海管水下排水干燥及氮氣置換技術

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(深圳海油工程水下技術有限公司， 廣東 深圳 518067)

海管水下排水干燥及氮氣置換技術

魏行超,張捷,高原,高超,崔寧

(深圳海油工程水下技術有限公司，廣東深圳518067)

對南海某氣田海管受損后的損壞部分進行局部修復，使用2個閥組和1段海管對損壞部分進行更換。通過前期不斷優(yōu)化工程設計，確定使用飽和潛水支持船攜帶排水干燥惰化設備，通過下水軟管將空壓機等設備與海管進行水下連接的方式進行海管的排水干燥及惰化作業(yè)。對施工接口進行選擇，推算排水干燥時介質注入的壓力和流量。結果表明：將排水干燥惰化設備布置在支持船甲板上，使用下水軟管將施工設備與海管進行連接的方式可以用于兩端或者一端在水下的海管，并且施工參數在設置準確的基礎上，可高效地完成海上施工。

水下排水；干燥；壓力損失；干燥時間

0 引 言

海底管道排水干燥惰化作業(yè)通常以管道兩側終端系統(tǒng)的永久收發(fā)球裝置為界限進行，其施工設備及人員均在終端平臺或場地，國內已經多次成功完成此類海底管道排水干燥惰化項目,具有豐富的工程設計和施工經驗。在該項目中，根據業(yè)主及項目整體施工方案的要求，須對一段兩端均在水下的管道進行排水干燥惰化作業(yè)，與以往常規(guī)的項目有較大區(qū)別，施工過程受水深及環(huán)境的影響較大，作業(yè)難度較高。為保證海上施工順利進行，項目組人員在結合項目整體施工方案的基礎上制定詳細的海管水下排水干燥惰化施工方案，并加以總結，為今后類似項目提供參考。

1 項目背景及主要技術參數

該項目位于中國南海海域，水深約100 m，在施工過程中最后安裝的一段管道通過法蘭分別連接南北兩側的2個水下閥組。在管道安裝時，閥組上的閥門保持關閉狀態(tài)，以避免海水進入管道。但是最后安裝的一段管道由于技術手段的限制，無法避免海水進入。但是，天然氣管道中的液態(tài)水和水蒸氣是形成天然氣水合物的必要條件，會造成管道內部腐蝕[1]。為保證管道的安全運營及輸氣的質量滿足用戶要求，在安裝完成后必須對該段海管進行排水、干燥及惰化作業(yè)。海管主要技術參數見表1。水下海管及閥組布置如圖1所示。

表1 海管主要技術參數

圖1 水下海管及閥組布置圖

2 施工方案設計

2.1 主要難點及風險

本項目海底管道排水干燥惰化的難點及風險主要有：(1)海管兩端不能安裝收發(fā)球裝置，無法進行通球排水；(2)排水效率低，干燥耗時較長，難以保證工期；(3)下水軟管承受外壓的能力小，須持續(xù)控制內外部壓力；(4)干燥驗收受大氣環(huán)境影響較大；(5)潛水員水下作業(yè)等其他限制。

2.2 總體施工方案

天然氣長輸管道干燥常用的方法有：干空氣干燥法、化學干燥法和真空干燥法?？紤]到該項目無法進行通球排水，化學干燥劑直接與海水混合進行排水效率太低且經濟性差，同時水下軟管無法同時承受真空壓力及外界海水壓力，項目組決定使用干燥的氮氣吹掃進行排水干燥惰化作業(yè)[2]。

在水下閥組的設計階段，項目組要求在兩側閥組上均設置2英寸支管和閥門，海管排水干燥惰化作業(yè)將通過閥組上的支管進行：圖2為經過簡化的施工示意圖，其中排水階段只連接注氣軟管。首先，將1根水下軟管下放至水下并連接至1#閥組的2英寸支管，作為注氣軟管；然后，甲板通過該注氣軟管向水下海管內注入氮氣，將海管內的海水從2#閥組的2英寸支管排出；當排完海管內的海水后，再下放另一根水下軟管，連接至2#閥組的2英寸支管，作為排氣軟管；繼續(xù)從注氣軟管向海管內注入干燥氮氣，對海管進行干燥及惰化。

圖2 海管排水干燥惰化作業(yè)施工示意圖

總體施工方案施工步驟較為簡單，但是在實際施工設計的過程中仍需仔細確定施工細節(jié)，才能保證海上施工的高效及順利進行。

2.3 接口選擇

為使海底管道內海水完全排出，應從高點注氣、低點排水。在水下閥組的設計階段考慮排水干燥的要求，在每個閥組側均設置豎直向上的2英寸支管以及垂直向下的2英寸支管，選擇豎直向上的支管為注氣接口，垂直向下的為排水口；兩閥組水下安裝完成后由于海床高度不同會有一定的高度差，通過調查后確定較高一側為注氣接口，另一側為排水接口。

2.4 施工參數確定

施工過程根據下水軟管的連接方式可分為2個階段：排水階段和干燥惰化階段。排水階段水下只連接1根注氣軟管，排水口設置在水下。排水階段主要考慮的參數包括：(1)排水口的壓力應高于外界水壓；(2)注氣軟管外界壓力應低于管內壓力；(3)注氣流量。干燥惰化階段水下需連接2根軟管，一根用于注氣，一根用于排氣，將海管內的濕氣和純度較低的氮氣排放到施工船甲板，便于監(jiān)控測量。該階段主要考慮的參數包括：(1)注氣軟管外界壓力應低于管內壓力；(2)排氣軟管內部壓力應高于管外海水壓力；(3)注氣流量；(4)施工耗時。

可以看出，在整個施工過程中下水軟管的壓力都是十分關鍵的參數。施工中常用的軟管通常都能承受較高的內壓，在軟管制造的標準中也有規(guī)定爆破壓力(內壓)的要求，但如果管外壓力大于管內壓力時，軟管極易受壓變形，甚至破裂，一旦在施工過程中軟管破裂，海水將有可能通過軟管進入海管，導致排水干燥無法進行。

排水階段排水口內的壓力大于外界水壓，注氣軟管壓力低于軟管的設計壓力即可，而兩側閥組高低差別不大時，只需保證注氣軟管的進氣壓力稍大于排水口的外界水壓10 bar。因此在施工設計階段主要考慮干燥惰化階段的相關參數。

(1) 確定排氣軟管的出口壓力。在水深100 m處，海水對軟管的外壓約為10 bar，根據施工經驗保持軟管內部壓力為6～8 bar，可保證軟管不會被損壞。由于軟管內氣體流動的沿程損失，排氣軟管壓力最低處為施工船甲板出口處，為確保施工安全，綜合考慮選擇此處壓力為10 bar。

(2) 確定注氣流量。由經驗公式可知注氣流量為

式中：t為干燥完海管內所有的水需要的時間；w為海管內剩余水的質量，可根據海管內剩余水膜厚度進行估算，該項目按照水膜厚度1 mm進行估算；R為通用氣體常數，取8 314.4 J/(kmol·K)；T為系統(tǒng)溫度；C為干燥氮氣的體積流量；M為水分子摩爾質量，18 kg/(kmol·K)；Pv為系統(tǒng)溫度下的飽和水蒸氣壓力；Pg為干燥氮氣中的水蒸氣壓力；Pi為注入的干燥氮氣壓力。

由式(1)可以看出：在注氣壓力一定時，注入干燥氮氣的流量越大，干燥耗時越短。因此，為了節(jié)省船舶施工工期，可以選用設備能達到的最大流量。本項目氮氣設備最大流量為1 200 Nm3/h。

(3) 確定注氣軟管的入口壓力。在施工設計階段，估算注氣軟管入口壓力主要考慮：軟管內流動時主要考慮沿程損失和海管內流動時主要考慮接頭及管件處的壓力損失。一般氣體管道，當管道長度L>60 m時，按等溫流動公式計算。

輸入工況為：入口氮氣流量為1 200 Nm3/h，溫度為25℃，排氣軟管出口壓力P1為10 bar。氮氣在排氣軟管內流動時的壓力損失估算公式為

式中：ΔP1為軟管摩擦壓力降；λ為軟管摩擦系數，可根據與雷諾數Re及管壁相對粗糙度ε/d的關系圖(莫迪圖)查出，計算得Re=47 500，ε/d=0.000 6，查出λ取0.023；L為軟管長度；W為氮氣質量流量，計算得W=1 368 kg/h；d為軟管內徑；ρm為軟管內氮氣的平均密度，施工估算時可以使用排氣軟管出口處密度。

氮氣在海管內流動時的壓力損失估算公式為

式中：ΔP2為海管內壓力降，通常計算值較?。籏f為管件處壓力損失系數，可根據計算手冊圖查出，90°彎管處的壓力損失系數取0.2，注氣軟管與海管連接處取1.0，排氣軟管與海管連接處取0.4；ρ為氮氣密度；v為海管內氮氣的流速。

在計算過程中密度ρ、速度v等應取平均值進行計算，然而計算平均值時由于管道另一端的數據是未知的，此時對于較長距離、壓力損失較大的管道，可先用已知一端的數據進行估算，然后進行調整，反復核算。

(4) 干燥時間計算。由于該段管道沒有通球，其內部可能還存在較多的水，干燥時間可能較長，對干燥時間進行預估有利于安排調整施工計劃。干燥時間可根據以上經驗公式(1)進行估算。同時為便于估算管內剩余水量，可以按照傳統(tǒng)干燥時的管內壁殘留水膜厚度作為估算依據。最終根據估算過程以及輸入工況確定施工主要參數，見表2。

表2 施工參數核算表

3 與實際施工情況的對比

海上施工時，首先根據潛水員調查數據，確定兩側閥組完成安裝后的相對高度差，選擇相對較高的北側閥組為注氣端。連接注氣軟管，持續(xù)充入氮氣，將海管內海水從南側閥組排出。為使海水充分排出，當南側閥組2英寸排水口持續(xù)排出氣泡后，潛水員關閉2英寸排水口閥門，注氣軟管持續(xù)向海管內注入壓縮氮氣，當壓力升高至15 bar左右時，潛水員迅速打開2英寸排水口閥門，可通過高壓氣體將海管內剩余水分帶出，重復該步驟幾次，可認為完成排水。圖3為海上施工時水下排水的情況，圖3a)為從管內排出的海水，圖3b)可以看到有大量氣泡排出。

圖3 水下排水

干燥惰化階段，使用施工設計計算的結果，保持氮氣入口壓力為13 bar，流量為1 200 Nm3/h，持續(xù)向海管內充入干燥氮氣進行干燥。最初階段可明顯觀察到甲板排氣口內仍有水分被高壓氣體帶出，這一階段排出的主要是排氣軟管內壁剩余的水分。由于排氣軟管在安裝時為避免軟管受水壓導致損壞，兩段均為打開狀態(tài)，保持內外壓力平衡。排氣軟管與閥組支管連接后，從排氣軟管頂部注氣，將海水從單獨設置的另一個排水口排出。但在實際操作過程中難以避免該排氣軟管存在低點，導致管內海水無法完全排出，并且其內壁也會殘留部分海水。如果想要避免這種情況，可以在排氣軟管下端安裝閥門進行密封，并對軟管內充入一定壓力的氣體，避免軟管內部壓力小于外界水壓，但需要充分考慮人員操作的安全。

當排氣軟管甲板接口不再排出水霧時，進入干燥階段。測量得排氣口壓力約為9.5 bar，干燥至露點-5℃耗時為9.5 h(不計算密封靜置試驗的時間)，這2個參數均與計算值有一定偏差，其中實際壓力與計算壓力的偏差原因主要有：(1)計算公式為經驗公式，允許有一定的偏差；(2)在施工設計階段計算壓力損失時沒有精確到計算所有軟管及海管附件，存在較小的偏差。實際干燥時間與計算值的偏差的原因主要有：(1)計算公式為經驗公式；(2)完成排水后海管內壁殘留水分的估算存在偏差，在以往工程案例中有較多關于通球排水后管道內殘留水分估算的參考，但是對于不通球排水的管道內殘留水分含量則沒有相關經驗可以借鑒。本項目施工設計階段管道內殘留水分的計算是基于前期陸地試驗情況的，但仍無法保證海上施工與陸地試驗的情況完全相同。

4 結 論

對于終端在水下的海管，其排水干燥惰化可借助于支持船完成，施工參數的計算也可以使用經驗公式估算。由于水下軟管抗外壓能力的限制，真空干燥不適用于使用水下軟管的施工作業(yè)。對于無法通球的管道，需要在前期設計階段考慮管道排水干燥的施工需求。

[1] 倪超，馬洪新，唱永磊, 等. 荔灣3-1氣田輸氣管道排水干燥工藝設計與應用[J]. 中國海上油氣，2015, 27(01): 107-110.

[2] 曹學文, 林宗虎, 陳振瑜, 等. 東方1-1海底輸氣管道排水與干燥工藝技術[J]. 天然氣工業(yè), 2004, 24(05): 120-122.

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SubseaPipelineDewatering,DryingandNitrogenPurgingTechnology

WEI Xingchao, ZHANG Jie, GAO Yuan, GAO Chao, CUI Ning

(COOEC Subsea Technology Co., Ltd.， Shenzhen 518067， Guangdong， China)

One of the gas field export pipeline in South China Sea is damaged and repaired by replacing the damaged section with two new subsea valve manifolds connected by a spool. After engineering and optimizing, it is decided to use diving support vessel equipped with compressors, drier units and downline for offshore operations. A lot of calculation is done to determine the operation parameters such as pressure and flowrate. It can be concluded that dried and nitrogen purged and it indicates for pipeline which with one or both terminations subsea can be dewateed, dried and nitrogen purged by support vessel equipped with the required facilities and with a better design the offshore operation will be efficient.

underwater dewatering; drying; pressure loss; drying time

1001-4500(2017)06-0061-05

2017-06-09

中國海洋石油總公司科技項目“深水海管應急維修關鍵技術與裝備研究”

魏行超(1979-)，男，工程師

TE832

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