某FPSO項目高壓密性實驗關鍵技術研究

劉焰明，朱武，陳兆勝，高榮俊

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

隨著海洋石油工業的不斷發展，越來越多的深海油氣田陸續得到開發。為保證油氣田的安全投產，對石油生產設施工藝系統進行密性試驗是保證油氣田投產必不可少的質量安全檢驗措施。而隨著油氣田作業水深的不斷增加，工藝系統的壓力不斷提高，密性實驗的壓力隨之不斷提高。

1 海洋石油生產設施密性試驗研究現狀

目前國內外對于密性試驗相關的標準及文獻研究較少，文獻規定了氣密實驗壓力需為最大工作壓力的1.1倍；文獻中對于氣壓實驗的安全距離提出了詳細的計算方案和要求。文獻對于高壓油氣田氣密計劃的編制以及主要步驟進行了論述。文獻對密性試驗過程中壓力降計算進行了分析和介紹。文獻對密性試驗的系統安全進行了分析。文獻對試驗過程中檢測系統進行了設計和介紹。但是，目前國內外鮮有文獻對壓力試驗的技術要點、試驗程序、注意事項有系統的分析。本文將以某大型FPSO密性試驗為例，分析海上超高壓油氣設施氣密試驗關鍵技術。

2 密性試驗關鍵技術要點

氣密試驗也叫泄漏性試驗，是以氣體為試驗介質，在設計壓力下進行試驗，以發泡劑，顯色劑，氣體分析感測儀或其它專門手段檢查管道系統中的泄漏點。氣密試驗前則要求必須管線系統壓力試驗合格，且完成法蘭管理，以保證在管線整體強度合格，螺栓、墊片、法蘭面緊固可靠，然后以相對于壓力試驗較低的壓力進行。

氣密試驗中管道系統需安裝安全閥或其它類型的過壓保護裝置，當氣密包所包含的系統具有不同的壓力等級時，氣密實驗壓力的選取需依據氣密包內最低設計壓力或操作壓力。

2.1 密性試驗范圍

氣密試驗的目的往往被視為項目里管路系統的運行前最后一道測試工序，對于存在可拆卸接頭的管道系統，均要求完成氣密試驗。需要進行檢測的節點包括法蘭節點、螺紋連接點、人孔及手孔、閥蓋等等。對于不參與試驗的設備應使用盲板或其它方法與管線隔離，閥門在滿足密性試驗壓力時也能用于隔斷。對于泵、壓縮機、鼓風機等動設備，往往不參與密性試驗。氣密實驗的介質通常為氦氣或者壓縮空氣。為盡量減少氣密實驗的工作量，當管道系統實際運行介質為液相或者氣液混合相時，可以與業主協商使用純水作為實驗介質，試驗結束后對工藝管線內部進行吹掃和干燥處理。

2.2 氣密實驗壓力

氣密試驗的具體要求需要在項目的執行過程中與業主進行澄清，由于在各個標準中，氣密壓力要求不一。在有的國內企業標準中，考慮到氣密試驗所帶來的危險因素，將氣密試驗的最大壓力設定為不超過0.6MPa。而在本FPSO項目中，按照業主要求，試驗壓力需按照管道系統操作壓力的1.1倍或者設計壓力的0.95倍來進行。對于需要將壓力容器或其它靜設備包括在氣密包內的系統，氣密試驗壓力需考慮壓力容器的承受能力。在氣密試驗的過程中，如果穩壓過程中壓降大于10%的試驗壓力，氣密試驗必須予以終止并重新進行試驗。

本項目中工藝系統管線最高設計壓力為630bar，該系統氣密實驗壓力高達598bar，遠遠超過國內海工油氣項目的氣密實驗壓力，因此，對實驗程序以及相關技術管理提出了更高的要求。

2.3 密性試驗安全距離

氣密試驗由于被壓縮氣體在密封容器內存在物理爆炸，爆炸時，密封系統內的高壓氣體急劇絕熱膨脹對外做功引起介質變形、移動和破壞，產生超壓波對周邊設施產生損害的可能性，因此，必須劃分隔離區域，從而減少對人員的損害。破壞力的大小與密封系統的壓力，以及儲氣體積有關。

由于并無標準對氣密實驗的安全距離進行規定，因此，本項目中安全距離參考ASME PCC-2 中對于氣壓試驗安全距離的計算公式：

其中：E——系統儲能，J；k——測試流體比例因子，當測試氣體為壓縮空氣或者氮氣時，k取1.4；Pa——絕對大氣壓，101kPa；Pat——絕對測試壓力，Pa；V——測試系統容積；TNT——TNT當量，Kg；R——隔離距離；Rscaled——隔離范圍系數。

根據上述公式，可計算出理論上的ZONE1，ZONE2，而ZONE3無相關計算標準，通常項目的區域至少在ZONE2外圍。

ZONE1：禁區(升降壓時禁止任何人員進入)，此區域內風險評估為可造成人員傷亡。

ZONE2：限制區(非氣密作業人員不得進入)，此區域內風險評估為可造成人員肺部、耳膜，設施損壞。

ZONE3：隔離區(無關人員不得進入)，此區域內風險評估為飛濺物飛行距離影響區域，有潛在砸傷人員設施風險。

通常隔離區域至少為ZONE2外圍，考慮到氣密實驗前系統已完成相應的壓力試驗，有的專業公司通常將隔離區域僅設為10m～15m。

2.4 法蘭管理

進行氣密試驗前，相應的法蘭節點需完成法蘭管理，對法蘭節點進行編號并掛牌。對于臨時法蘭或者“假管”，為保證氣壓安全性，要求試壓臨時法蘭需按照法蘭管理程序執行，并需要掛臨時牌，如圖1。

圖1 FLANGE 臨時掛牌模板

法蘭螺栓需用扭力扳手或拉力器等工具按規定力矩進行緊固。緊固力通常需考慮壓力試驗的升降壓過程。

在選用法蘭螺栓緊固力矩時，需根據法蘭及墊片的材質與類型進行分類。

（1）非金屬法蘭包括玻璃鋼、PVC、鋼骨架等法蘭，緊固力矩由法蘭廠家提供。

（2）金屬法蘭，常用的法蘭標準用ASME B16.5，NORSOK L-005，API6A，需根據標準里推薦的力矩進行法蘭緊固，對于非標法蘭，要求法蘭廠家提供相應的測試數據，作為螺栓緊固參考。

（3）絕緣法蘭，考慮到絕緣墊片的強度問題，法蘭管理時應考慮絕緣墊片的強度，絕緣墊片的力矩由絕緣墊片廠家提供。

3 密性試驗程序的編制

通常試驗程序包括方案編制、方案審批、技術交底、法蘭或其它連接點、試驗前檢查、試驗后恢復、填寫實驗記錄、資料存檔等步驟。

（1）氣密試驗前，管線及設備必須完成壓力試驗，有認可的壓力試驗記錄/報告，設備及管線外觀檢查合格，無銹蝕無破損，壁厚符合檢驗規范要求。

（2）氣密試驗前法蘭節點法蘭、螺栓、墊片規格材質正確且有材質證書，連接點扭矩達到規格書要求且有檢驗記錄。

（3）氣密實驗前所有系統上的儀表必須在標定周期內且安裝到位檢驗合格。

（4）彈簧吊架和配重吊架在試驗過程中處于鎖定狀態。

3.1 氣密實驗準備

（1）在氣密試驗之前，必須保證測試系統的機械完整性。

（2）氣密試驗時，所有的關鍵閥門需鎖住在指定位置，業主及氣密試驗代表需簽署閥門隔斷表。

（3）現場實際執行如與程序有偏離存在，需列出偏離項清單報氣密試驗現場代表及業主批準。

（4）氣密試驗前應檢查所有軟管是否綁緊或者有安全屏障，以避免試驗時松脫而搖晃甩動，并檢查軟管連接管線鎖扣的完整性。

（5）下雨天不能進行氣密試驗，如果要試驗應該提供遮蔽物或其它防風物。

（6）如有要求，所有的測試法蘭節點上需纏有PVC膠帶。

3.2 氣密試驗流程

氣體密性實驗流程圖見圖2，主要分為升壓、檢測與降壓三個階段。

圖2 氣密試驗流程圖

（1）升壓。系統升壓過程中，需綜合考慮以下幾點。

①使用柴油氮轉換器時，所使用的泵必須打開接通，泵發動機需加熱到工作溫度且啟動，直到產生連續的液態氮（通常該過程需持續45分鐘）。②所使用注入氣密密性試驗介質高壓軟管在試驗前應先行測試軟管密性。若發現密性軟管存在泄漏，需立即進行降壓、修復并對軟管重新進行測試。③注氮速率需依據管線及設備的體積，并綜合考慮每個包做密性試驗所需時間。④系統初始升壓應緩慢進行，升壓過程中若發生泄漏，升壓應立即進行終止，并按照既定程序進行降壓，整個降壓操作需得到氣密試驗負責人及業主許可。⑤氣密試驗進行時，升壓速率需由氣密試驗負責人控制，但不得超過注氣軟管測試時的升壓速率。⑥當試驗壓力穩定時，關閉管匯閥門，關閉泵及軟管。⑦管線系統的壓力應緩慢增加到25%的試驗壓力并保壓5分鐘，在壓力達到6bar時應穩壓檢測系統是否泄漏，如不泄漏繼續增大至試驗壓力的50%并保壓5分鐘，試驗壓力應維持試驗包中規定的最短時間，但不應小于最少保壓15分鐘或繞整個系統泄漏檢查一圈的時間。

（2）檢測。在氣密試驗壓力達到后應進行檢查，保持壓力，此時可以使用泡沫檢測泄漏。如果系統壓降超過10%，應考慮重新增壓。如果發現泄漏，應在PID及氣密試驗報告中記錄，并在泄漏節點貼泄漏標簽，也可以在膠帶插管，另一端插入水中，如果有氣泡為泄露（用此法檢測高壓提高安全性，光照足夠，每人配備望遠鏡），如果壓力表看到壓降，但是測試系統沒有發現泄漏，可使用超聲波測試方法。

（3）降壓。當系統中所有的節點已經完成測試，系統應逐步開始降壓，系統內壓力以25%試驗壓力的幅度遞減到170kPa，最后泄壓到0，達到每一步的停點都要保壓5分鐘。泄壓應逐步進行避免壓力波。降壓過程中，所有的放空點應打開，系統完全泄壓后，應反復開關閥門以保證系統徹底泄壓。如有特殊要求，測試系統內可殘留壓力，但此時應形成報告移交業主及測試方。

4 結語

隨著深海油氣作業水深的不斷增加，為真實模擬投產后的實際運行情況，檢驗系統的安全性，對管道和設備系統高壓以及超高壓氣密試驗是今后海洋石油設施施工技術發展的趨勢，是確保油氣管線及設備安全、有效運行的有力施工技術保障。為保證氣密試驗的安全性，需全面分析設備與管線的實際運行狀況，在氣密試驗前完成壓力試驗及法蘭管理。而對于目前國際上許多大型項目，模塊化全球建造，在某一個場地進行集成，則需仔細分析模塊氣密試驗報告，對此在編制相應的施工計劃時，需結合考慮相應模塊壓力包的完成情況。

進行壓力容器和管道系統氣密試驗時，特別是高壓試驗時應注意防護，發生氣體泄漏甚至爆炸是非常危險的。因此氣密檢測試驗時一定要做好防護措施，避免對人員設備的危害。在編制施工計劃時，需考慮風險因素，確保計劃的可行性。