海底管道的清管测径与试压技术
摘要:我国有广阔的滩海地区,蕴藏着丰富的油气资源。随着海洋石油工业的发展,海底管道被广泛应用于平台间石油天然气的集输。采用海底管道进行海上油田的油气集输是最经济有效的方法。海底管道的清管测径和试压作为管道工程竣工投产前的最终检验程序,相应也成为一个新的课题。文章以福建炼油乙烯项目海底原油输送管道工程为例,介绍了海底管道清管测径和试压的主要技术方案的制订和实施。
关键词:海底管道;清管测径;试压技术
中图分类号:TE973文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)09-0022-03
福建炼油化工有限公司在湄洲湾西侧海区铺设一条直径φ711mm原油输送管道,该管道是将青兰山30万吨级原油码头卸下来的中、轻质原油输往福炼公司鲤鱼尾油库,管道路由全长13.5km,其中海底部分12.7km,陆地部分0.8km。沿路由水深变化为0～38.5m。
输油管道工艺参数如下:原油输量2400m3/h,输送压力1.5MPa,常温输送。管线采用UOE埋弧焊直缝管,管线规格为:φ711mm(外径)×17.5mm(壁厚)API 5L X60钢管。管道外防腐采用加强级三层PE防腐层,总厚度为3.2mm,并采用镯式牺牲阳极对管道进行阴极保护。
为完成海底管道清管测径和试压的工作,技术人员制订了严密可行的施工方案。
一、施工方案的制定
(一)制定施工程序
根据海底管道各工序施工逻辑关系和规范要求,管道挖沟回填完成进行管道清管、测径,管道清管、测径合格后方可进行水压试验,制定总体施工程序如图1至图4:
(二)确定总体方案原则
1.管道清管:选用2个直板清管器和1个皮碗清管器,采用压缩空气推动清管器的方式进行管道清管。清管器之间采用充水的方式隔开,充水的目的是:第一,保持清管器之间的间距;第二,润滑、密封清管器与管内壁的间隙;第三,用水携带出管内的杂物。
2.管道测径:选用1个直板清管器及1个皮碗清管器和1个泡沫清管器,采用泡沫清管器的目的是密封作用,有效的排出管内的空气;直板清管器安装直径为96%管线内径尺寸的铝制挡板,挡板厚度6mm;采用水压推动皮碗清管器,目的是用水推动清管器速度均匀,确保测径板不受损伤。
3.管道试压:采用离心清水泵上水,压力达到0.8MPa后再启动柱塞压力泵,采用此方法能有效节约管道试压时间。
(三)清管测径和试压首尾端的选择
本工程选择青兰山30万吨级原油码头作为清管测径和试压的首端,福炼公司鲤鱼尾油库作为尾端。选择原因:
1.青兰山30万吨级原油码头水源充足。
2.青兰山30万吨级原油码头端600m处为整条海底管线的最低点,便于充分排出管内的气体。
3.与本工程投产后生产过程中的清管方向一致。
(四)试压水源的选择
根据设计要求,用于水压试验的水质pH值为6～9,盐分含量最大2000mg/L,总悬浮物小于50mg/L。青兰山有生产用水,其水质均符合设计要求,按照就近取水原则,选择靑兰山生产用水作为试压水源。
(五)主要施工设备和仪表配置
主要施工设备和仪表配置见表1。
(六)清管、测径、试压流程
1.清管、测径、试压头制作。采用与主管道同规格、材质的管材(Φ711×17.5),制作试压头2个,长度一般8～10m,试压头应至少满足同时收发三个清管器,以便注水时在清管器间形成密封水柱,提高排气的有效性。在完成注水口和仪表接口等部件的安装后对试压头进行1h的水压试验,压力达到最大试验压力的1.25倍。经检查,无渗漏即为合格。试压头结构如图5所示:
2.流程配置。清管、测径、试压流程连接示意图如图6所示:
二、实施要点及控制措施
(一)注水排气
管线水压试验的压力能否稳定的关键在于注水时能否将管内空气排净。本工程采用在注水管前端管段加装注水清管器,通过注入水进行管内空气置换,从而达到排净管道内空气的目的。
1.清管、测径注水过程。注水泵出口管段在试压头的安放位置参见图5。首先,在第一个注水清管器前面的管道内注入30～100m3的冲洗水,将水转注到第一个注水清管器的后面。在第一和第二个注水清管器之间注入100m3冲洗水后,再向第二个注水清管器后注入冲洗水,发射第二个注水清管器,之后持续注水推动注水清管器和冲洗水。
2.防止气穴措施。注水过程中,注水清管器的行走速度应加以控制,防止下坡段注水清管器速度加快,注水清管器后面的水流中断,产生气穴。要控制注水清管器的行走速度,应保持注水清管器和接收头之间有充足的背压,确保注水端为正压。一般来说,首先计算出水流方向最大落差时的静水压力,低点注水时,通过控制试压段接收端的外排空气量,即可实现接收端压力表读数不低于最大落差时的静水压力;高点注水时,还应在接收端通过空气压缩机给管内空气增压,然后再通过控制试压段接收端的外排空气量来保持清管器的行走速度。
3.含气量估算及处理措施。注水完成后,通过测算注水量、排水量与管道几何容积相比较,可初步估算试验管段内的空气含量。若管内有气,可待管内注水稳定后,再试压首末端选择高点进行排气,一般可通过多次测算、排气、注水过程将管内空气排尽。
(二)升压控制
在升压过程中,要严格执行升压程序,防止因干线或工艺流程缺陷发生爆裂,引发安全事故。同时要根据技术要求绘制压力-容量图(PV图),监控管内空气含量。
1.强度试验。压力试验开始,缓慢地增加压力,当压力达到试验压力的30%。检查所有的管件和连接段,是否有漏水情况。若无漏水情况则继续增大压力至试验压力的60%,检查漏水情况和系统的完整性;然后根据试压计划继续增压。按每分钟不大于75kPa的均匀速率增加试验压力,达到试压段的最高点的最小试验压力的102%。维持这样的压力直到地面上管子和管件都检漏完毕,试压检查员确定压力和温度稳定。在试验管线高端,压力范围为最低试验压力加2%,而最高不能超过规定的95%最低屈服强度。
2.严密性试验。强度试压完成后,将试压管段最高标高点的压力降到1.5MPa(为最低),进行严密性压力试验。从接收端试压头泄压,有利于注水清管器完全进入到试压头内。排水管要有足够的强度,并按照批准的方法排水。严密性试验压力稳定后,关闭通向压力管线的阀门和切断与压力泵的连接,稳压24h。
检查记录。在整个严密性试验过程中,每间隔15min记录一次压力和时间,每1h记录一次管壁和地层温度。在规定的最低压力下,严密性试验持续24h,若没出现最大为1%(105kPa)的压力降,则严密性试验合格,予以验收。若压力降超过105kPa,必须说明其它原因加以证明,如温度降低或者轻微漏泄。如果不能找出原因证明,则必须继续或重复进行严密性试验,直到达到满意的试验结果为止。
3.压力-容量图(PV图)绘制。(1)压力-容量图绘制要求。在试压阶段,如果环向应力超过管道最小屈服强度的70%,则要绘制所有的压力试验的压力-容量图。从实际角度考虑,不到300m长的试压段不需要绘制压力-容积图。压力-容积图从规定最小屈服强度的10%开始,包括在每100kPa 或者足以显示直线偏差的压力间隔增加的压力-容积图,用电脑绘制。选择压力-容量曲线图的比例,使绘图线与水平方向成45°角和75°角。在加压期间一定要保持泵的速率不变,要提供充足的水量保证在达到完全的试验压力之前不中断水的供应,完成压力-容量曲线图。(2)压力-容量图比较及处理措施。通过实际记录的数据划出压力-容量曲线,同理论数据进行比较。若数据与理论容量和压力-容量曲线倾斜,表明注水中有空气,影响压力增高;若实际曲线接近绘制的线,较理论线出现0.2%的偏差(增加),应停止加压,直至找到出现增加的原因,同时标出钢管的屈服强度。
如果从试验开始,压力损失就超过试验管段规定最低试验压力的2%,试验段将加水返回到原来的试验压力。在4h稳压后期,必须至少要有1h的压力稳定期,否则要延长试压时间,直到出现1h稳定期为止。在确定试验压力的变化时,要考虑温度-压力变化的相互关系。如果强度试验在规定的最低测试压力下稳定了4h,没有发生裂管、明显的压降或者由于温度损失要增加水量,强度试验验收合格。
(三)管道卸压排水
1.卸压注意事项。压力试验合格后,应尽快按照一定的速率减压,防止引起颤动。减压的整个过程中要缓慢地开关泄压阀,阀门严禁完全打开,防止水击荷载损伤管道。在试压管段的高点位置,压力控制在300kPa以上,防止水从高点排出。
2.管道排水。排水管道采用DN150钢管,每隔25m用预埋砼墩(1.5m×1m×1m)加弧形钢板固定排水管道,并在排水端固定排水管以免排水时摆动。排水时通过空气压缩机,向管内注入空气,首先将第二个注水清管器驱回发射头,将水从试压段内排出。在出发点接收到第二个注水清管器之后,再将第一个注水清管器推回出发点,排掉管内剩余积水。清管器排水速度要限定在最高排量为450m3/h,防止在管段排水时憋压。
(四)清管扫线
1.清管扫线要求及方式选择。排水完成后,要及时清扫出管内残余清水。清管器要求在300kPa的压力下以每小时推进4～6km的速率,压缩空气注入量不小于70m3/min,确保扫线质量。如采用压缩机直排方式,为保证清管器的运行速率,必须采用大排量压缩机组。如压缩机组排量达不到技术要求,亦可采取储气段的方式,以保证吹扫管段的排气量,即先用空压机向一管段内供气,并升压至一定压力,然后向相邻待吹扫管段泄压排气,推动清管器进行吹扫,本工程即采用储气段方式施工。
2.清管扫线准备。排水完成后,作业人员拆除试压段,试压段两头安装收发球筒,发球筒和压缩空气流程管线必须经严密性检测合格。
3.清管措施和要求。清管过程中,要控制压缩空气排量,使清管器行进速度保持在4～6km/h,同时压缩机组持续向储气段供气,以补充压力损失。储气段压力根据两端管段的长度计算确定,一般不高于0.6MPa。清管时采用橡胶直板或皮碗清管器,根据管内余水量和管段长度,对每一个清管器清出固体的材质和数量进行体积和重量的估计,当最后一个清管器清出的固体体积小于5L时,清管扫线合格。当固体体积大于5L时应和EPC、IPMT相关负责人协商确定应对措施。
(五)测径要求
清管器运行至收球筒后,收球筒上的排气阀门开始大量排气,说明清管顺利完成,待气体排尽、压力回零后,将收球筒上的阀门完全打开,管内水排净后,打开收球筒,取出清管器,检查清管器皮碗的外型尺寸变化、划伤程度。测径板取出后协同现场监理检查测径板的测试状况。
作者简介:王文成(1961-),男,山东兖州人,胜利油田胜利石油化工建设有限责任公司项目经理,工程师,研究方向:油田产能建设、石油化工建设及滩浅海海底管道工程建设的施工技术与项目管理。