異徑T型海底天然氣管道排水干燥方案研究

譚紅瑩 高銘志 雷震名 司紅濤 劉 健

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451

0 前言

排水、干燥和惰化是海底天然氣管道投用前重要的作業(yè)環(huán)節(jié)。海底天然氣管道建成后首先進行水壓試驗,經(jīng)水壓試驗后管道內(nèi)會滯留水分。如果不經(jīng)干燥作業(yè)會引起管道內(nèi)部腐蝕[1]；在一定的溫度壓力下形成水合物[2-3],降低輸氣效率,部分管道內(nèi)會產(chǎn)生截留,特別是閥門等處可能會由于水合物的形成而造成失靈。

干燥作業(yè)一般采用干燥劑法[4-6]、抽真空法和干空氣干燥法[7-8]。干空氣干燥法通常采用干燥空氣對管道進行干燥處理,利用低露點空氣吸附水分達到管道干燥目的;抽真空法是利用真空泵減小管道內(nèi)壓力,使附著在管道內(nèi)壁上的水分沸騰汽化,達到消除管道內(nèi)自由水的方法;干燥劑法是利用干燥劑與水可任意比例互溶的原理,來降低管道里的水分,達到干燥效果。

通常天然氣經(jīng)中心平臺集中處理后通過海底天然氣管道直接輸送陸地終端[9]。海底天然氣管道在排水、干燥和惰化過程中,首先使用平臺所設(shè)置清管球收發(fā)球筒進行清管排水,再分別通過干燥空氣和氮氣進行干燥和惰化[10-12]。但是隨著天然氣平臺跨區(qū)域互通及海底大管網(wǎng)開發(fā)模式推進,海底天然氣管道存在交叉且支管與總管管徑大多不同等問題,有些已建天然氣平臺未設(shè)置清管球收發(fā)球筒,無法按常規(guī)操作進行排水干燥。針對此類海底天然氣管道,如何低成本、低風(fēng)險進行排水和干燥成為急需破解的問題。

為解決上述問題,本文以某南海氣田管網(wǎng)項目為例,分析了主管、支管及聯(lián)通平臺布置特點,提出了干氣吹掃排水干燥方案和干氣吹掃排水加TEG干燥方案,并從技術(shù)可行性、風(fēng)險、成本等角度進行綜合對比分析,確定了優(yōu)選方案,解決了異徑T型海底天然氣管道的排水干燥問題[13],也為后續(xù)此類海底天然氣管道排水干燥提供了借鑒。

1 管道基礎(chǔ)參數(shù)及技術(shù)分析

1.1 工況概述

某南海氣田管網(wǎng)項目某段海底天然氣管道布置見圖1,水深70 m，從東方 A 平臺到崖城 B 平臺為天然氣主管線,主管線長195 km、管徑 DN600;中間水下三通連接長度為1.4 km的 DN450 支管,支管設(shè)置一個DN450球閥;支管通往已建樂東 A 平臺,支管與樂東A平臺通過既有DN300立管連通。

1.2 技術(shù)分析

1)DN600主管與DN450支管管徑不同,通過水下三通連接。

2)DN450支管與樂東A平臺通過DN300立管與平臺連接,管徑相差較大。

3)樂東A平臺未設(shè)置平臺收發(fā)球裝置。

鑒于主管、支管與立管管徑差異大且未設(shè)置平臺收發(fā)球裝置,DN450支管無法進行通球作業(yè),無法按照常規(guī)方法進行排水干燥,且對后續(xù)施工作業(yè)、工程投資估算影響較大,因此需對DN450支管制定排水干燥作業(yè)專項方案。

1.3 支管管道參數(shù)

支管管道參數(shù):管徑為DN450,壁厚為15.9 mm,長度為1.4 km,材質(zhì)為X65。

2 干氣吹掃排水干燥方案

2.1 原理

通過壓縮機所產(chǎn)生的帶壓干氣將支管液體排放至主管,然后吹掃管道實現(xiàn)干燥目的,本文稱為干氣吹掃排水干燥方案(以下簡稱方案一)。方案一的工藝過程:首先需要通過通球作業(yè)將主管內(nèi)試壓水初步排放;再將支管內(nèi)試壓水通過干氣排放至主管內(nèi);然后關(guān)閉三通閥,對支管進行干燥處理;最后在主管干燥后,打開三通閥,對主管及支管充入氮氣[14-16],進行整體惰化。

2.2 支管模擬分析

經(jīng)OLGA軟件模擬分析,吹掃初始,管道內(nèi)水量急劇減少;經(jīng)過一段時間后,水量減少速率大大減慢。吹掃時管道滯液量隨時間變化關(guān)系見圖2,當(dāng)吹掃所用干空氣流量10 000 m3/h時,1 h后剩余5.8 m3水,隨后排液速率減慢;經(jīng)推算預(yù)測吹掃100 h,仍剩余約5 m3水量。

2.3 剩余水腐蝕核算

2.3.1 工藝輸入條件

剩余水腐蝕通過OLGA軟件模擬計算,工藝輸入?yún)?shù)見表1。

表1 方案一工藝輸入?yún)?shù)表

2.3.2 計算投產(chǎn)后水排出時間及腐蝕情況

通過OLGA軟件模擬計算,投產(chǎn)后2 d可以將水全部攜帶出去,2 d內(nèi)腐蝕量約0.003 5 mm,屬于輕微腐蝕,對管道整體運行不產(chǎn)生影響[17]。

2.4 過程工藝參數(shù)

根據(jù)OLGA模擬計算結(jié)果,確定過程工藝參數(shù):吹掃介質(zhì)為干空氣,配置6臺壓縮機,每臺流量1 800 m3/h;在DN450支管排水作業(yè)時,由樂東A平臺注入干氣1 h;在DN450支管干燥作業(yè)時,吹掃時間為100 h。

3 干氣吹掃排水加TEG干燥方案

3.1 原理

TEG干燥[5,7,18]:利用TEG干燥劑與水可任意比例互溶的原理,降低管道里的水分,達到干燥效果。

通過壓縮機所產(chǎn)生帶壓干氣將支管水排放至DN600主管,然后注入TEG吸水,再次通過干氣將DN450支管TEG混合液排放至DN600主管,本文將此方案稱之為干氣吹掃排水加TEG干燥方案(以下簡稱方案二)。

方案二的工藝過程:首先通球作業(yè)將DN600主管內(nèi)試壓水初步排放;帶壓干氣將支管內(nèi)試壓水排放至DN600主管內(nèi);然后關(guān)閉三通閥,從樂東A平臺向DN450支管中注入TEG吸水;再打開三通球閥,將DN450支管中的水和TEG混合液排至主管,完成DN450支管干燥;關(guān)閉三通閥,對DN600主管進行排水和干燥作業(yè);待DN600主管干燥后,打開三通閥,對DN600主管及DN450支管充入氮氣[11,19-20],進行整體惰化。

3.2 模擬分析

吹掃條件:吹掃介質(zhì)為干空氣[13],壓縮機每臺流量1 800 m3/h,3臺共為5 400 m3/h。經(jīng)OLGA軟件模擬分析,吹掃初始管道內(nèi)水量急劇減少,之后水量減少速率大大減慢。方案二吹掃時管道滯液量隨時間變化見圖3,1 h后剩余21 m3混合液,隨后排液速率減慢;經(jīng)推算預(yù)測吹掃100 h,仍剩余約20 m3混合液。

圖3 方案二吹掃時管道滯液量隨時間變化關(guān)系圖Fig.3 The relation between the amount of liquid stuckin the pipeline and time during purging of Scheme No.2

3.3 剩余水腐蝕核算

3.3.1 工藝輸入條件

剩余液體腐蝕通過OLGA軟件模擬計算,工藝輸入?yún)?shù)見表2。

表2 方案二工藝輸入?yún)?shù)表

3.3.2 腐蝕情況

排水干燥及惰化后工況:剩余少量水,由于管道中充滿氮氣,不考慮管道內(nèi)腐蝕。

投產(chǎn)后工況:計算得出腐蝕速率為0.67 mm/a,考慮4 d滯留天數(shù),可得到總腐蝕量為 0.67×4/365=0.007 mm,屬輕微腐蝕,對管道的影響可不考慮[17]。

3.4 過程工藝參數(shù)

根據(jù)OLGA軟件模擬計算結(jié)果,確定過程工藝參數(shù):壓縮機配置3臺,每臺1 800 m3/h;TEG使用量約200 m3;在DN450支管排水及TEG作業(yè)時,由樂東A平臺注入干氣約100 h。

4 技術(shù)方案分析及工程選用

4.1 技術(shù)方案對比分析

根據(jù)方案一、方案二技術(shù)分析結(jié)果和具體實施方法,從技術(shù)可行性、操作復(fù)雜性、環(huán)境污染、成本等角度進行綜合對比分析,見表3。

表3 方案一和方案二綜合對比分析表

從表3可知，方案一先后進行2次開啟、2次關(guān)閉的三通球閥操作;DN600主管額外進行1次通球排水作業(yè);剩余5.8 m3水,至投產(chǎn)后,2 d可被投產(chǎn)氣體攜帶出去;海上有一定的作業(yè)量;符合環(huán)保性能要求;經(jīng)濟性好。方案二先后進行3次開啟、3次關(guān)閉的三通球閥操作,DN600主管額外進行2次通球排水作業(yè);需在DN450支管中注滿TEG,約200 m3；需進行200 m3TEG混合液的回收作業(yè);剩余20 m3TEG混合液,至投產(chǎn)后,4 d 可被投產(chǎn)氣體攜帶出去;海上作業(yè)量大,經(jīng)濟性較差。方案一較方案二節(jié)約2次球閥操作、節(jié)約200 m3TEG采辦費、運輸費及回收費，累計超過1 300萬元,推薦采用方案一。

4.2 工程方案選用及技術(shù)要求

4.2.1 工程方案選用

通過綜合對比分析方案一、方案二,方案一技術(shù)可行、操作步驟相對簡單、風(fēng)險性較小、成本低,某南海氣田管網(wǎng)項目最終確定選用方案一。

4.2.2 方案一具體工程實施方法

吹掃介質(zhì)為干空氣,壓縮機每臺流量1 800 m3/h,6臺壓縮機流量共10 800 m3/h;試壓完成后,關(guān)閉水下三通處球閥,對DN600主管進行通球,初步排水;打開三通球閥,由樂東A平臺注入干氣1 h,將DN450支管的水排至DN600主管;繼續(xù)對DN450支管進行吹掃100 h,對DN450支管進行干燥;關(guān)閉三通球閥,DN600主管進行通球排水;打開三通球閥,對DN600主管及DN450支管充入氮氣[14-16],進行整體惰化。

4.2.3 技術(shù)要求

干燥吹掃實施作業(yè)完成后對照GB 50251《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》中的要求驗收干燥作業(yè)。

1)干燥后排出氣體水露點應(yīng)連續(xù)4 h比管道輸送條件下最低環(huán)境溫度至少低5 ℃、變化幅度不大于3 ℃為合格。

2)氮氣惰化后,需要保持內(nèi)壓大于0.12～0.15 MPa·a,保持密封。

4.2.4 應(yīng)用情況

為配合干燥作業(yè),按照工程實施方法現(xiàn)場配置6臺壓縮機,每臺流量為1 800 m3/h。為完成驗收檢驗,配置水露點分析儀。嚴(yán)格按照實施方法確定的作業(yè)工序和作業(yè)時間展開干燥作業(yè),驗收結(jié)果符合驗收標(biāo)準(zhǔn)要求,實施后未見腐蝕影響,也未發(fā)生次生問題。實施結(jié)果驗證了方案一可行。

5 結(jié)論

本文以異徑T型海底天然氣管道為研究對象,提出了此類管道的排水干燥方案,通過對比分析確定了優(yōu)選方案,并將制定的方案一工程實施方法成功應(yīng)用于某南海氣田管網(wǎng)項目。本文所提方案一的成功應(yīng)用具有重要意義,為后續(xù)異徑T型海底天然氣管道排水干燥方案制定提供了借鑒。