陵水氣田項(xiàng)目串油工藝的優(yōu)化及應(yīng)用

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

0 引言

陵水某氣田是我國(guó)第一座自營(yíng)深水大氣田，采用浮式生產(chǎn)平臺(tái)方案。井口物流通過(guò)4 條立管登平臺(tái)。段塞流捕集器分離出的液相3 級(jí)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(jí)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(duì)陵水某氣田上部設(shè)施相關(guān)的潤(rùn)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(guò)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(duì)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(duì)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(guó)物理學(xué)家雷諾通過(guò)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(lái)決定的[1]。

對(duì)于管路串油清洗來(lái)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(wú)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(rùn)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(duì)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(cè)量，一般多用于理論分析和計(jì)算。

相對(duì)黏度是一種以被測(cè)液體的黏度相對(duì)于同溫度下水的黏度之比值的黏度大小表示法。相對(duì)黏度按其測(cè)試方法的不同，有多種名稱。我國(guó)在工程中習(xí)慣采用恩氏黏度，簡(jiǎn)稱恩氏度，它是在某標(biāo)定溫度(如20 ℃) 下將 200 cm3的被測(cè)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(duì)輕柴油來(lái)講，由于其黏度并不高，所以沒(méi)有必要通過(guò)升溫來(lái)降低黏度，加之其閃點(diǎn)過(guò)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(duì)于潤(rùn)滑油、液壓油，則應(yīng)通過(guò)升溫來(lái)降低黏度，但油溫不宜超過(guò) 60 ℃。

實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)壓力小于2 MPa 時(shí)，壓力對(duì)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(rùn)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(chǎng)接口采用對(duì)焊的形式。在現(xiàn)場(chǎng)焊接過(guò)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(chǎng)切割、打磨、焊接過(guò)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(chǎng)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(jiǎn)介

由于柴油、潤(rùn)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(guò)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(wú)法達(dá)到串油所需紊流狀態(tài)，串洗周期長(zhǎng)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(guò)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(rùn)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(guò)濾效率，我們對(duì)傳統(tǒng)串油工藝進(jìn)行一系列的改進(jìn)設(shè)計(jì)，相對(duì)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(chǎng)切割、打磨、焊接過(guò)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(duì)不銹鋼管道進(jìn)行酸洗鈍化，經(jīng)過(guò)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(duì)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(jí)。不銹鋼和碳鋼管道酸洗鈍化及除銹防銹前后對(duì)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(duì)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(wú)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(duì)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(duì)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(guò)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(rùn)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(duì)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(guò)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(guò)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(cè)的濾網(wǎng)較臟或者濾網(wǎng)兩側(cè)的壓力表壓差超過(guò)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(wú)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(cè)。

(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(cè)法或顆粒計(jì)數(shù)法來(lái)檢驗(yàn)管路串油清洗是否合格。對(duì)于使用輕柴油作為清洗油液的燃油管路來(lái)講，通常采用目測(cè)法來(lái)檢驗(yàn)；而對(duì)于清潔度要求高的潤(rùn)滑油管路來(lái)講，則主要采用顆粒計(jì)數(shù)法來(lái)檢驗(yàn)。

2.4.1 目測(cè)法檢驗(yàn)法

采用在線目測(cè)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(guò)濾器濾芯，此后可隨污染物的減少相應(yīng)延長(zhǎng)檢查的間隔時(shí)間，直至連續(xù)過(guò)濾 1 h 而在過(guò)濾器內(nèi)無(wú)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(guò)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(cè)定。根據(jù)3 次油樣顆粒計(jì)數(shù)的測(cè)定結(jié)果取其中間測(cè)定值，參考NAS 1638 污染等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的顆粒數(shù)，評(píng)估其對(duì)應(yīng)的NAS 1638清潔度等級(jí)。

3 結(jié)語(yǔ)

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(duì)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(guò)過(guò)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(rùn)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(guò)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。