在役雙層海底管道試壓難點分析

蔣孟生，艾改陽，陳秋實，黃貴平

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000)

當海底輸油管線使用一定年限后，內外腐蝕和疲勞會導致其強度下降，存在泄露和溢油風險。對海管實施耐壓測試(試壓)，是檢驗其承壓強度的有效方法[1]。中國南海海域的大部分油田水深超過100 m，海床溫度較低(15～25 ℃)，海管通常被設計成雙層管結構。雙層海管在耐壓測試時內部介質向海床散熱緩慢，要達到熱量平衡通常耗時20 d以上，工期遠超單層海管[2]。對于生產中的油田，必須改良傳統保壓方法以減少關停損失。文獻有提到可以縮短試壓工期的方法，但試壓過程與常規法完全相同，不具有現場實操性[3]。針對在產油田的海管試壓難點，基于DNV-OS-F101規范要求，試圖建立一種更高效的試壓工藝，從而減少油田關停損失，提供工程技術借鑒。

1 海管試壓的基本原則

目前國內海底管道標準為SY/T10037—2010《海底管道系統規范》，采標于挪威船級社(DNV)DNV-OS-F101：2013《海底管道系統規范》，該標準第9章第15節“最終試驗和運行設備”中描述了海底管道最終耐壓測試的方法，在第10章給出了接受的標準。

國內新完工海底管道試壓時，一般采用DNV推薦做法，這是適用所有海管的通用標準。海管耐壓測試主要步驟有排氣、增壓、保壓(等待熱力穩定)和泄壓。其中耗時最長的保壓環節，即管內介質向海床散熱的過程，這個過程常常占據工期的80%以上。在DNV-OS-F101中規定，保壓時管道內空氣的含量不得超過管道總體積0.2%，試驗壓力不小于1.05倍偶然壓力，保壓穩定后，繼續測試24 h以上。如果最后的24 h內壓力波動在±0.2%以內，則試壓合格。

可以看出，常規的試壓是分析海管熱力穩定之后的數據，因此工期耗時很久。由于目前沒有專門針對在役海管的試壓標準，因此可以在不超出標準約束范圍內，以“保壓期間的壓力波動在±0.2%以內”作為分析重點，探索可以縮短保壓時間的方法。

2 雙層海管對溫度的敏感分析

2.1 雙層海管換熱規律

無論海管以裸露或填埋方式敷設在海底，保壓期間都將持續換熱直到海管的內外溫度達到平衡。影響管線傳熱效率的因素很多，可使用如下公式進行計算[4]。

(1)

式中：θt為停輸油時間t后管內介質溫度，℃；θs為開始停輸時管內介質溫度，℃；θe為海底環境溫度，℃；R為管道外徑，m；do為鋼管內徑，m；don為各層管外徑，m；din為各層管內徑，m；k為管道總傳熱系數，W/(m2·℃)；t為停輸時間，h；ρi為鋼材及保溫材料的密度，kg/m3；Ci為鋼材及保溫材料的導熱系數，J/(kg·℃)；Co為管內介質導熱系數，J/(kg·℃)；ρo為管內介質密度，kg/m3。

2.2 管內溫度和壓力關系

海管試壓過程是在一個充滿水的密閉空間里，假如沒有空氣影響，水膨脹的體積將恰好等于管道膨脹的容積。因此在試壓期間，因溫度和壓力改變導致的海管容積和水的體積是相等的。對于溫度與壓力的影響，可從水的熱力學特性和鋼管的彈性力學兩個角度闡釋。水的熱力學性質表明溫度變化是導致體積膨脹的主要因子；而對于鋼管，溫度和壓力變化引起的容積改變量均需要考慮[5]。該平衡原理用以下公式描述。

(2)

式中：p為溫度變化1 ℃時壓力變化值，MPa；C為水的壓縮型因子；B為水的膨脹系數；A為鋼管的線性膨脹系數，選用A=1.2×10-5；t為內管的壁厚，m；y為鋼管泊松比；E為鋼材彈性模量，E=2.07 MPa；D為內管的外徑，m。

該公式未考慮管線在軸向延伸時與海床的摩擦力，由于南海的海底管線基本裸露于海床上，延伸摩擦力可以忽略，因此適用。

3 雙層海管快速試壓方法

某混輸雙層海管投產于2008年，設計壽命15年，管徑323.9 mm，壁厚11.1 mm，設計壓力1.0 MPa，實際運行壓力0.5 MPa。由于附近的新油田開發，該管線承擔的輸量將大幅增加，為了確保安全使用，該管線在新油田投產前必須進行壓力測試，以獲得船級社法規認證。

3.1 擬合海管傳熱數據

3.1.1 傳熱數據的反算

在式(1)中，大部分數據都可直接引用設計數據，而環境溫度、管內介質初始溫度、鋼材和保溫材料的導熱性能、總傳熱系數都需要在現場采集或推導。環境溫度即海床溫度，作業中使用遠程可記錄溫度儀放至海底獲得。管內介質采用表層海水，使用地面溫度監測儀采集。對于各層材料的導熱性能，可提前對海管實施透水檢測(FMD)，未透水的海管一般沿用設計參數。

總傳熱系數k按照下面公式計算。

(3)

式中：G為生產期間的油品質量流量，kg/s；c為輸油溫度下的油品比熱容，J/(kg·℃)；θR為起點油溫，℃；Tz為終點油溫，℃。

當海管與海床處于穩態傳熱時，管道外壁面的散熱模型是流體繞流的傳熱模型，對于海管外壁向海水的散熱，其熱阻可近似忽略。由于上述公式是經穩態傳熱關系導出的，因此只適用于輸量和溫度都穩定的情況，此時認為k是一常數，不隨其他參數變化。一旦輸量和油溫變化時，k值則處于變化中，此時計算結果不能準確反映管道總傳熱變化。另外，公式沒有體現管內油流摩擦產生熱量的影響，因此僅適用于摩擦熱量不大且沒有發生相變的工況。

調取目標海管在耐壓測試前期的輸油量和輸油溫度都穩定的運行日報，這段時間內海管日輸送液量維持在13 800～14 200 m3，含水率為15%～30%，入口溫度約70 ℃。

通過以上生產數據同步進行總傳熱系數的反算，得到一系列數據，其中k最大和最小值分別為2.79和1.83 W/(m2·℃)。將輸送液量、含水率、反算數據繪制成成圖1。為了使計算更保守和安全原則，選取最大值2.79 W/(m2·℃)作為當前總傳熱系數。

圖1 反算得到的海管總傳熱系數

根據目標海管的的物理參數，將反算得到的總傳熱系數k代入海水溫度θs，海底溫度為θe，可以得到海管的穩態傳熱過程和管內介質的溫度變化趨勢，見圖2。

圖2 目標海管內介質的溫度變化

可見當表層海水注入后，溫度逐漸下降，直到第355 h才達到平衡，意味著此刻才能保住壓力。顯然，這個換熱時間對于該在產油田難以承受。

3.2 快速試壓程序(升壓-降壓法)

3.2.1 快速脫氧操作

殘余空氣是影響海管穩壓效率的重要因素。為了將空氣的影響降至最低，同時避免升壓階段反復排氣，補水前提前注入足量高效脫氧劑和殺菌劑，直到含有藥劑的海水充滿海管。

3.2.2 連接系統

連接試驗系統，對高壓管線、閥門、儀表和管匯應按照試壓流程圖進行連接，將兩端無關的系統全部隔離加盲板。用一定壓力進行短暫的泄漏試驗，確保隔離位置不發生可見泄漏。

3.2.3 排氣升壓

補水前先從下游排出空氣，直到沒有空氣時關閉排氣閥。對管道系統進行加壓時，壓力應以不大于0.01 MPa/min的速度升到試驗壓力的35%。升壓期間根據DNV推薦方法計算空氣含量[6]，繼而以小于0.01 MPa/min的速度升到試驗壓力的50%和90%。

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3.2.4 快速試壓操作程序(升壓-降壓法)

對于常規試壓，當加壓到試驗壓力的100%時開始保壓。隨著保壓時間的推移，海管壓力會以較大幅度下降，直到管內壓力降低到穩定值。

新方法與常規試壓不同的是，當壓力降到一定程度時，重新補壓到試驗壓力(也可每8～12 h補壓一次)，記錄每階段升壓后壓降的過程值。

首先計算得出海管的理論壓降值，施工中將該值與實測壓力進行對比，當兩者差值始終趨于一致，表明壓降是由溫度平衡導致的。

3.3 實例應用分析

目標海管因強度檢驗需要停產試壓，而油田的計劃停產時間只有3 d。查閱該海管在10年前的工程試壓，耗時工期21 d，因此本次使用新方法試壓?，F場人員于2018年6月15日11點開始排氣，于14點逐漸加壓到1.152 MPa。注入表層海水作為試壓介質，表層海水溫度為28.4 ℃，海底環境溫度為21.5 ℃。常規試壓是為了獲得保壓穩定后的24 h數據，而新方法試壓一旦開始的數據都將作為有效計算數據。每當壓力降低0.6 MPa或保壓達到8 h，則重新升壓到1.152 MPa，全程試驗記錄見圖3。

圖3 海管試壓期間的壓力和溫度

可見試保壓期間海底環境溫度變化很小，從21.6 ℃升到21.8 ℃。隨著時間推移，海管壓降趨勢變得平緩，從宏觀上顯示出這條海管狀態較好，但無法排除輕微的滲漏。因此，需進一步利用對比法判斷。

從圖3中任意截取一段完整的“升壓-降壓”數據。根據溫降公式，計算該時間段管內介質的理論溫度。在每一個溫度梯度上，可以查到對應的水體積膨脹系數和壓縮因子，由此得到理論上每發生1 ℃溫降導致的壓降值。

選取16日22點36分到17日8點36分的數據，實測壓力從1.151 MPa降至0.778 MPa，而從初始時刻推導出該時間段內海管溫度將從26.9 ℃將至26.0 ℃，與之對應的理論壓力將降至0.732 MPa，見圖4a)。

可見總體理論壓降為0.419 MPa，實測壓降為0.373 MPa，兩者差值在合理范圍，且實際壓降略低于理論壓降，說明計算合理，管線沒有泄露。

同樣的原理，選擇17日23點31分到18日09點55分數據。海管在這段時間先被加壓到1.152 MPa后，隨后緩慢降至0.934 MPa，見圖4b)。

圖4 理論壓降和實測壓降對比

可見，管內介質溫度在理論上將從25.6 ℃降低到25.1 ℃，對應的壓降應為0.248 MPa，而實測的壓降為0.218 MPa。

對比圖4a)和b)，后者理論溫降和理論壓降更加平緩，理論壓力和實測壓力曲線也更加貼近，說明傳熱計算合理。經過上面2次對比，現場獲取的實測壓力和理論壓力降均趨于一致，且實測壓降略低于計算壓降。試壓期間對目標海管實施多次驗證，結果均保持一致，說明強度滿足規范要求，且滿足要求的最大承壓能力。

4 結論

1)海管肩負著正常輸油任務，通用的試壓標準不適用，但可以建立一套既滿足標規范原則，又能大幅減少生產損失的辦法。

2)分析雙層海管試壓機理，通過生產數據擬合得到海管當前的傳熱狀態，從而得到海管在試壓初期的預期規律，再以快速試壓現場數據與理論數據對比驗證，能準確判斷海管是否泄漏。

3)對于常規耗時數周的海管試壓作業，快速方法僅需1～3 d即可完成全部分析，因此對在役老海管的延期評估、法規檢驗等具有實際意義。