潛江偉，劉孔忠，劉新宇，陳林袁(中海石油(中國)有限公司海南分公司，海南 海口 570100)

0 引言

陵水某氣田是我國第一座自營深水大氣田，采用浮式生產(chǎn)平臺(tái)方案。井口物流通過4 條立管登平臺(tái)。段塞流捕集器分離出的液相3 級分離脫水、穩(wěn)定后，合格凝析油進(jìn)艙儲(chǔ)存；分離出的水進(jìn)入乙二醇再生及回收裝置(MEG Reclamation Unit) 系統(tǒng)處理；3 級分離器分離出氣的閃蒸氣壓縮機(jī)增壓回收利用；整座浮式平臺(tái)的心臟—主電站系統(tǒng)采用3 臺(tái)功率為20 MW的燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)。

本文針對陵水某氣田上部設(shè)施相關(guān)的潤滑油、柴油及液壓油等管線的串油工作開展技術(shù)研究，分析、選取合適的串油設(shè)備及清洗工藝，清除管道內(nèi)部的雜質(zhì)與異物，保護(hù)其內(nèi)壁不被氧化、銹蝕，使以上管路系統(tǒng)達(dá)到設(shè)備運(yùn)行的條件。

1 影響串油的關(guān)鍵因素

管道在進(jìn)行串油清洗時(shí)，由于自身黏度的存在，介質(zhì)油在管道內(nèi)部流動(dòng)的過程中會(huì)受到摩擦阻力，為了克服這種阻力，油介質(zhì)的機(jī)械能將受到一定程度的損失，這部分損失的能量最后會(huì)轉(zhuǎn)變成熱、聲或震動(dòng)等其他形式的能量，這必將對介質(zhì)油的流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響，從而進(jìn)一步影響串油效果。另外，受管道幾何形狀、管道內(nèi)部粗糙度、管道外部溫度變化等因素影響，介質(zhì)油的流速和流動(dòng)損失將會(huì)有較大差別。以上會(huì)影響到串油單元橇額定流量及操作壓力的計(jì)算及選型，因此有必要對流體流速、流體黏性、溫度、壓力等影響管線串油的關(guān)鍵因素進(jìn)行研究、分析。

1.1 流動(dòng)狀態(tài)

十九世紀(jì)末，英國物理學(xué)家雷諾通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液體存在兩種性質(zhì)完全不同的流態(tài)，即層流和紊流(或稱湍流)。雷諾實(shí)驗(yàn)不僅揭示了液體的兩種流態(tài)，而且也揭示了不同流態(tài)下流動(dòng)損失的規(guī)律。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相似理論證明，流動(dòng)狀態(tài)不僅僅取決于臨界流速，而是由綜合反映管路尺寸、流體物理屬性、管內(nèi)平均流速的組合量—雷諾數(shù)Re來決定的[1]。

對于管路串油清洗來講，必須確保介質(zhì)油液達(dá)到紊流狀態(tài)，以使油液質(zhì)點(diǎn)在管內(nèi)劇烈運(yùn)動(dòng)混合并雜亂無章向前流動(dòng)，從而充分沖洗帶走管路內(nèi)的各種雜質(zhì)、異物，達(dá)到真正的清洗效果。

式中：ρ為流體密度；V為管內(nèi)流體的平均流速；d為管道內(nèi)徑；μ為流體的動(dòng)力黏度；v為流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)黏度。

由于陵水氣田項(xiàng)目相關(guān)潤滑油、柴油及液壓油管道均采用光滑的金屬材質(zhì)管道，根據(jù)雷諾試驗(yàn)結(jié)果，管道臨界雷諾數(shù)為2 000～2 320，但為保證串油效果，在實(shí)際串油時(shí)，通常選取Re≥3000。常見管路的臨界雷諾數(shù)如表1 所示。

表1 常見管路的臨界雷諾數(shù)

1.2 流體黏性

流體的黏性，即流體在外力作用下流動(dòng)時(shí)，由于其分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量交換和分子間的吸引力而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力或黏性阻力的性質(zhì)。相鄰兩層流體作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力的大小，與流體黏性的大小、流層接觸面積的大小及流速沿法線的變化率(即速度梯度) 有關(guān)。

流體的動(dòng)力黏度和運(yùn)動(dòng)黏度都難以直接測量，一般多用于理論分析和計(jì)算。

相對黏度是一種以被測液體的黏度相對于同溫度下水的黏度之比值的黏度大小表示法。相對黏度按其測試方法的不同，有多種名稱。我國在工程中習(xí)慣采用恩氏黏度，簡稱恩氏度，它是在某標(biāo)定溫度(如20 ℃) 下將 200 cm3的被測液體在自重作用下從恩氏黏度計(jì)中直徑為2.8 mm 的小孔中流出的時(shí)間t與200 cm3的蒸餾水在 20℃時(shí)從同一恩氏黏度計(jì)中流出的時(shí)間t0之比[3]。

1.3 溫度和壓力

一般情況下，溫度越高，管道內(nèi)介質(zhì)油的黏度就越小，雷諾數(shù)就越大，清洗效果則會(huì)越好。但對輕柴油來講，由于其黏度并不高，所以沒有必要通過升溫來降低黏度，加之其閃點(diǎn)過低，升溫易于蒸發(fā)點(diǎn)燃，不安全，故而在環(huán)境溫度下進(jìn)行沖洗即可。對于潤滑油、液壓油，則應(yīng)通過升溫來降低黏度，但油溫不宜超過 60 ℃。

實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)壓力小于2 MPa 時(shí)，壓力對黏度的影響很小。液體的黏度隨壓力的升高而增大，其原因是由于分子間的距離減小而吸引力增大所致。若壓力變化不大(變化值在 5 MPa 以下)，液體的黏度變化甚微，可忽略不計(jì)。如果壓力變化大于20 MPa，則液體黏度的變化就不容忽視了。

2 陵水氣田項(xiàng)目串油工藝的優(yōu)化與應(yīng)用

陵水氣田項(xiàng)目燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)及閃蒸氣壓縮機(jī)等工藝設(shè)備相關(guān)的柴油、潤滑油系統(tǒng)管路材質(zhì)主要分為不銹鋼和碳鋼兩部分，且絕大部分現(xiàn)場接口采用對焊的形式。在現(xiàn)場焊接過程中，管路內(nèi)壁受高溫影響，將不可避免的產(chǎn)生氧化層。同時(shí)，在現(xiàn)場切割、打磨、焊接過程中，大量的鐵屑、焊渣、焊瘤等大顆粒物滯留于導(dǎo)管內(nèi)部。另外，受溫度及空氣濕度的影響，裸露施工現(xiàn)場的碳鋼管路內(nèi)部銹蝕非常嚴(yán)重。

2.1 傳統(tǒng)串油工藝簡介

由于柴油、潤滑油管道清潔度要求高，采用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行串油時(shí)，前期一般為粗濾自循環(huán)方式(外接濾器+ 高分子濾紙形式) 過濾掉大顆粒及雜質(zhì)，然后加裝細(xì)濾濾網(wǎng)(5 μm 或3 μm精濾芯、1 μm 規(guī)格高壓濾器) 形式進(jìn)行串油。

影響傳統(tǒng)串油工藝效果的因素主要有兩方面：一方面，采用撬內(nèi)循環(huán)泵進(jìn)行串油，操作工裝下介質(zhì)油的流量及流速無法達(dá)到串油所需紊流狀態(tài)，串洗周期長且不徹底；另一方面，受管路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度影響，在串油及串油后吹掃干燥過程中，極易留下死角，殘留在管道內(nèi)部的顆粒物或者水分，將導(dǎo)致油介質(zhì)污染，影響最終串油結(jié)果。

2.2 陵水氣田項(xiàng)目串油工藝比選

陵水氣田項(xiàng)目柴油、潤滑油管道的串油后清潔度要求為NAS 1638 CLASS 4，要求高且工期緊，采取傳統(tǒng)的串油工藝顯然不可行。為提升過濾效率，我們對傳統(tǒng)串油工藝進(jìn)行一系列的改進(jìn)設(shè)計(jì)，相對于傳統(tǒng)串油工藝，主要區(qū)別如下。

2.2.1 串油前的化學(xué)清洗

在現(xiàn)場切割、打磨、焊接過程中，生成或殘留在管道內(nèi)部的鐵銹等顆粒物其主要成分包括：Fe、FeO、Fe2O3、Fe3O4，與酸發(fā)生反應(yīng)后，能生產(chǎn)溶解于水的鹽類。以酸洗液為鹽酸為例，與鐵的氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的方程式[4]如下所示：

目前，酸洗鈍化已有非常成熟的工藝，通常采用3%～6%(與水體積比) 的硝酸液(酸洗液) 及1%(質(zhì)量比) 的亞硝酸鈉(鈍化液)[5]對不銹鋼管道進(jìn)行酸洗鈍化，經(jīng)過循環(huán)酸、酸堿中和、鈍化作業(yè)、清水沖洗等作業(yè)，不銹鋼管道內(nèi)部清潔度能達(dá)到NAS 1638 CLASS 12 甚至以上；碳鋼管路為了盡量避免腐蝕管壁及管材附件，采用中性藥劑(除銹劑和防銹劑) 對碳鋼管路進(jìn)行除銹防銹處理，盡可能去除管道內(nèi)部的大顆粒物，在正式串油前獲得較高的清潔等級。不銹鋼和碳鋼管道酸洗鈍化及除銹防銹前后對比如圖1 所示。

圖1 不銹鋼和碳鋼管道酸洗鈍化及除銹防銹前后對比

2.2.2 串油單元橇合理選型

管路串油清洗時(shí)，必須計(jì)算選用額定流量及公稱壓力均適合的串油單元橇，這樣才能實(shí)現(xiàn)真正的串油清洗，否則即為不科學(xué)、不經(jīng)濟(jì)的串油清洗。

介質(zhì)油在管路中流動(dòng)必須具備一定的流速，使液體在管路中形成紊流狀態(tài)，以使油液質(zhì)點(diǎn)在管內(nèi)壁劇烈運(yùn)動(dòng)混合并雜亂無章向前流動(dòng)，從而充分沖洗并帶走管路內(nèi)的各種雜質(zhì)、異物，達(dá)到較好的清洗效果。常規(guī)串油時(shí)，一般認(rèn)為雷諾系數(shù)達(dá)到3 000，就認(rèn)定為液體在管路內(nèi)可以達(dá)到紊流的狀態(tài)，根據(jù)對本項(xiàng)目所需串油流速的計(jì)算，最終確定雷諾數(shù)需達(dá)到4 000，管路串油才能達(dá)到最終效果。

根據(jù)流量計(jì)算公式求得，串油單元流量達(dá)到140 L/min，即可滿足雷諾數(shù)要求。為了提高串油效率，我們選取了如下設(shè)備，保證流量，壓力滿足要求，增加脈沖控制，進(jìn)一步提高串油清洗效果。

由于整個(gè)管網(wǎng)支路較多，若采用一臺(tái)串油單元橇清洗所有管路，很難保證串洗效果，因此配置了三臺(tái)串油單元橇分別對每臺(tái)主機(jī)的供油及回油管路進(jìn)行串油清洗，保證管道內(nèi)介質(zhì)油的流速及流量，提高效率。

設(shè)備選型參數(shù)如表2 所示。

表2 串油單元橇關(guān)鍵性能參數(shù)

實(shí)際串油過程中，串油單元能保證壓強(qiáng)在1 MPa 左右，流量達(dá)到400 L/min 左右，完全保證了柴油在管路中實(shí)現(xiàn)紊流狀態(tài)，串油效果極佳。

2.2.3 濾器設(shè)置

陵水氣田項(xiàng)目潤滑油及柴油管道在循環(huán)泵出口均已加裝50 μm 濾器，接入串油單元橇后，為實(shí)現(xiàn)24 h 不間斷作業(yè)，對串油工作進(jìn)行了優(yōu)化，在回串油單元橇油罐前增加一套外置精濾器及相關(guān)工裝，減少更換及清理濾網(wǎng)的時(shí)間，串油工裝示意如圖2 所示。

圖2 串油工裝示意圖

2.3 串油施工

(1) 準(zhǔn)備好應(yīng)急物資：吸油氈、除油劑、廢油桶等。

(2) 串油區(qū)域設(shè)置警戒線，禁止動(dòng)火作業(yè)。

(3) 檢查管路、設(shè)備接口及單元的連接情況，是否存在滴漏。

(4) 加油并保持油罐內(nèi)的油溫在在55～65℃。

(5) 啟動(dòng)串油單元橇，介質(zhì)油以最小雷諾數(shù) 4 000 通過管線，從而達(dá)到湍流狀態(tài)。

(6) 串油開始時(shí)濾器采用 50 μm 規(guī)格的粗過濾紙。

(7) 檢查/ 更換濾器的濾網(wǎng)，開始的2 h 內(nèi)每1 h 檢查一次，如果目測的濾網(wǎng)較臟或者濾網(wǎng)兩側(cè)的壓力表壓差超過0.05 MPa時(shí)，更換新濾網(wǎng)或清洗濾網(wǎng)，后每 2 h 檢查一次。

(8) 如果濾網(wǎng)無明顯污物，即換用 3 μm 規(guī)格的細(xì)濾紙繼續(xù)串油。

(9) 在管路的最低點(diǎn)安裝放泄閥，便于取樣檢測。

(10) 在管道串油達(dá)到規(guī)定的清潔度要求后，以最小流速3 m/s 繼續(xù)清洗6 h。

(11) 做好串油廢料物資的安全存放與處理。

2.4 取樣檢查

當(dāng)前，一般采用目測法或顆粒計(jì)數(shù)法來檢驗(yàn)管路串油清洗是否合格。對于使用輕柴油作為清洗油液的燃油管路來講，通常采用目測法來檢驗(yàn)；而對于清潔度要求高的潤滑油管路來講，則主要采用顆粒計(jì)數(shù)法來檢驗(yàn)。

2.4.1 目測法檢驗(yàn)法

采用在線目測法檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)在管路開始串油清洗后每隔15～30 min 檢查一次過濾器濾芯，此后可隨污染物的減少相應(yīng)延長檢查的間隔時(shí)間，直至連續(xù)過濾 1 h 而在過濾器內(nèi)無肉眼可見的固體污染物，則串油清洗合格。

2.4.2 顆粒計(jì)數(shù)法

采用顆粒計(jì)數(shù)法[6]檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)在清洗管路的回油過濾器前適當(dāng)距離處提取油樣，使用自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器進(jìn)行顆粒大小(粒度)的測定。根據(jù)3 次油樣顆粒計(jì)數(shù)的測定結(jié)果取其中間測定值，參考NAS 1638 污染等級標(biāo)準(zhǔn)中的顆粒數(shù)，評估其對應(yīng)的NAS 1638清潔度等級。

3 結(jié)語

本文重點(diǎn)分析研究了管路串油清洗工藝的實(shí)質(zhì)和原理，并重點(diǎn)從清洗管路內(nèi)介質(zhì)油的流動(dòng)狀態(tài)、黏性、溫度及壓力四個(gè)方面闡述了影響串油周期和清洗效果的關(guān)鍵因素。

基于以上關(guān)鍵因素的分析和計(jì)算結(jié)果，在陵水氣田項(xiàng)目中對傳統(tǒng)串油工藝進(jìn)行了優(yōu)化及串油單元橇的比較選擇，通過過程控制，最終提前15 天完成了串油清洗目標(biāo)，陵水氣田項(xiàng)目燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)柴油管道串油清洗后清潔度達(dá)到NAS 1638 CLASS 4、串油清洗后潤滑油清潔度達(dá)到NAS 1638 CLASS 6，比同類項(xiàng)目串油周期縮短了30%。

工藝管道的清潔度仍是保證系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，串油清洗技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航天航空、船舶、交通運(yùn)輸、海洋石油等各行各業(yè)且串油工藝得到不斷改進(jìn)，由于環(huán)境與周期不盡相同，需要根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行合理計(jì)算、選擇及過程控制。陵水項(xiàng)目串油工藝的優(yōu)化及應(yīng)用，相信可以為后續(xù)同類項(xiàng)目提供參考與借鑒，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。