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        國產(chǎn)復(fù)合軟管在潿洲6-1油田復(fù)產(chǎn)項目中的應(yīng)用

        2012-11-02 04:01:15易滌非李挺前尹彥坤
        石油工程建設(shè) 2012年3期
        關(guān)鍵詞:絞盤靜水壓力軟管

        易滌非,李挺前,尹彥坤

        (湛江南海西部石油勘察設(shè)計有限公司,廣東湛江524057)

        國產(chǎn)復(fù)合軟管在潿洲6-1油田復(fù)產(chǎn)項目中的應(yīng)用

        易滌非,李挺前,尹彥坤

        (湛江南海西部石油勘察設(shè)計有限公司,廣東湛江524057)

        潿洲6-1油田復(fù)產(chǎn)項目首次使用國產(chǎn)復(fù)合軟管進行海上輸氣,這存在一定的技術(shù)風(fēng)險,必須對國產(chǎn)復(fù)合軟管在該工程中的應(yīng)用進行試驗評價或計算分析。文章從復(fù)合軟管介紹、復(fù)合軟管的在位狀態(tài)、運輸及鋪設(shè)等,介紹了該復(fù)合軟管在應(yīng)用過程中需要進行試驗評價或計算的內(nèi)容和試驗方法,并對遇到的問題提出解決方法。該國產(chǎn)復(fù)合軟管在潿洲6-1油田復(fù)產(chǎn)工程中得到了成功的應(yīng)用。

        海上輸氣;國產(chǎn)復(fù)合軟管;試驗評價;試驗方法;應(yīng)用

        0 引言

        潿洲6-1平臺三口井由于受油藏影響及自身作業(yè)條件限制,無法繼續(xù)生產(chǎn)而關(guān)停,為了恢復(fù)該平臺產(chǎn)能,須對三口井進行人工舉升。若通過引WZ12-1PAP平臺注氣壓縮機出口的高壓天然氣經(jīng)海管至WZ6-1油田對該三口井進行氣舉,則需要在WZ12-1PAP與WZ6-1平臺之間新鋪設(shè)一條約12 km的海管。

        潿洲6-1油田復(fù)產(chǎn)項目在可研階段對該項目新鋪設(shè)海管是采用常規(guī)鋼管還是國產(chǎn)復(fù)合軟管進行了對比。常規(guī)鋼管鋪管船費用高,每段鋼管長度通常是12.2m,海上焊接檢驗工作量巨大,鋪設(shè)周期長;而復(fù)合軟管的鋪設(shè)采用一般的動力定位船即可,鋪設(shè)船只費用相對較便宜,另外復(fù)合軟管因為是連續(xù)纏繞在絞盤上,整盤軟管長度可達幾千米,海上連接工作量很少,鋪設(shè)周期短。本項目的對比結(jié)果表明,采用國產(chǎn)復(fù)合軟管方案其工程投資可節(jié)省約5000萬元人民幣,因此確定該條海管采用國產(chǎn)復(fù)合軟管。但國產(chǎn)復(fù)合軟管還沒有用于海上輸氣的先例,存在一定的技術(shù)風(fēng)險,為確保國產(chǎn)復(fù)合軟管滿足本項目的要求并安全可靠地實施,項目組進行了大量的調(diào)研、論證、試驗。筆者有幸參與了該項目,下面對國產(chǎn)復(fù)合軟管在運輸、鋪設(shè)、運行方面需要考慮的問題以及解決方法進行總結(jié),以供類似項目參考。

        1 復(fù)合軟管介紹

        復(fù)合軟管是由多種不同材料組成的,不同材料位于不同層,所起作用也各不相同,使軟管的性能得到提高,特別是應(yīng)用了金屬材料,極大地提高了軟管的性能。

        國產(chǎn)復(fù)合軟管一般由五層構(gòu)成,由內(nèi)向外依次為內(nèi)襯層(聚乙烯)、金屬增強層(鋼帶層)、隔離層、金屬保護層(鋼帶層)、非金屬保護層(聚乙烯)。所有這些層之間是非粘結(jié)的,可以相對滑移,如圖1所示。

        圖1 國產(chǎn)復(fù)合軟管剖面示意

        2 復(fù)合軟管的在位狀態(tài)

        復(fù)合軟管在位狀態(tài)主要需考慮三個問題,一是內(nèi)壓,二是內(nèi)襯層外壓壓潰,三是垂向穩(wěn)定性。

        潿洲6-1平臺三口井的氣舉壓力為7 MPa,氣舉量為5萬m3/d,根據(jù)海底管道水力計算結(jié)果,確定復(fù)合軟管內(nèi)徑及壓力參數(shù)如表1所示。

        表1 復(fù)合軟管參數(shù)

        2.1 內(nèi)壓

        從表1中可看出,復(fù)合軟管在運行期間需要承受的最大內(nèi)壓為16.9 MPa,此外由于輸送介質(zhì)為高壓氣體,對于復(fù)合軟管還需要考慮軟管爆破壓力大于等于39 MPa。復(fù)合軟管結(jié)構(gòu)復(fù)雜,無法準(zhǔn)確模擬計算復(fù)合軟管的承壓能力,因此需要用試驗的方法測定復(fù)合軟管的承壓能力。考慮可能出現(xiàn)的情況,需要進行如下試驗,以驗證復(fù)合軟管能否滿足本項目的壓力要求。

        2.1.1 靜水壓力試驗

        考慮水壓測試應(yīng)滿足試驗壓力16.9 MPa的要求,需要對復(fù)合軟管的承壓能力進行驗證。對復(fù)合軟管試件充水打壓,進行靜水壓力試驗,同時在打壓檢驗過程中需要時刻檢測管道的伸長變形量,保證管道的變形不對管材的承壓能力造成影響,試驗裝置見圖2。

        圖2 靜水壓力試驗裝置示意

        試驗判斷條件:在試驗壓力≥16.9 MPa情況下,根據(jù)API SPEC 17J規(guī)范的要求,穩(wěn)壓24 h,壓降≤4%,復(fù)合軟管無破壞、無泄漏,接頭無變形和損壞。

        2.1.2 靜氣體壓力試驗

        考慮到管道的輸送介質(zhì)是氣體,需要對復(fù)合軟管在氣體介質(zhì)條件下的承壓能力進行驗證。

        試驗方法與靜水壓力試驗方法類似,不同的是需要把打壓設(shè)備換成氣體增壓泵,另外氣體壓力試驗比較危險,需要在空曠的環(huán)境下,并且與人保持一定的安全距離。

        試驗判斷條件:試驗壓力≥16.9 MPa,根據(jù)API SPEC 17J規(guī)范的要求,穩(wěn)壓24 h,壓降≤4%,復(fù)合軟管無破壞、無泄漏,接頭無變形和損壞。

        2.1.3 高溫靜水壓力試驗

        考慮輸送管道進口端的溫度為55℃,需要對復(fù)合軟管在高于此溫度下的承壓能力進行驗證。

        試驗方法與靜水壓力試驗方法不同的是需要把試件放入恒溫水箱中,其他與靜水壓力試驗一致。

        試驗判斷條件:在70℃恒溫水中,試驗壓力≥16.9 MPa,根據(jù)API SPEC 17J規(guī)范的要求,穩(wěn)壓24 h,壓降≤4%,復(fù)合軟管無破壞、無泄漏,接頭無變形和損壞。

        2.1.4 彎曲靜水壓力試驗

        考慮到復(fù)合軟管在平臺端有彎曲段,起膨脹彎作用,需要對復(fù)合軟管在最小彎曲半徑條件下的承壓能力進行驗證。

        試驗方法與靜水壓力試驗方法基本一致,不同的是需要把復(fù)合軟管試件彎曲,使其達到最小彎曲半徑狀態(tài)。

        試驗判斷條件:在試驗壓力≥16.9 MPa情況下,根據(jù)API SPEC 17J規(guī)范的要求,穩(wěn)壓24 h,壓降≤4%,復(fù)合軟管無破壞、無泄漏,接頭無變形和損壞。

        2.1.5 爆破壓力試驗

        為保障管道輸送氣體的安全,滿足爆破壓力39 MPa的要求,需要對復(fù)合軟管的最高承壓能力進行驗證。

        試驗方法與靜水壓力試驗方法相同,但是需要對試件緩慢加壓直到試件破壞。

        試驗判斷條件:在試驗爆破壓力超過39 MPa情況下,根據(jù)API RP 17B規(guī)范的要求,接頭無變形和損壞。

        2.2 內(nèi)襯層壓潰試驗

        在輸送天然氣過程中會發(fā)生透析現(xiàn)象,從而使得少量氣體透過內(nèi)襯層到達金屬增強層,氣體不斷累積,可能會導(dǎo)致軟管鼓包或破裂,為了解決此問題,在接頭處設(shè)置泄壓閥。泄壓閥為單向閥,打開壓力為0.7~0.8 MPa(考慮水深30~40 m),關(guān)閉壓力為0.6~0.7 MPa,在內(nèi)輸介質(zhì)停止時,此時內(nèi)襯層最大可能受到0.8 MPa的外壓,因此需要對內(nèi)襯層的抗外壓能力進行驗證。這里需要說明,由于潿洲海域水深基本在40 m以下,對于復(fù)合軟管海底承受的外壓不超過0.4 MPa,所以如果內(nèi)襯層能承受外壓0.7~0.8 MPa,那么復(fù)合軟管的海底外壓壓潰問題就不存在了。

        將內(nèi)襯層作為試件,將試件裝入密封裝置中,試件兩端與密封裝置之間用密封圈密封,并用法蘭擰緊,使密封裝置內(nèi)的試件外壁與裝置之間形成環(huán)形密封空間,通過對環(huán)形空間充水打壓進行試驗。試驗裝置見圖3。

        試驗判斷條件:在試驗壓力>0.8 MPa情況下,內(nèi)管未出現(xiàn)屈曲變形即滿足要求。

        2.3 垂向穩(wěn)定性分析

        考慮復(fù)合軟管埋在泥面以下,需要校核在運行期間管道下沉或者上浮的可能性,采用鋼管常規(guī)的垂向穩(wěn)定性計算方法即可驗證復(fù)合軟管是否滿足要求。本項目的復(fù)合軟管雖然是用于輸送氣體的,但其下沉均按管內(nèi)充滿水考慮,而上浮則按管內(nèi)充滿氣體或者空氣考慮。

        圖3 壓潰試驗裝置示意

        3 復(fù)合軟管的運輸

        復(fù)合軟管是纏繞在絞盤上整盤運輸?shù)模ㄒ妶D4),在海上每盤軟管之間通過不銹鋼接頭焊接在一起。每盤軟管的長度就決定了海上焊接不銹鋼接頭的數(shù)量,從而影響到海上施工周期。為了盡可能縮短海上施工周期,就要求每盤軟管盡量長。而影響每盤軟管長度的因素:一是絞盤直徑,二是纏繞層數(shù)。

        絞盤直徑的大小取決于:

        (1)運輸工具??紤]汽車和船兩種,顯而易見汽車的尺寸和裝載能力使得絞盤直徑偏小,而船則可適應(yīng)較大直徑的絞盤,但是要用船直接裝運整盤軟管,需要把軟管生產(chǎn)車間建在岸邊。

        (2)復(fù)合軟管彎曲半徑。絞盤的半徑必須要大于復(fù)合軟管允許的最小彎曲半徑,以確保復(fù)合軟管彎曲纏繞在絞盤上仍處于其彈性范圍內(nèi),在引出絞盤時能立即恢復(fù)原始狀態(tài)。復(fù)合軟管的允許最小彎曲半徑由試驗測得,根據(jù)API RP 17B,復(fù)合軟管彎曲變形的橢圓度應(yīng)不大于3%,取一段復(fù)合軟管試件,在不同彎曲半徑下對其進行測量,測得橢圓度為3%時的彎曲半徑即為允許的最小彎曲半徑。

        纏繞層數(shù)的多少取決于復(fù)合軟管的抗擠壓能力。絞盤內(nèi)圈的復(fù)合軟管受到外面幾層復(fù)合軟管自重產(chǎn)生的擠壓作用,需要對此狀態(tài)進行校核,確保內(nèi)圈復(fù)合軟管不會被壓壞。

        圖4 軟管絞盤

        4 復(fù)合軟管的鋪設(shè)

        本項目的復(fù)合軟管適合采取邊挖溝邊鋪設(shè)的方式。其海上鋪設(shè)系統(tǒng)組成主要包括:埋設(shè)犁、臍帶絞車、收放線器、排線器、張緊器、升降裝置、門吊、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。鋪設(shè)方案見圖5,復(fù)合軟管從絞盤引出,經(jīng)過張緊器,從尾部的軟管托架下海,在海底通過埋設(shè)犁的導(dǎo)引落入溝底。

        圖5 復(fù)合軟管鋪設(shè)示意

        在鋪設(shè)過程中,主要需關(guān)注三個問題,一是復(fù)合軟管的軸向拉力,二是復(fù)合軟管的彎曲半徑,三是復(fù)合軟管的水平橫向穩(wěn)定性。

        4.1 復(fù)合軟管的軸向拉力

        根據(jù)鋪設(shè)方案,需要對鋪設(shè)過程中各種工況下(不同水深、高低潮位、棄管、拾管等)復(fù)合軟管所受到的最大軸向拉力進行計算(力學(xué)模型見圖6,可使用Zenriser等類似的軟件模擬計算),通過控制軟管入水角、軟管尾傾斜角度、軟管長度、軟管入水點與著地點水平距離、錨鏈直徑和長度、鋼絲繩直徑和長度、護攬水平距離,使得計算出的軸向拉力不超過允許最大軸向拉力(根據(jù)實際情況考慮一定的安全系數(shù))。復(fù)合軟管的允許最大軸向拉力通過軸向拉力試驗測得:使用扣壓機進行軸向拉力試驗,根據(jù)API SPEC 17J要求,取伸長率小于4%時的試驗拉力為復(fù)合軟管的允許最大軸向拉力。

        4.2 復(fù)合軟管的彎曲半徑

        圖6 鋪設(shè)狀態(tài)軟管力學(xué)模型

        根據(jù)鋪設(shè)方案,需要找出在鋪設(shè)過程中各種工況下復(fù)合軟管可能出現(xiàn)的最小彎曲半徑,使其大于允許最小彎曲半徑,并且考慮一定的安全系數(shù)。如不滿足,則需要控制4.1中所述參數(shù),使其滿足最小彎曲半徑要求。

        4.3 復(fù)合軟管的水平橫向穩(wěn)定性

        采用鋼管常規(guī)的水平橫向穩(wěn)定性計算方法計算,即使用AGA軟件進行水平橫向穩(wěn)定性分析。

        5 結(jié)束語

        對于本項目使用的國產(chǎn)復(fù)合軟管,除了考慮以上主要問題以外,還考慮了很多細節(jié)問題,比如接頭形式、接頭材質(zhì)、接頭防腐、與立管的連接等,在本項目中這些問題都得到了很好的解決,確保了國產(chǎn)復(fù)合軟管滿足本項目要求,能夠安全可靠地應(yīng)用。目前本條復(fù)合軟管已經(jīng)鋪設(shè)完成,并投入使用。潿洲6-1油田復(fù)產(chǎn)項目復(fù)合軟管的成功應(yīng)用,證明了國產(chǎn)復(fù)合軟管在潿洲海域可以用于海上輸氣,為國產(chǎn)復(fù)合軟管用于海上輸氣開辟了先例,也為降低海管鋪設(shè)成本找到了新的途徑。

        [1]DNV-OS-F101-2000,Submarine Pipeline Systems[S].

        [2]DNV RP E305-1998,On-bottom Stability Design[S].

        [3]API SPEC 17J-1999,Specification for Unbonded Flexible Pipe, second edition[S].

        [4]API RP 17B-2002,Recommended Practice for Flexible Pipe,third edition[S].

        10.3969/j.issn.1001-2206.2012.03.004

        易滌非(1982-),男,重慶人,工程師,2004年畢業(yè)于天津大學(xué),從事海洋固定式平臺及海底管道設(shè)計工作。

        2011-03-03

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