溫度變化對海管試壓影響的分析

鄭秋明 宣英杰 蘭學(xué)杰 李友行

摘 要：海底管道在投產(chǎn)前及日常運(yùn)行維護(hù)中，都需要對管道進(jìn)行調(diào)試，包括清管，試壓，排水，干燥，惰化等工作。其中試壓是檢驗(yàn)管線嚴(yán)密性的重要步驟，試壓介質(zhì)（一般采用是海水，特殊材質(zhì)也有可能要求必須使用淡水）在保壓期間的溫度變化也會導(dǎo)致壓力的變化，容易造成試壓不合格。

而世界范圍內(nèi)海水溫度分布呈現(xiàn)規(guī)律性分布，對海底管道的影響也大小不同。本文主要從理論上闡述了海底管道的水溫的變化規(guī)律及這些變化對試壓帶來的影響，探討減小和避免水溫變化給試壓帶來的負(fù)面影響。

關(guān)鍵詞：海底管道、試壓、水溫變化、熱平衡

1.概述

海底管道的水壓試驗(yàn)（HYDROSTATIC TEST）過程主要分為升壓、穩(wěn)壓、保壓及泄壓四個階段。其中關(guān)鍵的保壓階段，按照DNV要求，在壓力穩(wěn)定后至少應(yīng)保持24 H，如果管道無泄漏，并且保壓期間內(nèi)壓力在試驗(yàn)壓力的±0.2%范圍內(nèi)，則該管道滿足投產(chǎn)要求。如果能夠證明壓力的變化是同溫度波動或其它原因造成的，壓力變化范圍可限制在±0.4%以內(nèi)。如果維持期間產(chǎn)生了大于±0.4%的壓力變化，則應(yīng)延長試驗(yàn)時間，直至達(dá)到一個可接受的壓力變化范圍。如果管線不存在機(jī)械性缺陷，那么控制溫度變化就成為了制約試壓波動是否在合理范圍內(nèi)的關(guān)鍵因素。

2.海水溫度分布規(guī)律

海水的溫度決定于輻射過程、大氣與海水之間的熱量交換和蒸發(fā)等因素。海水表層年平均水溫：太平洋最高，為19.1℃；印度洋次之，為17.0℃；大西洋最低，為16.9℃。海洋水溫在垂直方向上，上層海水在1000～2000米的水層內(nèi)，水溫從表層向下層降低很快，而2000米以下則水溫幾乎沒有變化。大致在南、北緯 45°之間，海水水溫的垂直分布可分三層：1.混合層，一般在大洋表層100米以內(nèi)，由于對流和風(fēng)浪引起海水的強(qiáng)烈混合，水溫均勻，垂直梯度小。2.溫躍層，在混合層以下和恒溫層以上，水溫隨深度增加而急劇降低，水溫垂直梯度大。3.恒溫層，在溫躍層以下直到海底，水溫一般變化很小，常在2～6℃間，尤其在2000～6000米深度區(qū)，水溫為2℃左右，故稱恒溫層。海管鋪設(shè)在不同海域，不同深度的海水中，需要考慮外部海水對試壓介質(zhì)海水帶來的溫度變化的影響。一般情況下，我們認(rèn)為內(nèi)外溫差不大于0.1℃是比較理想的熱平衡狀態(tài)。

3.水溫變化對試壓的影響

在試壓過程中，管道可以看作一個密閉容器，當(dāng)水充滿后，水的容積與管道的容積相等，即 ，管道受壓力和溫度影響容積變化與水受壓力和溫度影響體積變化也相同，由此可得：

上式中， 為管內(nèi)介質(zhì)溫度每降低1℃的壓力降； 為鋼材的熱膨脹系數(shù)， ； 、 分別隨溫度壓力變化的兩個變量，在不同溫度和壓力情況下數(shù)值不同，海水的 、 的值如下表所示：

3.1案例分析

以8英寸單層保溫管道為例，用理論計(jì)算得到的溫度變化規(guī)律進(jìn)行壓降分析。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下表所示：

將各項(xiàng)參數(shù)代入得：

即管內(nèi)介質(zhì)溫度降低1℃，管內(nèi)壓力降低0.1933MPa。

從圖中可以看出，隨著時間的推移，溫降和壓降的減小速率越來越慢。

要想實(shí)現(xiàn)管道滿足要求，保壓階段在壓力穩(wěn)定后至少應(yīng)保持24H，并且試驗(yàn)期間壓力在試驗(yàn)壓力的±0.2%范圍，也就是說管道內(nèi)壓力變化不應(yīng)超過7.364kPa，按照公式，24H內(nèi)溫度降低不應(yīng)超過0.0381℃，根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，從海管注滿水后計(jì)時，在第500H之后開始保壓，才可以滿足熱平衡的要求。同樣，我們按照不同的壁厚比，同樣選取100bar的試驗(yàn)壓力，可計(jì)算得出以下圖表：

3.2小結(jié)

由以上的計(jì)算可以看出，在海管嚴(yán)密性滿足的前提下，試壓介質(zhì)的溫度變化帶來較為劇烈的壓力變化，直接導(dǎo)致了試壓的不合格。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)較為理想的熱平衡，控制試壓介質(zhì)在保壓周期內(nèi)的溫度的基本穩(wěn)定，就成了制約試壓成敗的關(guān)鍵因素。內(nèi)外海管海水溫度差越大，熱平衡時間越長，導(dǎo)致試壓失敗的可能性越大，而在深水大溫差的海洋環(huán)境中，動輒幾百個小時的熱平衡時間，來實(shí)現(xiàn)滿足試壓要求幾乎是不可能的。

4.控制措施及建議

為了保證試壓的成功，實(shí)現(xiàn)海管的成功交投產(chǎn)，在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐中，提出以下建議供參考：

1.盡量選取與管線鋪設(shè)深度相同或相近的水深的海水作為試壓介質(zhì)。比如在淺水海域，如渤海，黃海等區(qū)域，條件允許的情況下，應(yīng)將清管泵的抽水口布置在接近海床的深度，這樣可以保證注入海管內(nèi)的海水與海床附近的海水水溫基本一致，大大減少熱平衡的時間。

2.對于深水海管，例如超過300米甚至鋪設(shè)深度更大的管線，想要抽取海底深度的海水是非常困難的。這就要求我們參考海水垂直分布規(guī)律，一方面盡量選擇溫度接近的海水，另一方面也可以對抽取上來的海水在作業(yè)船舶上通過冷卻水箱等設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕禍靥幚怼?/p>

3.對于超深水管線，例如超過1000米甚至更深的管線，應(yīng)考慮采用水下清管試壓的工藝，即將設(shè)備布置在海底，采用ROV在海底直接進(jìn)行清管試壓作業(yè)。這樣施工，可以最大限度了降低了海管內(nèi)外溫差，是比較理想的作業(yè)模式。

4.無論采取何種措施，都需要在理論上計(jì)算出實(shí)現(xiàn)熱平衡的時間，在工程實(shí)施中，指導(dǎo)選取合適的時間窗口進(jìn)行試壓作業(yè)。

參考文獻(xiàn)

[1]王長濤 姜瑛 深水海管水下清管試壓技術(shù) 清洗世界 第31卷第九期

[2]樊友勇 影響工藝管道試壓的因素分析 中國機(jī)械

（作者單位：海洋石油工程股份有限公司）