曹妃甸油田大變徑海管內(nèi)檢測(cè)技術(shù)

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300452)

曹妃甸油田大變徑海管內(nèi)檢測(cè)技術(shù)

彭湘桂

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300452)

針對(duì)曹妃甸油田大變徑海底混輸管道變徑率大，機(jī)械清管困難，無(wú)法實(shí)現(xiàn)內(nèi)檢測(cè)的問(wèn)題，根據(jù)變徑管線(xiàn)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出具有特殊驅(qū)動(dòng)體的變徑超聲波內(nèi)檢測(cè)器，陸地模擬實(shí)驗(yàn)成功，順利地完成了8 in變12 in變徑海底管道的首次內(nèi)檢測(cè)作業(yè)，檢測(cè)結(jié)果表明，該超聲波內(nèi)檢測(cè)器變徑通過(guò)能力強(qiáng)、可以雙向運(yùn)動(dòng)，能夠適應(yīng)于大變徑海底管道內(nèi)檢測(cè)作業(yè)。

變徑海底管道；清管；變徑清管器；檢測(cè)器；超聲波

曹妃甸油田共有3條大變徑單層混輸海管，管徑從8 in變化到12 in，管徑變化率達(dá)到了50%，在渤海油田歷史上還沒(méi)有對(duì)此類(lèi)海管成功進(jìn)行內(nèi)檢測(cè)的案例。這3條海管自2006年投用起，只開(kāi)展過(guò)低密度泡沫球的通球作業(yè)，從未進(jìn)行過(guò)機(jī)械清管和內(nèi)檢測(cè)作業(yè)，且都為單層保溫管，存在較大腐蝕溢油風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。為了保證管道的輸送安全，及時(shí)掌握海管的腐蝕狀況，以WHPE至WHPD平臺(tái)大變徑海底管道為例，對(duì)變徑海底管道內(nèi)檢測(cè)的可行性進(jìn)行分析研究。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

WHPE為無(wú)人井口平臺(tái),WHPD為集輸平臺(tái),正常生產(chǎn)時(shí)輸送流向?yàn)閺腤HPE至WHPD平臺(tái)，見(jiàn)圖1。

圖1 變徑海管位置示意

WHPE至WHPD海底混輸管道為變徑單層保溫管(見(jiàn)表1)，輸送方式為油氣水混輸，WHPD側(cè)立管段在水下膨脹彎處設(shè)計(jì)有變徑短節(jié)，管徑由8 in變?yōu)?2 in，管徑變化率達(dá)50%。

表1 海底管道參數(shù)

2 海管內(nèi)檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)作業(yè)難點(diǎn)分析和應(yīng)對(duì)方案

現(xiàn)在清管普遍采用機(jī)械式清管器，如果管線(xiàn)存在變徑段，普通清管器的密封盤(pán)沒(méi)有足夠的變徑能力，根本無(wú)法滿(mǎn)足變徑管線(xiàn)的清管要求。變徑管線(xiàn)的通球首先要確保清管器和檢測(cè)器在2種尺寸的管道都能順利通過(guò)，既要在12 in的海管中形成有效密封避免過(guò)流旁通而停滯，又要在8 in的海管中不因較大的過(guò)盈量而導(dǎo)致卡堵和磨損。特對(duì)該段管線(xiàn)檢測(cè)中可能出現(xiàn)的難點(diǎn)進(jìn)行分析，提出解決的方法和對(duì)策。

2.1.1 內(nèi)檢測(cè)器的選型設(shè)計(jì)

變徑管線(xiàn)的跨度多為一個(gè)尺寸級(jí)別的跨越，如8 in變10 in、10 in變12 in等，像8 in變12 in這樣跨越2個(gè)尺寸級(jí)別的非常規(guī)管線(xiàn)很少見(jiàn)。這樣跨度的變徑管線(xiàn)，由于受制于驅(qū)動(dòng)力和通過(guò)能力原因，常規(guī)的漏磁檢測(cè)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，本次檢測(cè)選擇重量輕巧的非接觸式的超聲波檢測(cè)方案。

針對(duì)該段變徑管線(xiàn)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造了獨(dú)特的8 in變12 in大變徑超聲波檢測(cè)器，具有特殊設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)體。此檢測(cè)器對(duì)第一節(jié)動(dòng)力節(jié)進(jìn)行改造，按照12 in的密封進(jìn)行設(shè)計(jì)。檢測(cè)器前端由12 in泡沫驅(qū)動(dòng)球體構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)球體后按照8 in超聲波檢測(cè)器配置。驅(qū)動(dòng)球體由12 in軟泡沫球體構(gòu)成，并且在泡沫球體的前后各有8 in聚氨酯碟片和泡沫球一起固定在骨架上，既保證了泡沫體的可壓縮性，又通過(guò)8 in碟片引導(dǎo)球體通過(guò)變徑大小頭進(jìn)入8 in管段。

檢測(cè)器由泡沫驅(qū)動(dòng)體、電磁信號(hào)發(fā)射跟蹤模塊、超聲波檢測(cè)模塊、里程計(jì)模塊、數(shù)據(jù)采集及處理模塊、電源模塊共6部分組成(見(jiàn)圖2)，此檢測(cè)器主要特點(diǎn)如下[4-5]：

1)可雙向通球。12 in泡沫驅(qū)動(dòng)體通過(guò)能力很強(qiáng)，雖然驅(qū)動(dòng)體直徑超過(guò)8 in管道內(nèi)徑較多，仍然能夠順利通過(guò)8 in管道；檢測(cè)器擁有雙向通球能力，減少檢測(cè)器的卡阻風(fēng)險(xiǎn)[6]。

2)過(guò)彎頭的能力強(qiáng)。可通過(guò)1.5D背靠背彎頭和不裝有擋條的三通。

3)檢測(cè)精度高。在測(cè)厚方面，其精度要優(yōu)于漏磁檢測(cè)技術(shù)，可達(dá)±0.2 mm[7-8]。

圖2 8＂/12＂超聲波檢測(cè)器總體構(gòu)成

2.1.2 清管器的選型

內(nèi)檢測(cè)技術(shù)對(duì)管線(xiàn)的清潔度有要求，特別是超聲檢測(cè)技術(shù)，對(duì)管線(xiàn)的清潔要求更為嚴(yán)格，管線(xiàn)內(nèi)壁附著的污垢會(huì)對(duì)超聲檢測(cè)的精度造成影響。同時(shí)超聲波檢測(cè)對(duì)管內(nèi)介質(zhì)要求較高,超聲波的傳導(dǎo)信號(hào)很容易被蠟吸收, 所以對(duì)于含蠟高的油管線(xiàn),在超聲波檢測(cè)前必須進(jìn)行徹底的清管作業(yè)。

由于該管線(xiàn)變徑率大，2006年投入使用以來(lái)只開(kāi)展過(guò)12 in低密度泡沫球(密度50 kg/m3)的通球作業(yè)，管線(xiàn)的內(nèi)部清潔狀況未知。加之油氣水多相流體的狀態(tài)，管線(xiàn)的結(jié)蠟或結(jié)垢情況會(huì)比較明顯。要達(dá)到合格檢測(cè)的目的，選擇合適的清管器進(jìn)行清管作業(yè)至關(guān)重要。此次清管選用適用于變徑海管的蝶片直板式清管器，12 in密封盤(pán)的蝶片呈花瓣?duì)睿?片交錯(cuò)層疊，以保障密封盤(pán)的密封性能和變形能力，可以保證在8 in和12 in2種不同直徑的管道中均能起到密封作用。球體按照8 in導(dǎo)向盤(pán)和密封盤(pán)進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)向盤(pán)是管道內(nèi)徑的99%，密封盤(pán)是管道內(nèi)徑的105%，有5%的過(guò)盈量,12 in蝶片密封盤(pán)能夠雙向運(yùn)動(dòng)，一旦卡堵則可以反向推動(dòng)解堵，見(jiàn)圖3。

圖3 8＂/12＂碟片直板式鋼刷清管器

2.1.3 嚴(yán)格控制檢測(cè)工況

超聲波檢測(cè)器對(duì)于運(yùn)行的工況要求比較苛刻，需要管線(xiàn)中充滿(mǎn)100%的淡水，然后用注水泵在要求的速度和壓力下進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)檢測(cè)溫度不能超過(guò)40 ℃。

鑒于管線(xiàn)生產(chǎn)溫度過(guò)高，流速難以控制等因素限制，無(wú)法在線(xiàn)完成檢測(cè)。此條管線(xiàn)選擇在停產(chǎn)狀態(tài)下，采用注水泵注淡水的方式進(jìn)行檢測(cè)。在檢測(cè)器運(yùn)行的過(guò)程中，需要嚴(yán)格監(jiān)控運(yùn)行參數(shù)，密切關(guān)注壓力表和流量表的參數(shù)變化，這是保證檢測(cè)成功的重要條件。

2.1.4 優(yōu)化發(fā)送接收方案

發(fā)球分正向發(fā)球和反向發(fā)球，正常生產(chǎn)情況下，一般選擇在線(xiàn)正向發(fā)球，流向是從WHPE井口平臺(tái)至WHPD平臺(tái)；停產(chǎn)情況下，也可選擇反向發(fā)球，流向是從WHPD平臺(tái)至WHPE平臺(tái)。為降低卡球風(fēng)險(xiǎn)，在初步機(jī)械清管階段和內(nèi)檢測(cè)器運(yùn)行階段選擇反向發(fā)球的方式進(jìn)行作業(yè)，即球體先進(jìn)入12 in立管，再通過(guò)8 in平管和8 in立管，主要原因如下。

1)由于使用的變徑清管器具有良好的清管能力，從12 in發(fā)出可以確保將管線(xiàn)內(nèi)的雜質(zhì)推出；若是從8 in端發(fā)出，則存在推出的雜質(zhì)留在12 in管段中無(wú)法推出的風(fēng)險(xiǎn)。

2)管道長(zhǎng)度為4.76 km，主體管道為8 in，若從8 in端發(fā)出的話(huà)存在球體在管線(xiàn)中運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)使球體密封能力下降的風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)若進(jìn)入12 in管道中，則會(huì)增加球體運(yùn)行旁通的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.5 制定應(yīng)急預(yù)案，防止卡球風(fēng)險(xiǎn)

變徑海底管線(xiàn)一旦出現(xiàn)卡球事故，處理起來(lái)會(huì)非常困難，需要在實(shí)施檢測(cè)前完善應(yīng)急預(yù)案。在采用雙向超聲檢測(cè)器的情況下，確保收發(fā)球筒2端都可以用注水泵注入淡水，在萬(wàn)一出現(xiàn)卡堵的情況下，可反向?qū)z測(cè)器推出[9]。

本次檢測(cè)作業(yè)的8 in/12 in檢測(cè)器是特殊設(shè)計(jì)的檢測(cè)設(shè)備，擁有雙向通球的能力，并且能夠通過(guò)1.5 D的背靠背彎頭。

2.2 模擬實(shí)驗(yàn)

在檢測(cè)器運(yùn)行之前，需先運(yùn)行檢測(cè)器模擬體。模擬體的尺寸大小和組合形態(tài)與實(shí)際檢測(cè)器完全相同，和實(shí)際檢測(cè)器相比只是少了探頭、里程輪、電池和CPU部分。

為了完全驗(yàn)證超聲波檢測(cè)器的通過(guò)能力，最大程度的降低檢測(cè)器卡堵的風(fēng)險(xiǎn)，首先在陸地進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證方案的可行性。試驗(yàn)場(chǎng)地嚴(yán)格按照8 in變12 in海管的實(shí)際狀況模擬試驗(yàn)管段，設(shè)立立管、彎頭、變徑、直管等管線(xiàn)特征，最大程度的模擬海底變徑處管道，利用模擬體模擬檢測(cè)器在8 in變12 in模擬管道中的通過(guò)能力，并且驗(yàn)證模擬體的雙向通球能力，為下一步現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)方案制定及實(shí)施提供數(shù)據(jù)依據(jù)，見(jiàn)圖4。

圖4 陸地實(shí)驗(yàn)環(huán)路

通過(guò)模擬體通球?qū)嶒?yàn)表明本次計(jì)劃使用的變徑檢測(cè)器，具備在8 in變12 in管道中從12 in發(fā)球端發(fā)送到8 in收球端的能力；通過(guò)模擬體的反推實(shí)驗(yàn)，顯示檢測(cè)器具備卡堵時(shí)的反推能力，根據(jù)本次試驗(yàn)，顯示最大反推壓差為736 kPa。

3 海管內(nèi)檢測(cè)作業(yè)的實(shí)施

由于WHPE平臺(tái)為無(wú)人井口平臺(tái)，無(wú)法接收通球污油水，因此在WHPE平臺(tái)側(cè)系泊環(huán)保船海洋石油253，船舶上放置注水泵和緩沖水罐，泵出口通過(guò)軟管連接至WHPE端球筒上。海洋石油253的溢油回收艙可接受400 m3污油水，清管檢測(cè)作業(yè)可通過(guò)海洋石油253進(jìn)行注水和接液作業(yè)。

內(nèi)檢測(cè)作業(yè)分3個(gè)階段。第一階段正向清管:使用海洋石油253上的淡水從WHPE向WHPD平臺(tái)正向通球；第二階段反向清管:使用平臺(tái)生產(chǎn)水從WHPD向WHPE平臺(tái)進(jìn)行反向通球；第三階段反向檢測(cè):使用淡水從WHPD向WHPE平臺(tái)進(jìn)行反向檢測(cè)通球，見(jiàn)圖5。

圖5 海上清管及內(nèi)檢測(cè)流程

3.1 清管作業(yè)

由于此條海管存在含砂的風(fēng)險(xiǎn)，管道內(nèi)部情況未知，在前期清管階段采取漸進(jìn)式通球的方式進(jìn)行通球，降低砂堵的風(fēng)險(xiǎn)；海管含沙增加了球體外觀(guān)和密封盤(pán)的磨損，在發(fā)球之前加強(qiáng)球體外觀(guān)質(zhì)量檢測(cè)和球體的密封盤(pán)的檢查，進(jìn)一步降低其磨損的風(fēng)險(xiǎn)。清管分為正向清管、藥劑浸泡和反向清管3個(gè)階段，見(jiàn)圖6。

圖6 清管檢測(cè)程序

海上清管作業(yè)過(guò)程中遇到了陸地試驗(yàn)中未出現(xiàn)的8 in泡沫球在變徑處滯留、變徑清管器清管效果不佳、海管油泥及蠟含量較多等一系列問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化方案，采取正反向雙向發(fā)機(jī)械清管球、提高通球介質(zhì)溫度、加入清洗劑、改造清管器等措施，可有效解決清管效果差和效率低的問(wèn)題[10]。

3.1.1 正向清管階段

在正向清管階段通過(guò)運(yùn)行中密度的8 in泡沫球、8 in泡沫鋼刷球，發(fā)球方向由WHPF平臺(tái)至WHPD平臺(tái)，檢驗(yàn)海管的結(jié)垢情況，以此判斷是否需要使用除垢劑。

8 in中密度泡沫球運(yùn)行到WHPD平臺(tái)12 in立管段出現(xiàn)了旁通，無(wú)法自動(dòng)跟隨流體上浮，采取后面增發(fā)一個(gè)12 in低密度泡沫球進(jìn)行解堵(密度50 kg/m3)，把前2個(gè)中密度泡沫球和泡沫鋼刷球(密度80～120 kg/m3)成功推到12 in球桶。

3.1.2 藥劑浸泡階段

正向中密度泡沫球清管階段沒(méi)有發(fā)現(xiàn)結(jié)垢情況，只有少量蠟和油泥，因此，只在發(fā)球過(guò)程中使用具有除油除蠟作用的多功能清洗劑對(duì)管線(xiàn)進(jìn)行浸泡清洗處理。

表2 正向清管順序

3.1.3 反向清管階段

化學(xué)藥劑浸泡后，利用機(jī)械變徑清管球進(jìn)行清管作業(yè)，發(fā)球方向?yàn)橛蒞HPD平臺(tái)至WHPE平臺(tái)(見(jiàn)表3)，通球次序依次為蝶片式測(cè)徑清管球(見(jiàn)圖7)、鋼刷清管球(見(jiàn)圖9)、磁鐵清管球(見(jiàn)圖11)、雙節(jié)鋼刷清管球(見(jiàn)圖12)、改造的變徑清管器(見(jiàn)圖8)等，機(jī)械清管器累計(jì)通球15次后管線(xiàn)清潔度達(dá)到內(nèi)檢測(cè)的要求[11]。

清管器材質(zhì)越軟其變形能力越強(qiáng)，但其支撐能力、抗磨損能力和清管能力會(huì)降低。設(shè)計(jì)選用的蝶片式清管器為了提高變徑通過(guò)能力，選擇的盤(pán)片材質(zhì)較軟，但現(xiàn)場(chǎng)清管效果不佳。通過(guò)對(duì)清管器導(dǎo)向盤(pán)進(jìn)行改造，增加盤(pán)片材質(zhì)硬度和厚度，加大過(guò)盈量(導(dǎo)向盤(pán)尺寸由管道內(nèi)徑的99%提高到100%和102%)等措施(見(jiàn)圖8)，有效解決了清管效果差和效率低的問(wèn)題。

表3 反向清管順序

圖7 變徑測(cè)徑球

圖8 改造后的變徑清管球

圖9 變徑鋼刷球

圖10 清管后的變徑鋼刷球

圖11 變徑磁鐵球

圖12 雙節(jié)變徑鋼刷球

3.2 內(nèi)檢測(cè)作業(yè)

由于生產(chǎn)水溫度約為65 ℃，高于超聲波檢測(cè)器的耐溫要求，故清管完成后，使用常溫淡水進(jìn)行通球檢測(cè)作業(yè)。使用8 in變12 in超聲波檢測(cè)器進(jìn)行管道內(nèi)檢測(cè)，工況要求：入口壓力≥1 mPa，溫度≤40 ℃，液體流量控制在15 m3/h以下，通球速度500 m/h，工況需要嚴(yán)格控制通球的入口壓力和流量。

模擬體和超聲波檢測(cè)器依次成功完成通球作業(yè)，通球方向?yàn)閺?2 in管道向8 in管道運(yùn)行。檢測(cè)器從12 in球筒發(fā)出后，順利通過(guò)12 in/8 in變徑處，之后檢測(cè)器進(jìn)入8 in管段運(yùn)行，在通過(guò)直管段時(shí)壓力平穩(wěn)，此階段壓差基本保持在400～500 kPa之間。6 h后發(fā)現(xiàn)檢測(cè)器順利進(jìn)入8 in球筒中。取出后，檢測(cè)器無(wú)破損，檢測(cè)數(shù)據(jù)完整，表明檢測(cè)器可在8 in變12 in管道內(nèi)運(yùn)行。

圖13 超聲波檢測(cè)器通球過(guò)程的壓差變化

4 結(jié)論

1)成功驗(yàn)證了8 in變12 in海底管道內(nèi)檢測(cè)是可行的。所設(shè)計(jì)的泡沫球驅(qū)動(dòng)超聲波內(nèi)檢測(cè)器具有較好的密封性，通過(guò)能力強(qiáng)，可以雙向運(yùn)動(dòng)，卡堵風(fēng)險(xiǎn)低，在管徑變化率達(dá)到50%的大變徑海底管道檢測(cè)中具有較好的適應(yīng)性。

2)在成功實(shí)施機(jī)械清管的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究

的是如何解決內(nèi)檢測(cè)的難題，并對(duì)蝶片式變徑清管器進(jìn)行了改造，提高了清管效率。

3)設(shè)計(jì)的超聲波檢測(cè)器對(duì)于運(yùn)行的工況要求比較苛刻，必須在一定的液體耦合介質(zhì)中才能發(fā)揮作用，同時(shí)檢測(cè)溫度不能超過(guò)40 ℃，很難實(shí)現(xiàn)油氣水混輸海底管線(xiàn)的不停產(chǎn)在線(xiàn)檢測(cè)，對(duì)油田生產(chǎn)有一定影響。

4)目前，國(guó)內(nèi)對(duì)變徑海管檢測(cè)技術(shù)的研究和應(yīng)用較少，除了超聲波檢測(cè)技術(shù)外，今后需要加強(qiáng)漏磁、渦流及外檢測(cè)等其他檢測(cè)技術(shù)的理論與實(shí)驗(yàn)研究，以實(shí)現(xiàn)變徑管道的不停產(chǎn)在線(xiàn)檢測(cè)工作。

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On the Inspection Technology of Subsea Multi-diameter Pipelines in Caofeidian Oilfield

PENGXiang-gui

(Tianjin Branch of CNOOC (China) Ltd., Tianjin 300452, China)

Due to big change in diameter and difficulty in cleaning, the multi-diameter subsea pipeline is hard to do the inspection in the Caofeidian oil field. In order to know the corrosion state of the pipeline to verify the safety of operation, the specially designed ultrasonic inspection tools were used to inspect the subsea pipeline after test run successfully. The results showed that the UT-Piglet is designed as an on-line bi-directional corrosion detection pig, it is adapted to the multi-diameter pipeline inspection.

multi-diameter pipeline; pigging; multi-diameter pig; inspection tools; ultrasonic

P756.2

A

1671-7953(2017)05-0159-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.042

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

彭湘桂(1976—)，男，學(xué)士，工程師

研究方向：海上油氣田裝備管理