梁 超

(海洋石油工程股份有限公司，天津300452)

0 引 言

油氣資源對保證和加速國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略意義不可忽視。面對我國南海豐富的油氣資源，走向深水成為我國海洋石油發(fā)展的必然趨勢，隨著我國對深海領(lǐng)域石油開采力度的加大，尤其是最近幾年對南海石油的勘探與開采，在南海海域鋪設(shè)的海管量越來越多，且基本上都采用雙層管(pipe-in-pipe)即管中管的結(jié)構(gòu)，兩層海管之間填充保溫巖棉，以此來降低距離輸送過程中油氣溫度下降的損失，保證油氣在管道中的流動(dòng)性，提高管線的使用壽命。

就渤海海域而言，由于水深較淺，表面海水的溫度和海底的溫度相差不大，所以完工海管在試壓期間海管內(nèi)的水溫與海底的水體在短時(shí)間內(nèi)基本上能夠完成熱交換，使管內(nèi)和管外的水溫能夠達(dá)到一致。在不考慮其他因素的情況下，在 24h內(nèi)海管中的壓力基本能保持在允許范圍之內(nèi)。但南海海管的鋪設(shè)水深基本上都在100m以上，并且鋪設(shè)海管都為雙層保溫管，同時(shí)試壓用的壓力泵無法將海底的水提升至水面再注入海管中，南海海表水與海底水的溫差較大，雙層管的良好保溫性會(huì)使海管內(nèi)的水溫與海底水溫的熱交換過程很慢，往往需要10d以上的時(shí)間，由此給整個(gè)項(xiàng)目帶來很大的成本負(fù)擔(dān)。

本文探討一種快速的海管試壓判定新方法，以此來節(jié)約施工工期，從而達(dá)到降低施工成本的目的。

1 試壓方法介紹

1.1 試壓原理與實(shí)施過程

由于海管內(nèi)海水的體積是固定的，當(dāng)確保海管無泄漏點(diǎn)的同時(shí)管內(nèi)海水亦不存在溫度流失的情況，用壓力泵將海管內(nèi)的壓力增加到設(shè)計(jì)值時(shí)管內(nèi)的壓力將保持穩(wěn)定，不會(huì)隨時(shí)間變化。但當(dāng)體積和溫度發(fā)生變化后，海管中的壓力也隨之改變，如圖 1、2所示。在海管試壓過程中，P-V曲線圖和 P-t曲線圖是判定海管是否有漏點(diǎn)存在的重要判定依據(jù)。按照 DNVOS-F101規(guī)范要求，海管試壓通過標(biāo)準(zhǔn)是:在 24h內(nèi)，海管中的壓力變化不超出試驗(yàn)壓力的±0.2%，如有溫度和其他因素影響壓力變化，允許值為不超出試驗(yàn)壓力的±0.4%。

如圖 1所示，在理想狀態(tài)下，當(dāng)溫度恒定時(shí)，管內(nèi)的海水壓力與海水體積成正比。

如圖 2所示，理想狀態(tài)下，當(dāng)海管內(nèi)的海水體積不變，由于溫度的變化將造成壓力隨時(shí)間變化。

海管的試壓過程可分為3步:

① 升壓階段:按照規(guī)范要求對海管進(jìn)行加水打壓，同時(shí)排出海管內(nèi)的空氣和繪制 P-V曲線圖；②穩(wěn)壓階段:即熱交換階段，檢查并確保各個(gè)連接點(diǎn)的密閉性，同時(shí)對壓力變化進(jìn)行記錄分析并繪制 P-t曲線圖；③保壓階段:當(dāng)海管內(nèi)溫度恒定后，保持海管試壓壓力 24h，觀察記錄管內(nèi)壓力的變化趨勢，繪制最終的壓力-時(shí)間曲線圖，如圖3所示。

1.2 試壓測漏方法分析

如果海管出現(xiàn)泄漏，可視泄漏點(diǎn)為小管道，則此小管道中液體的流速、流量與壓力的關(guān)系如下:

圖3 保壓階段24h內(nèi)的壓力變化曲線Fig.3 Pressure holding in 24h

式中:C為管道的謝才系數(shù)，C＝R1/6/n；L為管道長度；P為管道兩端的壓力差；R為管道的水力半徑，R＝d/4(d為內(nèi)徑)；n為管道內(nèi)壁糙率；ρ為液體密度；g為重力加速度；A為管道的過流面積；γ為管道的摩阻。

則從海管中泄漏的海水體積V(試壓時(shí)間為t):

假設(shè)海管在無海水泄漏時(shí)實(shí)際測量的壓力P0= { P1, P2, P3, … Pn}，那么如果海管在試壓過程中出現(xiàn)泄漏時(shí)泄漏出海管的壓力為Pα，則:

海管中的實(shí)際壓力P為:P = P0-Pα

假設(shè)α= CA(ρgγL )-1/2·k-1，t1=t2=…= tn=t，則

所以:

① 當(dāng)泄漏點(diǎn)較大時(shí)(假設(shè)α＝10)，如圖 4所示，在海管升壓階段實(shí)際壓力曲線為非線性曲線，同時(shí)在升壓中期的穩(wěn)壓過程中會(huì)出現(xiàn)壓力下降的趨勢(此階段為穩(wěn)壓排氣階段，以此避免由于管內(nèi)空氣含量過多而影響最終的判斷結(jié)果)，而且兩段直線段的斜率明顯不同。打壓過程中在達(dá)到系統(tǒng)試驗(yàn)壓力的95%之前，加壓速率不得超過 0.1MPa/min，之后直至最終壓力(工程中推薦不超過試驗(yàn)壓力的 10%并保證保壓壓力達(dá)到強(qiáng)度試驗(yàn)的要求)加壓速率不得超過 0.01MPa/min。當(dāng)壓力泄漏較為嚴(yán)重時(shí)，在后期的升壓階段，當(dāng)升壓速率低于漏壓速率時(shí)，海管壓力反而會(huì)出現(xiàn)下降趨勢。

圖4 在升壓階段當(dāng)α＝10時(shí)的壓力變化曲線Fig.4 The curve in pressure increasing phase with α＝10

此時(shí)，在升壓階段即可確定海管中出現(xiàn)了漏點(diǎn)，需要對海管以及試壓管線進(jìn)行進(jìn)一步的排查。

② 當(dāng)泄漏點(diǎn)較小時(shí)(假設(shè)α＝2)，如圖 5所示，在海管升壓過程中，無漏點(diǎn)時(shí)的升壓過程和有漏點(diǎn)時(shí)的升壓趨勢基本相同無法區(qū)分。這意味著在短時(shí)間的海管升壓過程中，當(dāng)海管漏點(diǎn)很小時(shí)，無法用試壓過程中的初始階段的壓力曲線來判斷海管是否存在泄漏的情況。所以，此時(shí)需要對穩(wěn)壓階段的壓力曲線進(jìn)行分析來判斷是否存在漏點(diǎn)。

圖5 在升壓階段當(dāng)α＝2時(shí)的壓力變化曲線Fig.5 The curve in pressure increasing phase with α＝2

如圖 6所示，在海管未存在泄漏點(diǎn)時(shí)，30h內(nèi)的海管的穩(wěn)壓過程中，由于海管內(nèi)水溫的變化(海管內(nèi)水溫高于海底水溫，海管內(nèi)外海水進(jìn)行了熱交換)而造成的壓力以及每小時(shí)壓差的變化。

如圖7所示，當(dāng)漏點(diǎn)較小時(shí)直接從現(xiàn)場數(shù)據(jù)中是無法判斷海管是否存在漏點(diǎn)，所以此時(shí)需要從每小時(shí)的壓差變化入手。當(dāng)海管不存在泄漏時(shí)，在海管穩(wěn)壓階段壓力隨時(shí)間下降是因?yàn)楹９軆?nèi)的海水的溫度在降低，當(dāng)海管內(nèi)的水溫降至與海底水溫一致時(shí)，壓力停止下降。在不存在漏點(diǎn)的情況下由于壓力變化僅受溫度的影響，所以每小時(shí)的壓差變化也與溫度有關(guān)，而與壓力的大小無關(guān)。

圖6 30h內(nèi)在穩(wěn)壓階段壓力和每小時(shí)壓差的變化曲線Fig.6 Pressure and per hour pressure drop curve in hold-ing phase(30hours)

圖7 穩(wěn)壓階段無漏點(diǎn)與有小漏點(diǎn)時(shí)壓力曲線對比圖Fig.7 The pressure cure with small leakage and without leakage in holding phase

當(dāng)海管中出現(xiàn)漏點(diǎn)時(shí)，穩(wěn)壓階段海管內(nèi)壓力的變化除了受到溫度變化的影響外，還受漏點(diǎn)漏壓情況的影響。而泄漏點(diǎn)漏壓的多少與海管內(nèi)外的壓差存在很大的關(guān)系。當(dāng)對海管進(jìn)行補(bǔ)壓時(shí)，壓差勢必會(huì)有較大的波動(dòng)，如圖 8所示。當(dāng)壓差出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，此時(shí)可以判定海管出現(xiàn)漏點(diǎn)，需要對海管以及管線連接點(diǎn)進(jìn)行檢查。

圖8 海管漏壓對壓差的影響Fig.8 Pressure curve with leakage

③在穩(wěn)壓階段，當(dāng)根據(jù)壓差數(shù)據(jù)依然無法確定海管是否有泄漏時(shí)，將有 2種可能:海管存在微小的泄漏；海管中不存在漏點(diǎn)。此時(shí)對管線連接點(diǎn)和海管的法蘭連接處進(jìn)行檢查，如無泄漏即可確定海管有良好的密閉性，海管試壓作業(yè)即可宣告結(jié)束。

2 試壓方案總結(jié)

對于海管來說，發(fā)生泄漏的部位往往是在法蘭連接處，一般情況下為了確保后期海管試壓能夠順利進(jìn)行，潛水員將會(huì)在法蘭上纏繞塑料薄膜，以便泄漏發(fā)生后方便檢測。所以在進(jìn)行海管試壓前需要確保以下 4點(diǎn):①法蘭安裝嚴(yán)格按照方案實(shí)施，同時(shí)法蘭安裝完成后將塑料薄膜纏繞在法蘭上；②確保試壓設(shè)備以及與海管連接的管線和儀表的連接處無泄漏；③試壓過程中確保海管中的空氣含量在允許范圍內(nèi)，以免影響后期的數(shù)據(jù)分析；④在條件允許的情況下對海底海水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(試壓過程中海底水溫突變往往也會(huì)影響試壓數(shù)據(jù))。

如果在條件允許的情況下，建議在海管注完水且等待一段時(shí)間后，再進(jìn)行海管的試壓作業(yè)，等待時(shí)間可以參考以下公式進(jìn)行預(yù)測:

式中:Tt為停輸t小時(shí)后管內(nèi)介質(zhì)溫度(℃)；Te為管道外界的環(huán)境溫度(℃)；Ts為開始停輸時(shí)管內(nèi)介質(zhì)溫度(℃)，即試壓起始溫度；D 為管道保溫層外徑(m)；do為鋼管內(nèi)徑(m)；doi為各層管外徑(m)；dii為各層管內(nèi)徑(m)；k為管道總傳熱系數(shù)[W/(m2·℃)]；t為停輸時(shí)間(h)；Ci為鋼材及保溫材料的導(dǎo)熱性能參數(shù)[J/(kg·℃)]；ρi為鋼材及保溫材料的密度(kg/m3)；Co為管內(nèi)介質(zhì)導(dǎo)熱性能參數(shù)[J/(kg·℃)]；ρo為管內(nèi)介質(zhì)密度(kg/m3)。

在條件不允許的情況下，當(dāng)滿足以上 4點(diǎn)條件后，可以對海管進(jìn)行試壓作業(yè)，步驟如下:①對海管的升壓過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，根據(jù)壓力曲 線判定海管是否存在漏點(diǎn)；②如果升壓階段無法判斷海管是否存在漏點(diǎn)，則需要在穩(wěn)壓階段進(jìn)行判定，根據(jù)實(shí)際情況穩(wěn)壓時(shí)間 1～2d不等，補(bǔ)壓次數(shù) 1～2次，且確保每次補(bǔ)壓后的最終壓力與前一次的壓力有較大的差值，便于后期數(shù)據(jù)分析，只要壓差出現(xiàn)較大的波動(dòng)，則可判定海管存在泄漏點(diǎn)；③如果穩(wěn)壓階段也無法明顯判斷出海管是否存在泄漏，那么試壓海管存在2種可能:存在微小的泄漏或者無泄漏；④在管線連接點(diǎn)以及法蘭連接處進(jìn)行檢測，如無泄漏點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，則海管無泄漏。

3 結(jié) 語

根據(jù)海管試壓規(guī)范，海管試壓工作往往耗時(shí)較長，一般都在 10d以上。如果現(xiàn)場有 DSV或其他船舶資源做支持船的情況下，同時(shí)再考慮南海惡劣海況對工期的影響，海管清管試壓作業(yè)將會(huì)大幅提高項(xiàng)目成本。本文介紹的新海管試壓測漏方法可以大大降低施工船天指數(shù)，將試壓工期縮短至幾天，對項(xiàng)目成本有良好的壓縮效果。