梁 超

(海洋石油工程股份有限公司，天津300452)

0 引 言

油氣資源對保證和加速國民經濟發(fā)展戰(zhàn)略意義不可忽視。面對我國南海豐富的油氣資源，走向深水成為我國海洋石油發(fā)展的必然趨勢，隨著我國對深海領域石油開采力度的加大，尤其是最近幾年對南海石油的勘探與開采，在南海海域鋪設的海管量越來越多，且基本上都采用雙層管(pipe-in-pipe)即管中管的結構，兩層海管之間填充保溫巖棉，以此來降低距離輸送過程中油氣溫度下降的損失，保證油氣在管道中的流動性，提高管線的使用壽命。

就渤海海域而言，由于水深較淺，表面海水的溫度和海底的溫度相差不大，所以完工海管在試壓期間海管內的水溫與海底的水體在短時間內基本上能夠完成熱交換，使管內和管外的水溫能夠達到一致。在不考慮其他因素的情況下，在 24h內海管中的壓力基本能保持在允許范圍之內。但南海海管的鋪設水深基本上都在100m以上，并且鋪設海管都為雙層保溫管，同時試壓用的壓力泵無法將海底的水提升至水面再注入海管中，南海海表水與海底水的溫差較大，雙層管的良好保溫性會使海管內的水溫與海底水溫的熱交換過程很慢，往往需要10d以上的時間，由此給整個項目帶來很大的成本負擔。

本文探討一種快速的海管試壓判定新方法，以此來節(jié)約施工工期，從而達到降低施工成本的目的。

1 試壓方法介紹

1.1 試壓原理與實施過程

由于海管內海水的體積是固定的，當確保海管無泄漏點的同時管內海水亦不存在溫度流失的情況，用壓力泵將海管內的壓力增加到設計值時管內的壓力將保持穩(wěn)定，不會隨時間變化。但當體積和溫度發(fā)生變化后，海管中的壓力也隨之改變，如圖 1、2所示。在海管試壓過程中，P-V曲線圖和 P-t曲線圖是判定海管是否有漏點存在的重要判定依據。按照 DNVOS-F101規(guī)范要求，海管試壓通過標準是:在 24h內，海管中的壓力變化不超出試驗壓力的±0.2%，如有溫度和其他因素影響壓力變化，允許值為不超出試驗壓力的±0.4%。

如圖 1所示，在理想狀態(tài)下，當溫度恒定時，管內的海水壓力與海水體積成正比。

如圖 2所示，理想狀態(tài)下，當海管內的海水體積不變，由于溫度的變化將造成壓力隨時間變化。

海管的試壓過程可分為3步:

① 升壓階段:按照規(guī)范要求對海管進行加水打壓，同時排出海管內的空氣和繪制 P-V曲線圖；②穩(wěn)壓階段:即熱交換階段，檢查并確保各個連接點的密閉性，同時對壓力變化進行記錄分析并繪制 P-t曲線圖；③保壓階段:當海管內溫度恒定后，保持海管試壓壓力 24h，觀察記錄管內壓力的變化趨勢，繪制最終的壓力-時間曲線圖，如圖3所示。

1.2 試壓測漏方法分析

如果海管出現泄漏，可視泄漏點為小管道，則此小管道中液體的流速、流量與壓力的關系如下:

圖3 保壓階段24h內的壓力變化曲線Fig.3 Pressure holding in 24h

式中:C為管道的謝才系數，C＝R1/6/n；L為管道長度；P為管道兩端的壓力差；R為管道的水力半徑，R＝d/4(d為內徑)；n為管道內壁糙率；ρ為液體密度；g為重力加速度；A為管道的過流面積；γ為管道的摩阻。

則從海管中泄漏的海水體積V(試壓時間為t):

假設海管在無海水泄漏時實際測量的壓力P0= { P1, P2, P3, … Pn}，那么如果海管在試壓過程中出現泄漏時泄漏出海管的壓力為Pα，則:

海管中的實際壓力P為:P = P0-Pα

假設α= CA(ρgγL )-1/2·k-1，t1=t2=…= tn=t，則

所以:

① 當泄漏點較大時(假設α＝10)，如圖 4所示，在海管升壓階段實際壓力曲線為非線性曲線，同時在升壓中期的穩(wěn)壓過程中會出現壓力下降的趨勢(此階段為穩(wěn)壓排氣階段，以此避免由于管內空氣含量過多而影響最終的判斷結果)，而且兩段直線段的斜率明顯不同。打壓過程中在達到系統試驗壓力的95%之前，加壓速率不得超過 0.1MPa/min，之后直至最終壓力(工程中推薦不超過試驗壓力的 10%并保證保壓壓力達到強度試驗的要求)加壓速率不得超過 0.01MPa/min。當壓力泄漏較為嚴重時，在后期的升壓階段，當升壓速率低于漏壓速率時，海管壓力反而會出現下降趨勢。

圖4 在升壓階段當α＝10時的壓力變化曲線Fig.4 The curve in pressure increasing phase with α＝10

此時，在升壓階段即可確定海管中出現了漏點，需要對海管以及試壓管線進行進一步的排查。

② 當泄漏點較小時(假設α＝2)，如圖 5所示，在海管升壓過程中，無漏點時的升壓過程和有漏點時的升壓趨勢基本相同無法區(qū)分。這意味著在短時間的海管升壓過程中，當海管漏點很小時，無法用試壓過程中的初始階段的壓力曲線來判斷海管是否存在泄漏的情況。所以，此時需要對穩(wěn)壓階段的壓力曲線進行分析來判斷是否存在漏點。

圖5 在升壓階段當α＝2時的壓力變化曲線Fig.5 The curve in pressure increasing phase with α＝2

如圖 6所示，在海管未存在泄漏點時，30h內的海管的穩(wěn)壓過程中，由于海管內水溫的變化(海管內水溫高于海底水溫，海管內外海水進行了熱交換)而造成的壓力以及每小時壓差的變化。

如圖7所示，當漏點較小時直接從現場數據中是無法判斷海管是否存在漏點，所以此時需要從每小時的壓差變化入手。當海管不存在泄漏時，在海管穩(wěn)壓階段壓力隨時間下降是因為海管內的海水的溫度在降低，當海管內的水溫降至與海底水溫一致時，壓力停止下降。在不存在漏點的情況下由于壓力變化僅受溫度的影響，所以每小時的壓差變化也與溫度有關，而與壓力的大小無關。

圖6 30h內在穩(wěn)壓階段壓力和每小時壓差的變化曲線Fig.6 Pressure and per hour pressure drop curve in hold-ing phase(30hours)

圖7 穩(wěn)壓階段無漏點與有小漏點時壓力曲線對比圖Fig.7 The pressure cure with small leakage and without leakage in holding phase

當海管中出現漏點時，穩(wěn)壓階段海管內壓力的變化除了受到溫度變化的影響外，還受漏點漏壓情況的影響。而泄漏點漏壓的多少與海管內外的壓差存在很大的關系。當對海管進行補壓時，壓差勢必會有較大的波動，如圖 8所示。當壓差出現較大波動時，此時可以判定海管出現漏點，需要對海管以及管線連接點進行檢查。

圖8 海管漏壓對壓差的影響Fig.8 Pressure curve with leakage

③在穩(wěn)壓階段，當根據壓差數據依然無法確定海管是否有泄漏時，將有 2種可能:海管存在微小的泄漏；海管中不存在漏點。此時對管線連接點和海管的法蘭連接處進行檢查，如無泄漏即可確定海管有良好的密閉性，海管試壓作業(yè)即可宣告結束。

2 試壓方案總結

對于海管來說，發(fā)生泄漏的部位往往是在法蘭連接處，一般情況下為了確保后期海管試壓能夠順利進行，潛水員將會在法蘭上纏繞塑料薄膜，以便泄漏發(fā)生后方便檢測。所以在進行海管試壓前需要確保以下 4點:①法蘭安裝嚴格按照方案實施，同時法蘭安裝完成后將塑料薄膜纏繞在法蘭上；②確保試壓設備以及與海管連接的管線和儀表的連接處無泄漏；③試壓過程中確保海管中的空氣含量在允許范圍內，以免影響后期的數據分析；④在條件允許的情況下對海底海水進行實時監(jiān)測(試壓過程中海底水溫突變往往也會影響試壓數據)。

如果在條件允許的情況下，建議在海管注完水且等待一段時間后，再進行海管的試壓作業(yè)，等待時間可以參考以下公式進行預測:

式中:Tt為停輸t小時后管內介質溫度(℃)；Te為管道外界的環(huán)境溫度(℃)；Ts為開始停輸時管內介質溫度(℃)，即試壓起始溫度；D 為管道保溫層外徑(m)；do為鋼管內徑(m)；doi為各層管外徑(m)；dii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)；Ci為鋼材及保溫材料的導熱性能參數[J/(kg·℃)]；ρi為鋼材及保溫材料的密度(kg/m3)；Co為管內介質導熱性能參數[J/(kg·℃)]；ρo為管內介質密度(kg/m3)。

在條件不允許的情況下，當滿足以上 4點條件后，可以對海管進行試壓作業(yè)，步驟如下:①對海管的升壓過程進行數據采集分析，根據壓力曲 線判定海管是否存在漏點；②如果升壓階段無法判斷海管是否存在漏點，則需要在穩(wěn)壓階段進行判定，根據實際情況穩(wěn)壓時間 1～2d不等，補壓次數 1～2次，且確保每次補壓后的最終壓力與前一次的壓力有較大的差值，便于后期數據分析，只要壓差出現較大的波動，則可判定海管存在泄漏點；③如果穩(wěn)壓階段也無法明顯判斷出海管是否存在泄漏，那么試壓海管存在2種可能:存在微小的泄漏或者無泄漏；④在管線連接點以及法蘭連接處進行檢測，如無泄漏點發(fā)現，則海管無泄漏。

3 結 語

根據海管試壓規(guī)范，海管試壓工作往往耗時較長，一般都在 10d以上。如果現場有 DSV或其他船舶資源做支持船的情況下，同時再考慮南海惡劣海況對工期的影響，海管清管試壓作業(yè)將會大幅提高項目成本。本文介紹的新海管試壓測漏方法可以大大降低施工船天指數，將試壓工期縮短至幾天，對項目成本有良好的壓縮效果。