市场的发展和国际石油公司对油气资源勘探和开发技术水平高低的关注，海洋管道系统必将得到更多地应用和发展。当前全球油气行业正处于从“发现石油”向“发现油气”转换阶段，需要更多地关注和使用管道系统在油气勘探实践中扮演过的重要角色和作用。海底管道系统已成为深水钻井平台的重要支撑装备之一。随着近年来油气行业的持续发展对复杂海况要求苛刻的特点，适应各种恶劣环境、提高其使用寿命（如抗冲击、抗硫化氢腐蚀等）已成为一项重要的研究内容。随着海洋工程技术和装备发展，对海底管道系统提出了更高要求，包括高效环保、抗硫化氢腐蚀、适应多种工作环境等（如高效高密度耐压、抗硫化氢腐蚀等),因而未来也将是对海底管道系统设计、制造、施工和管理等各个环节提出更高要求。