海洋平臺(tái)管線試壓用水量計(jì)算及回用方案

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(1.中海福陸重工有限公司，廣東 珠海 519000； 2.海洋石油工程(珠海)有限公司，廣東 珠海 519000)

0 引 言

在石油化工及海洋平臺(tái)的建造過(guò)程中，管道壓力試驗(yàn)是檢驗(yàn)其強(qiáng)度和密封性的重要環(huán)節(jié)，也是管線驗(yàn)收和試運(yùn)行的重要依據(jù)。根據(jù)海洋石油工程公司以往項(xiàng)目的相關(guān)程序文件，管線的試壓工作一般分為4個(gè)部分進(jìn)行，即前期準(zhǔn)備工作(管線清洗)、試壓、管線吹掃和試壓結(jié)束(管線吹干)。

管線的試壓主要分為液壓試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn)。在海洋平臺(tái)的項(xiàng)目中，涉及氣壓試驗(yàn)的系統(tǒng)較少，一般主要為儀表氣、干式消防系統(tǒng)，且設(shè)計(jì)壓力均高于600 kPa，根據(jù)規(guī)范API RP 14E[1]及?？偽募蛾P(guān)于加強(qiáng)管道容器試壓安全管理的緊急通知》的規(guī)定：對(duì)于設(shè)計(jì)壓力大于0.6 MPa的管道容器，原則上禁止使用氣體介質(zhì)進(jìn)行壓力試驗(yàn)，因其結(jié)構(gòu)或水質(zhì)無(wú)法進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，必須進(jìn)行詳細(xì)的風(fēng)險(xiǎn)分析，采取防護(hù)措施，試壓方案必須得到上級(jí)部門(mén)的批準(zhǔn)。基于安全方面考慮，現(xiàn)階段各項(xiàng)目業(yè)主基本同意對(duì)于設(shè)計(jì)壓力高于600 kPa時(shí)須進(jìn)行氣壓試驗(yàn)的管線可由液壓試驗(yàn)替代。

由于試壓程序可知，管道的試壓工作分為準(zhǔn)備階段、試壓階段、吹掃階段和試壓結(jié)束階段，對(duì)于液壓試驗(yàn)前3個(gè)階段均采用潔凈水，由液壓代替氣壓試驗(yàn)的前2個(gè)階段也均使用潔凈水。因此，潔凈水在管線試壓過(guò)程中使用的次數(shù)較多，使用量一般也較大，且潔凈水對(duì)水質(zhì)要求較高，如施工場(chǎng)地?zé)o回收系統(tǒng)，勢(shì)必造成較大的浪費(fèi)，特別是從事較大項(xiàng)目的建造過(guò)程中則體現(xiàn)得尤為明顯。因此，潔凈水的回收利用對(duì)節(jié)能減排有益。

1 試壓案例及相關(guān)計(jì)算

1.1 項(xiàng)目介紹

以黃巖1-1項(xiàng)目為例，對(duì)項(xiàng)目試壓過(guò)程中潔凈水的用量進(jìn)行計(jì)算和分析，同時(shí)對(duì)珠海場(chǎng)地已完成的海洋平臺(tái)項(xiàng)目和在建項(xiàng)目進(jìn)行匯總。黃巖1-1項(xiàng)目上部組塊重3 564 t，管線總長(zhǎng)11 641 m(不含當(dāng)量長(zhǎng)度)，平臺(tái)分為3層，其中上層平臺(tái)48 m×35 m，中層平臺(tái)41 m×35 m，下層平臺(tái)33 m×21 m，總面積3 808 m2。

1.2 項(xiàng)目試壓用水量計(jì)算

黃巖1-1項(xiàng)目試壓涉及平臺(tái)及棧橋2部分，試壓包總數(shù)為147個(gè)，系統(tǒng)數(shù)29個(gè)，棧橋上FL管線為20英寸(1英寸=0.025 4 m)。管線試壓用水量估算[2]見(jiàn)表1，其中余量系數(shù)基于以下因素考慮：(1)考慮其他部分特殊管件及替代(如單向閥、過(guò)濾器、電動(dòng)閥、氣動(dòng)閥等)；(2)考慮試壓過(guò)程中的損失；(3)考慮管道壁厚變化造成的體積變化量(表中體積的計(jì)算均按標(biāo)準(zhǔn)壁厚值進(jìn)行計(jì)算)；(4)考慮管線試壓失敗后重新進(jìn)行試壓。

表1 黃巖1-1 液壓試驗(yàn)潔凈水用量估算

1.3 項(xiàng)目沖洗用水量計(jì)算

根據(jù)沖洗經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)沖洗介質(zhì)達(dá)到紊流狀態(tài)時(shí)，沖洗效果可達(dá)到最佳[3]。按黃巖1-1管線試壓和吹掃程序中的相關(guān)規(guī)定，潔凈水清掃時(shí)流速不得低于3 m/s，沖洗水應(yīng)該持續(xù)不斷，直至在排放口流出潔凈水1 min以上。為滿足流速要求，各試壓包系統(tǒng)中最大管線滿足該流速即可達(dá)到要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作情況，管線充滿水后，小管線(<6英寸)的沖洗時(shí)間約15 min，大管線(≥6英寸)的沖洗時(shí)間約18 min，可達(dá)到上述潔凈要求。因此，管線清洗和沖洗用水量估算[2]見(jiàn)表2，其中余量系數(shù)是基于1.2節(jié)中的原因(1)和原因(3)，各種規(guī)格的管線作為主管沖洗次數(shù)的統(tǒng)計(jì)是依據(jù)各試壓包中相應(yīng)管線尺寸確定的，沖洗水的使用體積與管線總體積之和為本次項(xiàng)目總的用水量。

表2 黃巖1-1 清洗及清掃潔凈水用量估算

1.4 項(xiàng)目試壓用水總量及經(jīng)濟(jì)分析

根據(jù)計(jì)算，該平臺(tái)項(xiàng)目在管線試壓整個(gè)過(guò)程中潔凈水總的用量約為10 040 m3?，F(xiàn)建造場(chǎng)地已完成海洋平臺(tái)項(xiàng)目有7座，按照以上方式計(jì)算，項(xiàng)目總用水量約40 530 m3，直接排放造成的經(jīng)濟(jì)損失約為13.2萬(wàn)元。根據(jù)發(fā)展需要，后期將進(jìn)行管廊施工建造，涉及的管線長(zhǎng)度可達(dá)十幾萬(wàn)米，試壓包的數(shù)量幾千個(gè)，所用到的潔凈水的量將達(dá)到十幾萬(wàn)立方米，該部分水若不回用，直接造成經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)幾十萬(wàn)元。因此，試壓水的回收工作意義重大。

2 試壓/沖洗水回收方案

2.1 試壓及沖洗水水質(zhì)介紹

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)管線預(yù)制及安裝情況，金屬管道主要在車間進(jìn)行預(yù)制，然后運(yùn)至平臺(tái)處進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝，而非金屬管線通常在室外靠近平臺(tái)處預(yù)制完后運(yùn)至平臺(tái)上安裝。因此，非金屬管線在沖洗過(guò)程中沖洗水中泥沙含量一般較大，而金屬管線則一般含量較小。具體水質(zhì)情況與管道材質(zhì)有關(guān)，見(jiàn)表3。

表3 不同材質(zhì)管線沖洗和試壓過(guò)程中水質(zhì)情況

在管線試壓過(guò)程中，清洗和吹掃時(shí)間為15～18 min，試壓時(shí)間一般為30 min，潔凈水水質(zhì)pH值為7.0～8.5，氯離子含量小于25 mg/L，因此，該過(guò)程中一般不會(huì)有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生[4-5]，可采用過(guò)濾及物理沉降法改善水質(zhì)。

2.2 物理沉降試驗(yàn)

根據(jù)場(chǎng)地在建項(xiàng)目情況，試驗(yàn)所取水樣為“孔雀廳”項(xiàng)目。由于管線沖洗用水量遠(yuǎn)大于試壓水用水量，且對(duì)于大多數(shù)中低壓管線來(lái)說(shuō)，沖洗水中的雜質(zhì)更具有代表性，因此，根據(jù)不同的管線材質(zhì)，分別取5個(gè)試壓包的沖洗水樣，每個(gè)試壓包的沖洗水水樣均在排水口處截取，截取次數(shù)為2次，分別在沖洗開(kāi)始出水時(shí)和沖洗5 min后截取，取水量為1 000 mL，樣品水瓶有效高度為230 mm。取樣后將水樣搖勻，進(jìn)行靜止沉降時(shí)間測(cè)定，如圖1和圖2所示。

圖1 不同材質(zhì)管線沖洗出水時(shí)水樣中雜質(zhì)沉降時(shí)間 圖2 不同材質(zhì)管線沖洗5 min時(shí)水樣中雜質(zhì)沉降時(shí)間

沖洗水和試壓水中雜質(zhì)比較單一，且雜質(zhì)的絮凝和附著效果較差，相互作用較小，相對(duì)密度較大。因此，雜質(zhì)在水中的沉降過(guò)程可視為加速下沉。通過(guò)小試試驗(yàn)可知：在有效高度為230 mm時(shí)，出水時(shí)水樣中雜質(zhì)的沉降時(shí)間約為15 s，5 min后水樣中雜質(zhì)的沉降時(shí)間約為13 s，且沉降后水質(zhì)清澈、沉降效果好。因此，采用污水處理工藝中的一級(jí)處理工藝對(duì)水中的雜質(zhì)進(jìn)行處理。

2.3 沉降方案比選

由于以物理沉降工藝為主，且針對(duì)水中的相關(guān)雜質(zhì)情況，在潔凈水回水進(jìn)入沉降區(qū)之前進(jìn)行粗過(guò)濾，將水質(zhì)中的絲帶、黏膠塊、大塊渣屑等過(guò)濾掉，同時(shí)兼顧水力負(fù)荷的影響，粗過(guò)濾濾網(wǎng)可選用截留粒徑1.651 mm(10目)的濾網(wǎng)，能截留直徑1.651 mm以上的渣屑，濾網(wǎng)材質(zhì)為316L。

根據(jù)物理沉降試驗(yàn)和環(huán)保設(shè)計(jì)中的一級(jí)處理工藝，選用具有沉砂池功能的沉降水箱。沉砂池按流態(tài)可分為平流沉砂池、豎流沉砂池和旋流沉砂池等，各種池型的特點(diǎn)見(jiàn)表4[6]。

表4 沉砂池各種池型的特點(diǎn)和適用條件

在管線試壓和沖洗過(guò)程中，作為主管規(guī)格進(jìn)行該操作的管線從1/2～20英寸均有參與，而沖洗水流速度不低于3 m/s，這對(duì)沉降區(qū)的耐沖擊負(fù)荷要求較高。根據(jù)各沉砂池的特點(diǎn)，該潔凈水回收項(xiàng)目采用具有平流沉降功能的沉降箱，同時(shí)針對(duì)平流沉砂池配水不易均勻的特點(diǎn)，對(duì)平流沉砂池采用直流進(jìn)出水的方式，改進(jìn)為廊道迂回式進(jìn)出水，通過(guò)水流通道的加長(zhǎng)以及箱壁2次對(duì)水流方向的改變調(diào)整配水的均勻性。這樣既改善了平流沉砂池的弊端，又增強(qiáng)了水力負(fù)荷的耐沖擊能力，從而達(dá)到較為理想的沉降效果。

2.4 方案的確定

通過(guò)主要工藝的比選，最終確定試壓及沖洗過(guò)程中水回收利用的方案如圖3所示。

圖3 回收水方案圖

在試壓完成后或沖洗過(guò)程中，回水管線用軟管連接通過(guò)粗過(guò)濾器，去除絲帶及粒徑大于1 mm的渣屑，過(guò)濾后進(jìn)入沉降區(qū)進(jìn)行沉降。沉降后水質(zhì)合格通過(guò)補(bǔ)水區(qū)進(jìn)入蓄水區(qū)，再通過(guò)試壓泵系統(tǒng)或沖洗泵將潔凈水打至與平臺(tái)對(duì)接的軟管中，對(duì)平臺(tái)管網(wǎng)進(jìn)行供水。

蓄水區(qū)設(shè)補(bǔ)水區(qū)，補(bǔ)水區(qū)設(shè)置補(bǔ)水管，以補(bǔ)充用水量或換水。在蓄水區(qū)出口處設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測(cè)口，根據(jù)試壓水使用次數(shù)定期監(jiān)測(cè)，如水質(zhì)不合格，可通過(guò)沉降區(qū)進(jìn)水口和補(bǔ)水區(qū)處的水質(zhì)調(diào)節(jié)管線加入調(diào)節(jié)劑進(jìn)行調(diào)節(jié)。如水質(zhì)須更換則通過(guò)蓄水池出口處的排水管線排放至市政污水管網(wǎng)，再通過(guò)補(bǔ)水區(qū)的補(bǔ)水管進(jìn)行補(bǔ)水。蓄水區(qū)設(shè)置液位計(jì)，在沖洗或試壓過(guò)程中若出現(xiàn)較大系統(tǒng)，僅蓄水區(qū)給水不足時(shí)，可通過(guò)開(kāi)啟補(bǔ)水區(qū)補(bǔ)水管線進(jìn)行供水，同時(shí)蓄水區(qū)設(shè)置溢流口，排出過(guò)剩水量。

試壓泵系統(tǒng)為施工現(xiàn)場(chǎng)原有的3套系統(tǒng)，分別為3DY-2000/120泵組、 3DY-4000/60 泵組和3DY-2300/40泵組，其額定壓力分別為120 MPa，60 MPa和40 MPa。管線沖洗采用IS系列離心泵，在泵出口處設(shè)計(jì)回路與進(jìn)口管線相連，用于調(diào)節(jié)流量[7]。在蓄水區(qū)出水管線上設(shè)置相應(yīng)的接口，根據(jù)需要分別通過(guò)軟管與試壓系統(tǒng)泵組或沖洗離心泵相連。

回收水在循環(huán)使用的過(guò)程中，由于含有大量的鐵銹，水質(zhì)的色度會(huì)逐漸變成黃色，須添加藥物進(jìn)行除色；同時(shí)，在使用過(guò)程中，不銹鋼及銅鎳合金管線對(duì)氯離子的含量有要求，一般不超過(guò)25 mg/L，若檢測(cè)到回用水中氯離子超標(biāo)，須立即添加藥物以降低氯離子的作用，從而達(dá)到使用要求。

水箱沉淀區(qū)域產(chǎn)生的廢渣通過(guò)穿孔排渣管道排出[8]，穿孔管道長(zhǎng)4英寸，穿孔直徑為20 mm，角度為45°，孔間距為300 mm，交錯(cuò)排列。穿孔管道置于砂斗中，砂斗角度設(shè)計(jì)為55°[9]。泥渣通過(guò)穿孔管道匯集后經(jīng)排渣泵排放，排放周期根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作情況擬定。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)HY1-1項(xiàng)目試壓和沖洗用水量計(jì)算可知，潔凈水在管線試壓過(guò)程中用量較大，進(jìn)行回收可降低能耗、減少浪費(fèi)，同時(shí)還可循環(huán)利用，提高潔凈水的使用效率。

根據(jù)在建海洋平臺(tái)項(xiàng)目的情況，通過(guò)不同材質(zhì)管線沖洗水出水雜質(zhì)沉降試驗(yàn)和水質(zhì)分析以及環(huán)保工藝設(shè)計(jì)中相關(guān)裝置的比選，設(shè)計(jì)出一套試壓及沖洗水回收處理裝置。該裝置所采用的折疊式平流沉砂水箱具

有耐沖擊負(fù)荷高、配水均勻等特點(diǎn)，且水箱的一次投資成本低、建設(shè)周期短。在水質(zhì)可能變壞的情況下，設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)節(jié)劑系統(tǒng)，調(diào)節(jié)劑市場(chǎng)供應(yīng)充足、價(jià)格低，整個(gè)項(xiàng)目建成后運(yùn)行費(fèi)用也低。整個(gè)回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)為吊裝移動(dòng)式撬塊，可以滿足不同項(xiàng)目不同建造場(chǎng)地的管線沖洗/試壓需求。

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