海管水下排水干燥及氮气置换技术

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(深圳海油工程水下技术有限公司， 广东 深圳 518067)

海管水下排水干燥及氮气置换技术

魏行超,张捷,高原,高超,崔宁

(深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳518067)

对南海某气田海管受损后的损坏部分进行局部修复，使用2个阀组和1段海管对损坏部分进行更换。通过前期不断优化工程设计，确定使用饱和潜水支持船携带排水干燥惰化设备，通过下水软管将空压机等设备与海管进行水下连接的方式进行海管的排水干燥及惰化作业。对施工接口进行选择，推算排水干燥时介质注入的压力和流量。结果表明：将排水干燥惰化设备布置在支持船甲板上，使用下水软管将施工设备与海管进行连接的方式可以用于两端或者一端在水下的海管，并且施工参数在设置准确的基础上，可高效地完成海上施工。

水下排水；干燥；压力损失；干燥时间

0 引 言

海底管道排水干燥惰化作业通常以管道两侧终端系统的永久收发球装置为界限进行，其施工设备及人员均在终端平台或场地，国内已经多次成功完成此类海底管道排水干燥惰化项目,具有丰富的工程设计和施工经验。在该项目中，根据业主及项目整体施工方案的要求，须对一段两端均在水下的管道进行排水干燥惰化作业，与以往常规的项目有较大区别，施工过程受水深及环境的影响较大，作业难度较高。为保证海上施工顺利进行，项目组人员在结合项目整体施工方案的基础上制定详细的海管水下排水干燥惰化施工方案，并加以总结，为今后类似项目提供参考。

1 项目背景及主要技术参数

该项目位于中国南海海域，水深约100 m，在施工过程中最后安装的一段管道通过法兰分别连接南北两侧的2个水下阀组。在管道安装时，阀组上的阀门保持关闭状态，以避免海水进入管道。但是最后安装的一段管道由于技术手段的限制，无法避免海水进入。但是，天然气管道中的液态水和水蒸气是形成天然气水合物的必要条件，会造成管道内部腐蚀[1]。为保证管道的安全运营及输气的质量满足用户要求，在安装完成后必须对该段海管进行排水、干燥及惰化作业。海管主要技术参数见表1。水下海管及阀组布置如图1所示。

表1 海管主要技术参数

图1 水下海管及阀组布置图

2 施工方案设计

2.1 主要难点及风险

本项目海底管道排水干燥惰化的难点及风险主要有：(1)海管两端不能安装收发球装置，无法进行通球排水；(2)排水效率低，干燥耗时较长，难以保证工期；(3)下水软管承受外压的能力小，须持续控制内外部压力；(4)干燥验收受大气环境影响较大；(5)潜水员水下作业等其他限制。

2.2 总体施工方案

天然气长输管道干燥常用的方法有：干空气干燥法、化学干燥法和真空干燥法。考虑到该项目无法进行通球排水，化学干燥剂直接与海水混合进行排水效率太低且经济性差，同时水下软管无法同时承受真空压力及外界海水压力，项目组决定使用干燥的氮气吹扫进行排水干燥惰化作业[2]。

在水下阀组的设计阶段，项目组要求在两侧阀组上均设置2英寸支管和阀门，海管排水干燥惰化作业将通过阀组上的支管进行：图2为经过简化的施工示意图，其中排水阶段只连接注气软管。首先，将1根水下软管下放至水下并连接至1#阀组的2英寸支管，作为注气软管；然后，甲板通过该注气软管向水下海管内注入氮气，将海管内的海水从2#阀组的2英寸支管排出；当排完海管内的海水后，再下放另一根水下软管，连接至2#阀组的2英寸支管，作为排气软管；继续从注气软管向海管内注入干燥氮气，对海管进行干燥及惰化。

图2 海管排水干燥惰化作业施工示意图

总体施工方案施工步骤较为简单，但是在实际施工设计的过程中仍需仔细确定施工细节，才能保证海上施工的高效及顺利进行。

2.3 接口选择

为使海底管道内海水完全排出，应从高点注气、低点排水。在水下阀组的设计阶段考虑排水干燥的要求，在每个阀组侧均设置竖直向上的2英寸支管以及垂直向下的2英寸支管，选择竖直向上的支管为注气接口，垂直向下的为排水口；两阀组水下安装完成后由于海床高度不同会有一定的高度差，通过调查后确定较高一侧为注气接口，另一侧为排水接口。

2.4 施工参数确定

施工过程根据下水软管的连接方式可分为2个阶段：排水阶段和干燥惰化阶段。排水阶段水下只连接1根注气软管，排水口设置在水下。排水阶段主要考虑的参数包括：(1)排水口的压力应高于外界水压；(2)注气软管外界压力应低于管内压力；(3)注气流量。干燥惰化阶段水下需连接2根软管，一根用于注气，一根用于排气，将海管内的湿气和纯度较低的氮气排放到施工船甲板，便于监控测量。该阶段主要考虑的参数包括：(1)注气软管外界压力应低于管内压力；(2)排气软管内部压力应高于管外海水压力；(3)注气流量；(4)施工耗时。

可以看出，在整个施工过程中下水软管的压力都是十分关键的参数。施工中常用的软管通常都能承受较高的内压，在软管制造的标准中也有规定爆破压力(内压)的要求，但如果管外压力大于管内压力时，软管极易受压变形，甚至破裂，一旦在施工过程中软管破裂，海水将有可能通过软管进入海管，导致排水干燥无法进行。

排水阶段排水口内的压力大于外界水压，注气软管压力低于软管的设计压力即可，而两侧阀组高低差别不大时，只需保证注气软管的进气压力稍大于排水口的外界水压10 bar。因此在施工设计阶段主要考虑干燥惰化阶段的相关参数。

(1) 确定排气软管的出口压力。在水深100 m处，海水对软管的外压约为10 bar，根据施工经验保持软管内部压力为6～8 bar，可保证软管不会被损坏。由于软管内气体流动的沿程损失，排气软管压力最低处为施工船甲板出口处，为确保施工安全，综合考虑选择此处压力为10 bar。

(2) 确定注气流量。由经验公式可知注气流量为

式中：t为干燥完海管内所有的水需要的时间；w为海管内剩余水的质量，可根据海管内剩余水膜厚度进行估算，该项目按照水膜厚度1 mm进行估算；R为通用气体常数，取8 314.4 J/(kmol·K)；T为系统温度；C为干燥氮气的体积流量；M为水分子摩尔质量，18 kg/(kmol·K)；Pv为系统温度下的饱和水蒸气压力；Pg为干燥氮气中的水蒸气压力；Pi为注入的干燥氮气压力。

由式(1)可以看出：在注气压力一定时，注入干燥氮气的流量越大，干燥耗时越短。因此，为了节省船舶施工工期，可以选用设备能达到的最大流量。本项目氮气设备最大流量为1 200 Nm3/h。

(3) 确定注气软管的入口压力。在施工设计阶段，估算注气软管入口压力主要考虑：软管内流动时主要考虑沿程损失和海管内流动时主要考虑接头及管件处的压力损失。一般气体管道，当管道长度L>60 m时，按等温流动公式计算。

输入工况为：入口氮气流量为1 200 Nm3/h，温度为25℃，排气软管出口压力P1为10 bar。氮气在排气软管内流动时的压力损失估算公式为

式中：ΔP1为软管摩擦压力降；λ为软管摩擦系数，可根据与雷诺数Re及管壁相对粗糙度ε/d的关系图(莫迪图)查出，计算得Re=47 500，ε/d=0.000 6，查出λ取0.023；L为软管长度；W为氮气质量流量，计算得W=1 368 kg/h；d为软管内径；ρm为软管内氮气的平均密度，施工估算时可以使用排气软管出口处密度。

氮气在海管内流动时的压力损失估算公式为

式中：ΔP2为海管内压力降，通常计算值较小；Kf为管件处压力损失系数，可根据计算手册图查出，90°弯管处的压力损失系数取0.2，注气软管与海管连接处取1.0，排气软管与海管连接处取0.4；ρ为氮气密度；v为海管内氮气的流速。

在计算过程中密度ρ、速度v等应取平均值进行计算，然而计算平均值时由于管道另一端的数据是未知的，此时对于较长距离、压力损失较大的管道，可先用已知一端的数据进行估算，然后进行调整，反复核算。

(4) 干燥时间计算。由于该段管道没有通球，其内部可能还存在较多的水，干燥时间可能较长，对干燥时间进行预估有利于安排调整施工计划。干燥时间可根据以上经验公式(1)进行估算。同时为便于估算管内剩余水量，可以按照传统干燥时的管内壁残留水膜厚度作为估算依据。最终根据估算过程以及输入工况确定施工主要参数，见表2。

表2 施工参数核算表

3 与实际施工情况的对比

海上施工时，首先根据潜水员调查数据，确定两侧阀组完成安装后的相对高度差，选择相对较高的北侧阀组为注气端。连接注气软管，持续充入氮气，将海管内海水从南侧阀组排出。为使海水充分排出，当南侧阀组2英寸排水口持续排出气泡后，潜水员关闭2英寸排水口阀门，注气软管持续向海管内注入压缩氮气，当压力升高至15 bar左右时，潜水员迅速打开2英寸排水口阀门，可通过高压气体将海管内剩余水分带出，重复该步骤几次，可认为完成排水。图3为海上施工时水下排水的情况，图3a)为从管内排出的海水，图3b)可以看到有大量气泡排出。

图3 水下排水

干燥惰化阶段，使用施工设计计算的结果，保持氮气入口压力为13 bar，流量为1 200 Nm3/h，持续向海管内充入干燥氮气进行干燥。最初阶段可明显观察到甲板排气口内仍有水分被高压气体带出，这一阶段排出的主要是排气软管内壁剩余的水分。由于排气软管在安装时为避免软管受水压导致损坏，两段均为打开状态，保持内外压力平衡。排气软管与阀组支管连接后，从排气软管顶部注气，将海水从单独设置的另一个排水口排出。但在实际操作过程中难以避免该排气软管存在低点，导致管内海水无法完全排出，并且其内壁也会残留部分海水。如果想要避免这种情况，可以在排气软管下端安装阀门进行密封，并对软管内充入一定压力的气体，避免软管内部压力小于外界水压，但需要充分考虑人员操作的安全。

当排气软管甲板接口不再排出水雾时，进入干燥阶段。测量得排气口压力约为9.5 bar，干燥至露点-5℃耗时为9.5 h(不计算密封静置试验的时间)，这2个参数均与计算值有一定偏差，其中实际压力与计算压力的偏差原因主要有：(1)计算公式为经验公式，允许有一定的偏差；(2)在施工设计阶段计算压力损失时没有精确到计算所有软管及海管附件，存在较小的偏差。实际干燥时间与计算值的偏差的原因主要有：(1)计算公式为经验公式；(2)完成排水后海管内壁残留水分的估算存在偏差，在以往工程案例中有较多关于通球排水后管道内残留水分估算的参考，但是对于不通球排水的管道内残留水分含量则没有相关经验可以借鉴。本项目施工设计阶段管道内残留水分的计算是基于前期陆地试验情况的，但仍无法保证海上施工与陆地试验的情况完全相同。

4 结 论

对于终端在水下的海管，其排水干燥惰化可借助于支持船完成，施工参数的计算也可以使用经验公式估算。由于水下软管抗外压能力的限制，真空干燥不适用于使用水下软管的施工作业。对于无法通球的管道，需要在前期设计阶段考虑管道排水干燥的施工需求。

[1] 倪超，马洪新，唱永磊, 等. 荔湾3-1气田输气管道排水干燥工艺设计与应用[J]. 中国海上油气，2015, 27(01): 107-110.

[2] 曹学文, 林宗虎, 陈振瑜, 等. 东方1-1海底输气管道排水与干燥工艺技术[J]. 天然气工业, 2004, 24(05): 120-122.

[3] MACLENNAN H, MCGILLIVRAY B. Halliburton Calculations Reference Manual [M]. 2004.

[4] 刘静芳, 曾庆祥, 赵敏, 等. HGT-20570.7 管道压力降计算规范[J]. 1995.

[5] 刘炀. 天然气长输管道常用干燥方法比选 [J]. 清洗世界, 2006(10): 36-38.

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

中国海洋石油总公司科技项目“深水海管应急维修关键技术与装备研究”

魏行超(1979-)，男，工程师

TE832

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