深水海底管线试压测漏新方法

梁 超

(海洋石油工程股份有限公司，天津300452)

0 引 言

油气资源对保证和加速国民经济发展战略意义不可忽视。面对我国南海丰富的油气资源，走向深水成为我国海洋石油发展的必然趋势，随着我国对深海领域石油开采力度的加大，尤其是最近几年对南海石油的勘探与开采，在南海海域铺设的海管量越来越多，且基本上都采用双层管(pipe-in-pipe)即管中管的结构，两层海管之间填充保温岩棉，以此来降低距离输送过程中油气温度下降的损失，保证油气在管道中的流动性，提高管线的使用寿命。

就渤海海域而言，由于水深较浅，表面海水的温度和海底的温度相差不大，所以完工海管在试压期间海管内的水温与海底的水体在短时间内基本上能够完成热交换，使管内和管外的水温能够达到一致。在不考虑其他因素的情况下，在 24h内海管中的压力基本能保持在允许范围之内。但南海海管的铺设水深基本上都在100m以上，并且铺设海管都为双层保温管，同时试压用的压力泵无法将海底的水提升至水面再注入海管中，南海海表水与海底水的温差较大，双层管的良好保温性会使海管内的水温与海底水温的热交换过程很慢，往往需要10d以上的时间，由此给整个项目带来很大的成本负担。

本文探讨一种快速的海管试压判定新方法，以此来节约施工工期，从而达到降低施工成本的目的。

1 试压方法介绍

1.1 试压原理与实施过程

由于海管内海水的体积是固定的，当确保海管无泄漏点的同时管内海水亦不存在温度流失的情况，用压力泵将海管内的压力增加到设计值时管内的压力将保持稳定，不会随时间变化。但当体积和温度发生变化后，海管中的压力也随之改变，如图 1、2所示。在海管试压过程中，P-V曲线图和 P-t曲线图是判定海管是否有漏点存在的重要判定依据。按照 DNVOS-F101规范要求，海管试压通过标准是:在 24h内，海管中的压力变化不超出试验压力的±0.2%，如有温度和其他因素影响压力变化，允许值为不超出试验压力的±0.4%。

如图 1所示，在理想状态下，当温度恒定时，管内的海水压力与海水体积成正比。

如图 2所示，理想状态下，当海管内的海水体积不变，由于温度的变化将造成压力随时间变化。

海管的试压过程可分为3步:

① 升压阶段:按照规范要求对海管进行加水打压，同时排出海管内的空气和绘制 P-V曲线图；②稳压阶段:即热交换阶段，检查并确保各个连接点的密闭性，同时对压力变化进行记录分析并绘制 P-t曲线图；③保压阶段:当海管内温度恒定后，保持海管试压压力 24h，观察记录管内压力的变化趋势，绘制最终的压力-时间曲线图，如图3所示。

1.2 试压测漏方法分析

如果海管出现泄漏，可视泄漏点为小管道，则此小管道中液体的流速、流量与压力的关系如下:

图3 保压阶段24h内的压力变化曲线Fig.3 Pressure holding in 24h

式中:C为管道的谢才系数，C＝R1/6/n；L为管道长度；P为管道两端的压力差；R为管道的水力半径，R＝d/4(d为内径)；n为管道内壁糙率；ρ为液体密度；g为重力加速度；A为管道的过流面积；γ为管道的摩阻。

则从海管中泄漏的海水体积V(试压时间为t):

假设海管在无海水泄漏时实际测量的压力P0= { P1, P2, P3, … Pn}，那么如果海管在试压过程中出现泄漏时泄漏出海管的压力为Pα，则:

海管中的实际压力P为:P = P0-Pα

假设α= CA(ρgγL )-1/2·k-1，t1=t2=…= tn=t，则

所以:

① 当泄漏点较大时(假设α＝10)，如图 4所示，在海管升压阶段实际压力曲线为非线性曲线，同时在升压中期的稳压过程中会出现压力下降的趋势(此阶段为稳压排气阶段，以此避免由于管内空气含量过多而影响最终的判断结果)，而且两段直线段的斜率明显不同。打压过程中在达到系统试验压力的95%之前，加压速率不得超过 0.1MPa/min，之后直至最终压力(工程中推荐不超过试验压力的 10%并保证保压压力达到强度试验的要求)加压速率不得超过 0.01MPa/min。当压力泄漏较为严重时，在后期的升压阶段，当升压速率低于漏压速率时，海管压力反而会出现下降趋势。

图4 在升压阶段当α＝10时的压力变化曲线Fig.4 The curve in pressure increasing phase with α＝10

此时，在升压阶段即可确定海管中出现了漏点，需要对海管以及试压管线进行进一步的排查。

② 当泄漏点较小时(假设α＝2)，如图 5所示，在海管升压过程中，无漏点时的升压过程和有漏点时的升压趋势基本相同无法区分。这意味着在短时间的海管升压过程中，当海管漏点很小时，无法用试压过程中的初始阶段的压力曲线来判断海管是否存在泄漏的情况。所以，此时需要对稳压阶段的压力曲线进行分析来判断是否存在漏点。

图5 在升压阶段当α＝2时的压力变化曲线Fig.5 The curve in pressure increasing phase with α＝2

如图 6所示，在海管未存在泄漏点时，30h内的海管的稳压过程中，由于海管内水温的变化(海管内水温高于海底水温，海管内外海水进行了热交换)而造成的压力以及每小时压差的变化。

如图7所示，当漏点较小时直接从现场数据中是无法判断海管是否存在漏点，所以此时需要从每小时的压差变化入手。当海管不存在泄漏时，在海管稳压阶段压力随时间下降是因为海管内的海水的温度在降低，当海管内的水温降至与海底水温一致时，压力停止下降。在不存在漏点的情况下由于压力变化仅受温度的影响，所以每小时的压差变化也与温度有关，而与压力的大小无关。

图6 30h内在稳压阶段压力和每小时压差的变化曲线Fig.6 Pressure and per hour pressure drop curve in hold-ing phase(30hours)

图7 稳压阶段无漏点与有小漏点时压力曲线对比图Fig.7 The pressure cure with small leakage and without leakage in holding phase

当海管中出现漏点时，稳压阶段海管内压力的变化除了受到温度变化的影响外，还受漏点漏压情况的影响。而泄漏点漏压的多少与海管内外的压差存在很大的关系。当对海管进行补压时，压差势必会有较大的波动，如图 8所示。当压差出现较大波动时，此时可以判定海管出现漏点，需要对海管以及管线连接点进行检查。

图8 海管漏压对压差的影响Fig.8 Pressure curve with leakage

③在稳压阶段，当根据压差数据依然无法确定海管是否有泄漏时，将有 2种可能:海管存在微小的泄漏；海管中不存在漏点。此时对管线连接点和海管的法兰连接处进行检查，如无泄漏即可确定海管有良好的密闭性，海管试压作业即可宣告结束。

2 试压方案总结

对于海管来说，发生泄漏的部位往往是在法兰连接处，一般情况下为了确保后期海管试压能够顺利进行，潜水员将会在法兰上缠绕塑料薄膜，以便泄漏发生后方便检测。所以在进行海管试压前需要确保以下 4点:①法兰安装严格按照方案实施，同时法兰安装完成后将塑料薄膜缠绕在法兰上；②确保试压设备以及与海管连接的管线和仪表的连接处无泄漏；③试压过程中确保海管中的空气含量在允许范围内，以免影响后期的数据分析；④在条件允许的情况下对海底海水进行实时监测(试压过程中海底水温突变往往也会影响试压数据)。

如果在条件允许的情况下，建议在海管注完水且等待一段时间后，再进行海管的试压作业，等待时间可以参考以下公式进行预测:

式中:Tt为停输t小时后管内介质温度(℃)；Te为管道外界的环境温度(℃)；Ts为开始停输时管内介质温度(℃)，即试压起始温度；D 为管道保温层外径(m)；do为钢管内径(m)；doi为各层管外径(m)；dii为各层管内径(m)；k为管道总传热系数[W/(m2·℃)]；t为停输时间(h)；Ci为钢材及保温材料的导热性能参数[J/(kg·℃)]；ρi为钢材及保温材料的密度(kg/m3)；Co为管内介质导热性能参数[J/(kg·℃)]；ρo为管内介质密度(kg/m3)。

在条件不允许的情况下，当满足以上 4点条件后，可以对海管进行试压作业，步骤如下:①对海管的升压过程进行数据采集分析，根据压力曲 线判定海管是否存在漏点；②如果升压阶段无法判断海管是否存在漏点，则需要在稳压阶段进行判定，根据实际情况稳压时间 1～2d不等，补压次数 1～2次，且确保每次补压后的最终压力与前一次的压力有较大的差值，便于后期数据分析，只要压差出现较大的波动，则可判定海管存在泄漏点；③如果稳压阶段也无法明显判断出海管是否存在泄漏，那么试压海管存在2种可能:存在微小的泄漏或者无泄漏；④在管线连接点以及法兰连接处进行检测，如无泄漏点发现，则海管无泄漏。

3 结 语

根据海管试压规范，海管试压工作往往耗时较长，一般都在 10d以上。如果现场有 DSV或其他船舶资源做支持船的情况下，同时再考虑南海恶劣海况对工期的影响，海管清管试压作业将会大幅提高项目成本。本文介绍的新海管试压测漏方法可以大大降低施工船天指数，将试压工期缩短至几天，对项目成本有良好的压缩效果。