某FPSO項目高壓密性實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

劉焰明，朱武，陳兆勝，高榮俊

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

隨著海洋石油工業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的深海油氣田陸續(xù)得到開發(fā)。為保證油氣田的安全投產(chǎn)，對石油生產(chǎn)設(shè)施工藝系統(tǒng)進(jìn)行密性試驗(yàn)是保證油氣田投產(chǎn)必不可少的質(zhì)量安全檢驗(yàn)措施。而隨著油氣田作業(yè)水深的不斷增加，工藝系統(tǒng)的壓力不斷提高，密性實(shí)驗(yàn)的壓力隨之不斷提高。

1 海洋石油生產(chǎn)設(shè)施密性試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外對于密性試驗(yàn)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)研究較少，文獻(xiàn)規(guī)定了氣密實(shí)驗(yàn)壓力需為最大工作壓力的1.1倍；文獻(xiàn)中對于氣壓實(shí)驗(yàn)的安全距離提出了詳細(xì)的計算方案和要求。文獻(xiàn)對于高壓油氣田氣密計劃的編制以及主要步驟進(jìn)行了論述。文獻(xiàn)對密性試驗(yàn)過程中壓力降計算進(jìn)行了分析和介紹。文獻(xiàn)對密性試驗(yàn)的系統(tǒng)安全進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)對試驗(yàn)過程中檢測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和介紹。但是，目前國內(nèi)外鮮有文獻(xiàn)對壓力試驗(yàn)的技術(shù)要點(diǎn)、試驗(yàn)程序、注意事項有系統(tǒng)的分析。本文將以某大型FPSO密性試驗(yàn)為例，分析海上超高壓油氣設(shè)施氣密試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)。

2 密性試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

氣密試驗(yàn)也叫泄漏性試驗(yàn)，是以氣體為試驗(yàn)介質(zhì)，在設(shè)計壓力下進(jìn)行試驗(yàn)，以發(fā)泡劑，顯色劑，氣體分析感測儀或其它專門手段檢查管道系統(tǒng)中的泄漏點(diǎn)。氣密試驗(yàn)前則要求必須管線系統(tǒng)壓力試驗(yàn)合格，且完成法蘭管理，以保證在管線整體強(qiáng)度合格，螺栓、墊片、法蘭面緊固可靠，然后以相對于壓力試驗(yàn)較低的壓力進(jìn)行。

氣密試驗(yàn)中管道系統(tǒng)需安裝安全閥或其它類型的過壓保護(hù)裝置，當(dāng)氣密包所包含的系統(tǒng)具有不同的壓力等級時，氣密實(shí)驗(yàn)壓力的選取需依據(jù)氣密包內(nèi)最低設(shè)計壓力或操作壓力。

2.1 密性試驗(yàn)范圍

氣密試驗(yàn)的目的往往被視為項目里管路系統(tǒng)的運(yùn)行前最后一道測試工序，對于存在可拆卸接頭的管道系統(tǒng)，均要求完成氣密試驗(yàn)。需要進(jìn)行檢測的節(jié)點(diǎn)包括法蘭節(jié)點(diǎn)、螺紋連接點(diǎn)、人孔及手孔、閥蓋等等。對于不參與試驗(yàn)的設(shè)備應(yīng)使用盲板或其它方法與管線隔離，閥門在滿足密性試驗(yàn)壓力時也能用于隔斷。對于泵、壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等動設(shè)備，往往不參與密性試驗(yàn)。氣密實(shí)驗(yàn)的介質(zhì)通常為氦氣或者壓縮空氣。為盡量減少氣密實(shí)驗(yàn)的工作量，當(dāng)管道系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行介質(zhì)為液相或者氣液混合相時，可以與業(yè)主協(xié)商使用純水作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，試驗(yàn)結(jié)束后對工藝管線內(nèi)部進(jìn)行吹掃和干燥處理。

2.2 氣密實(shí)驗(yàn)壓力

氣密試驗(yàn)的具體要求需要在項目的執(zhí)行過程中與業(yè)主進(jìn)行澄清，由于在各個標(biāo)準(zhǔn)中，氣密壓力要求不一。在有的國內(nèi)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，考慮到氣密試驗(yàn)所帶來的危險因素，將氣密試驗(yàn)的最大壓力設(shè)定為不超過0.6MPa。而在本FPSO項目中，按照業(yè)主要求，試驗(yàn)壓力需按照管道系統(tǒng)操作壓力的1.1倍或者設(shè)計壓力的0.95倍來進(jìn)行。對于需要將壓力容器或其它靜設(shè)備包括在氣密包內(nèi)的系統(tǒng)，氣密試驗(yàn)壓力需考慮壓力容器的承受能力。在氣密試驗(yàn)的過程中，如果穩(wěn)壓過程中壓降大于10%的試驗(yàn)壓力，氣密試驗(yàn)必須予以終止并重新進(jìn)行試驗(yàn)。

本項目中工藝系統(tǒng)管線最高設(shè)計壓力為630bar，該系統(tǒng)氣密實(shí)驗(yàn)壓力高達(dá)598bar，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國內(nèi)海工油氣項目的氣密實(shí)驗(yàn)壓力，因此，對實(shí)驗(yàn)程序以及相關(guān)技術(shù)管理提出了更高的要求。

2.3 密性試驗(yàn)安全距離

氣密試驗(yàn)由于被壓縮氣體在密封容器內(nèi)存在物理爆炸，爆炸時，密封系統(tǒng)內(nèi)的高壓氣體急劇絕熱膨脹對外做功引起介質(zhì)變形、移動和破壞，產(chǎn)生超壓波對周邊設(shè)施產(chǎn)生損害的可能性，因此，必須劃分隔離區(qū)域，從而減少對人員的損害。破壞力的大小與密封系統(tǒng)的壓力，以及儲氣體積有關(guān)。

由于并無標(biāo)準(zhǔn)對氣密實(shí)驗(yàn)的安全距離進(jìn)行規(guī)定，因此，本項目中安全距離參考ASME PCC-2 中對于氣壓試驗(yàn)安全距離的計算公式：

其中：E——系統(tǒng)儲能，J；k——測試流體比例因子，當(dāng)測試氣體為壓縮空氣或者氮?dú)鈺r，k取1.4；Pa——絕對大氣壓，101kPa；Pat——絕對測試壓力，Pa；V——測試系統(tǒng)容積；TNT——TNT當(dāng)量，Kg；R——隔離距離；Rscaled——隔離范圍系數(shù)。

根據(jù)上述公式，可計算出理論上的ZONE1，ZONE2，而ZONE3無相關(guān)計算標(biāo)準(zhǔn)，通常項目的區(qū)域至少在ZONE2外圍。

ZONE1：禁區(qū)(升降壓時禁止任何人員進(jìn)入)，此區(qū)域內(nèi)風(fēng)險評估為可造成人員傷亡。

ZONE2：限制區(qū)(非氣密作業(yè)人員不得進(jìn)入)，此區(qū)域內(nèi)風(fēng)險評估為可造成人員肺部、耳膜，設(shè)施損壞。

ZONE3：隔離區(qū)(無關(guān)人員不得進(jìn)入)，此區(qū)域內(nèi)風(fēng)險評估為飛濺物飛行距離影響區(qū)域，有潛在砸傷人員設(shè)施風(fēng)險。

通常隔離區(qū)域至少為ZONE2外圍，考慮到氣密實(shí)驗(yàn)前系統(tǒng)已完成相應(yīng)的壓力試驗(yàn)，有的專業(yè)公司通常將隔離區(qū)域僅設(shè)為10m～15m。

2.4 法蘭管理

進(jìn)行氣密試驗(yàn)前，相應(yīng)的法蘭節(jié)點(diǎn)需完成法蘭管理，對法蘭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號并掛牌。對于臨時法蘭或者“假管”，為保證氣壓安全性，要求試壓臨時法蘭需按照法蘭管理程序執(zhí)行，并需要掛臨時牌，如圖1。

圖1 FLANGE 臨時掛牌模板

法蘭螺栓需用扭力扳手或拉力器等工具按規(guī)定力矩進(jìn)行緊固。緊固力通常需考慮壓力試驗(yàn)的升降壓過程。

在選用法蘭螺栓緊固力矩時，需根據(jù)法蘭及墊片的材質(zhì)與類型進(jìn)行分類。

（1）非金屬法蘭包括玻璃鋼、PVC、鋼骨架等法蘭，緊固力矩由法蘭廠家提供。

（2）金屬法蘭，常用的法蘭標(biāo)準(zhǔn)用ASME B16.5，NORSOK L-005，API6A，需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)里推薦的力矩進(jìn)行法蘭緊固，對于非標(biāo)法蘭，要求法蘭廠家提供相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)，作為螺栓緊固參考。

（3）絕緣法蘭，考慮到絕緣墊片的強(qiáng)度問題，法蘭管理時應(yīng)考慮絕緣墊片的強(qiáng)度，絕緣墊片的力矩由絕緣墊片廠家提供。

3 密性試驗(yàn)程序的編制

通常試驗(yàn)程序包括方案編制、方案審批、技術(shù)交底、法蘭或其它連接點(diǎn)、試驗(yàn)前檢查、試驗(yàn)后恢復(fù)、填寫實(shí)驗(yàn)記錄、資料存檔等步驟。

（1）氣密試驗(yàn)前，管線及設(shè)備必須完成壓力試驗(yàn)，有認(rèn)可的壓力試驗(yàn)記錄/報告，設(shè)備及管線外觀檢查合格，無銹蝕無破損，壁厚符合檢驗(yàn)規(guī)范要求。

（2）氣密試驗(yàn)前法蘭節(jié)點(diǎn)法蘭、螺栓、墊片規(guī)格材質(zhì)正確且有材質(zhì)證書，連接點(diǎn)扭矩達(dá)到規(guī)格書要求且有檢驗(yàn)記錄。

（3）氣密實(shí)驗(yàn)前所有系統(tǒng)上的儀表必須在標(biāo)定周期內(nèi)且安裝到位檢驗(yàn)合格。

（4）彈簧吊架和配重吊架在試驗(yàn)過程中處于鎖定狀態(tài)。

3.1 氣密實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）在氣密試驗(yàn)之前，必須保證測試系統(tǒng)的機(jī)械完整性。

（2）氣密試驗(yàn)時，所有的關(guān)鍵閥門需鎖住在指定位置，業(yè)主及氣密試驗(yàn)代表需簽署閥門隔斷表。

（3）現(xiàn)場實(shí)際執(zhí)行如與程序有偏離存在，需列出偏離項清單報氣密試驗(yàn)現(xiàn)場代表及業(yè)主批準(zhǔn)。

（4）氣密試驗(yàn)前應(yīng)檢查所有軟管是否綁緊或者有安全屏障，以避免試驗(yàn)時松脫而搖晃甩動，并檢查軟管連接管線鎖扣的完整性。

（5）下雨天不能進(jìn)行氣密試驗(yàn)，如果要試驗(yàn)應(yīng)該提供遮蔽物或其它防風(fēng)物。

（6）如有要求，所有的測試法蘭節(jié)點(diǎn)上需纏有PVC膠帶。

3.2 氣密試驗(yàn)流程

氣體密性實(shí)驗(yàn)流程圖見圖2，主要分為升壓、檢測與降壓三個階段。

圖2 氣密試驗(yàn)流程圖

（1）升壓。系統(tǒng)升壓過程中，需綜合考慮以下幾點(diǎn)。

①使用柴油氮轉(zhuǎn)換器時，所使用的泵必須打開接通，泵發(fā)動機(jī)需加熱到工作溫度且啟動，直到產(chǎn)生連續(xù)的液態(tài)氮（通常該過程需持續(xù)45分鐘）。②所使用注入氣密密性試驗(yàn)介質(zhì)高壓軟管在試驗(yàn)前應(yīng)先行測試軟管密性。若發(fā)現(xiàn)密性軟管存在泄漏，需立即進(jìn)行降壓、修復(fù)并對軟管重新進(jìn)行測試。③注氮速率需依據(jù)管線及設(shè)備的體積，并綜合考慮每個包做密性試驗(yàn)所需時間。④系統(tǒng)初始升壓應(yīng)緩慢進(jìn)行，升壓過程中若發(fā)生泄漏，升壓應(yīng)立即進(jìn)行終止，并按照既定程序進(jìn)行降壓，整個降壓操作需得到氣密試驗(yàn)負(fù)責(zé)人及業(yè)主許可。⑤氣密試驗(yàn)進(jìn)行時，升壓速率需由氣密試驗(yàn)負(fù)責(zé)人控制，但不得超過注氣軟管測試時的升壓速率。⑥當(dāng)試驗(yàn)壓力穩(wěn)定時，關(guān)閉管匯閥門，關(guān)閉泵及軟管。⑦管線系統(tǒng)的壓力應(yīng)緩慢增加到25%的試驗(yàn)壓力并保壓5分鐘，在壓力達(dá)到6bar時應(yīng)穩(wěn)壓檢測系統(tǒng)是否泄漏，如不泄漏繼續(xù)增大至試驗(yàn)壓力的50%并保壓5分鐘，試驗(yàn)壓力應(yīng)維持試驗(yàn)包中規(guī)定的最短時間，但不應(yīng)小于最少保壓15分鐘或繞整個系統(tǒng)泄漏檢查一圈的時間。

（2）檢測。在氣密試驗(yàn)壓力達(dá)到后應(yīng)進(jìn)行檢查，保持壓力，此時可以使用泡沫檢測泄漏。如果系統(tǒng)壓降超過10%，應(yīng)考慮重新增壓。如果發(fā)現(xiàn)泄漏，應(yīng)在PID及氣密試驗(yàn)報告中記錄，并在泄漏節(jié)點(diǎn)貼泄漏標(biāo)簽，也可以在膠帶插管，另一端插入水中，如果有氣泡為泄露（用此法檢測高壓提高安全性，光照足夠，每人配備望遠(yuǎn)鏡），如果壓力表看到壓降，但是測試系統(tǒng)沒有發(fā)現(xiàn)泄漏，可使用超聲波測試方法。

（3）降壓。當(dāng)系統(tǒng)中所有的節(jié)點(diǎn)已經(jīng)完成測試，系統(tǒng)應(yīng)逐步開始降壓，系統(tǒng)內(nèi)壓力以25%試驗(yàn)壓力的幅度遞減到170kPa，最后泄壓到0，達(dá)到每一步的停點(diǎn)都要保壓5分鐘。泄壓應(yīng)逐步進(jìn)行避免壓力波。降壓過程中，所有的放空點(diǎn)應(yīng)打開，系統(tǒng)完全泄壓后，應(yīng)反復(fù)開關(guān)閥門以保證系統(tǒng)徹底泄壓。如有特殊要求，測試系統(tǒng)內(nèi)可殘留壓力，但此時應(yīng)形成報告移交業(yè)主及測試方。

4 結(jié)語

隨著深海油氣作業(yè)水深的不斷增加，為真實(shí)模擬投產(chǎn)后的實(shí)際運(yùn)行情況，檢驗(yàn)系統(tǒng)的安全性，對管道和設(shè)備系統(tǒng)高壓以及超高壓氣密試驗(yàn)是今后海洋石油設(shè)施施工技術(shù)發(fā)展的趨勢，是確保油氣管線及設(shè)備安全、有效運(yùn)行的有力施工技術(shù)保障。為保證氣密試驗(yàn)的安全性，需全面分析設(shè)備與管線的實(shí)際運(yùn)行狀況，在氣密試驗(yàn)前完成壓力試驗(yàn)及法蘭管理。而對于目前國際上許多大型項目，模塊化全球建造，在某一個場地進(jìn)行集成，則需仔細(xì)分析模塊氣密試驗(yàn)報告，對此在編制相應(yīng)的施工計劃時，需結(jié)合考慮相應(yīng)模塊壓力包的完成情況。

進(jìn)行壓力容器和管道系統(tǒng)氣密試驗(yàn)時，特別是高壓試驗(yàn)時應(yīng)注意防護(hù)，發(fā)生氣體泄漏甚至爆炸是非常危險的。因此氣密檢測試驗(yàn)時一定要做好防護(hù)措施，避免對人員設(shè)備的危害。在編制施工計劃時，需考慮風(fēng)險因素，確保計劃的可行性。