陵水气田项目串油工艺的优化及应用

潜江伟，刘孔忠，刘新宇，陈林袁(中海石油(中国)有限公司海南分公司，海南 海口 570100)

0 引言

陵水某气田是我国第一座自营深水大气田，采用浮式生产平台方案。井口物流通过4 条立管登平台。段塞流捕集器分离出的液相3 级分离脱水、稳定后，合格凝析油进舱储存；分离出的水进入乙二醇再生及回收装置(MEG Reclamation Unit) 系统处理；3 级分离器分离出气的闪蒸气压缩机增压回收利用；整座浮式平台的心脏—主电站系统采用3 台功率为20 MW的燃气透平发电机。

本文针对陵水某气田上部设施相关的润滑油、柴油及液压油等管线的串油工作开展技术研究，分析、选取合适的串油设备及清洗工艺，清除管道内部的杂质与异物，保护其内壁不被氧化、锈蚀，使以上管路系统达到设备运行的条件。

1 影响串油的关键因素

管道在进行串油清洗时，由于自身黏度的存在，介质油在管道内部流动的过程中会受到摩擦阻力，为了克服这种阻力，油介质的机械能将受到一定程度的损失，这部分损失的能量最后会转变成热、声或震动等其他形式的能量，这必将对介质油的流动状态产生影响，从而进一步影响串油效果。另外，受管道几何形状、管道内部粗糙度、管道外部温度变化等因素影响，介质油的流速和流动损失将会有较大差别。以上会影响到串油单元橇额定流量及操作压力的计算及选型，因此有必要对流体流速、流体黏性、温度、压力等影响管线串油的关键因素进行研究、分析。

1.1 流动状态

十九世纪末，英国物理学家雷诺通过大量实验发现，液体存在两种性质完全不同的流态，即层流和紊流(或称湍流)。雷诺实验不仅揭示了液体的两种流态，而且也揭示了不同流态下流动损失的规律。大量的实验数据和相似理论证明，流动状态不仅仅取决于临界流速，而是由综合反映管路尺寸、流体物理属性、管内平均流速的组合量—雷诺数Re来决定的[1]。

对于管路串油清洗来讲，必须确保介质油液达到紊流状态，以使油液质点在管内剧烈运动混合并杂乱无章向前流动，从而充分冲洗带走管路内的各种杂质、异物，达到真正的清洗效果。

式中：ρ为流体密度；V为管内流体的平均流速；d为管道内径；μ为流体的动力黏度；v为流动的运动黏度。

由于陵水气田项目相关润滑油、柴油及液压油管道均采用光滑的金属材质管道，根据雷诺试验结果，管道临界雷诺数为2 000～2 320，但为保证串油效果，在实际串油时，通常选取Re≥3000。常见管路的临界雷诺数如表1 所示。

表1 常见管路的临界雷诺数

1.2 流体黏性

流体的黏性，即流体在外力作用下流动时，由于其分子不规则运动的动量交换和分子间的吸引力而产生内摩擦力或黏性阻力的性质。相邻两层流体作相对运动时所产生的内摩擦力的大小，与流体黏性的大小、流层接触面积的大小及流速沿法线的变化率(即速度梯度) 有关。

流体的动力黏度和运动黏度都难以直接测量，一般多用于理论分析和计算。

相对黏度是一种以被测液体的黏度相对于同温度下水的黏度之比值的黏度大小表示法。相对黏度按其测试方法的不同，有多种名称。我国在工程中习惯采用恩氏黏度，简称恩氏度，它是在某标定温度(如20 ℃) 下将 200 cm3的被测液体在自重作用下从恩氏黏度计中直径为2.8 mm 的小孔中流出的时间t与200 cm3的蒸馏水在 20℃时从同一恩氏黏度计中流出的时间t0之比[3]。

1.3 温度和压力

一般情况下，温度越高，管道内介质油的黏度就越小，雷诺数就越大，清洗效果则会越好。但对轻柴油来讲，由于其黏度并不高，所以没有必要通过升温来降低黏度，加之其闪点过低，升温易于蒸发点燃，不安全，故而在环境温度下进行冲洗即可。对于润滑油、液压油，则应通过升温来降低黏度，但油温不宜超过 60 ℃。

实验证明，当压力小于2 MPa 时，压力对黏度的影响很小。液体的黏度随压力的升高而增大，其原因是由于分子间的距离减小而吸引力增大所致。若压力变化不大(变化值在 5 MPa 以下)，液体的黏度变化甚微，可忽略不计。如果压力变化大于20 MPa，则液体黏度的变化就不容忽视了。

2 陵水气田项目串油工艺的优化与应用

陵水气田项目燃气透平发电机及闪蒸气压缩机等工艺设备相关的柴油、润滑油系统管路材质主要分为不锈钢和碳钢两部分，且绝大部分现场接口采用对焊的形式。在现场焊接过程中，管路内壁受高温影响，将不可避免的产生氧化层。同时，在现场切割、打磨、焊接过程中，大量的铁屑、焊渣、焊瘤等大颗粒物滞留于导管内部。另外，受温度及空气湿度的影响，裸露施工现场的碳钢管路内部锈蚀非常严重。

2.1 传统串油工艺简介

由于柴油、润滑油管道清洁度要求高，采用传统工艺进行串油时，前期一般为粗滤自循环方式(外接滤器+ 高分子滤纸形式) 过滤掉大颗粒及杂质，然后加装细滤滤网(5 μm 或3 μm精滤芯、1 μm 规格高压滤器) 形式进行串油。

影响传统串油工艺效果的因素主要有两方面：一方面，采用撬内循环泵进行串油，操作工装下介质油的流量及流速无法达到串油所需紊流状态，串洗周期长且不彻底；另一方面，受管路结构的复杂程度影响，在串油及串油后吹扫干燥过程中，极易留下死角，残留在管道内部的颗粒物或者水分，将导致油介质污染，影响最终串油结果。

2.2 陵水气田项目串油工艺比选

陵水气田项目柴油、润滑油管道的串油后清洁度要求为NAS 1638 CLASS 4，要求高且工期紧，采取传统的串油工艺显然不可行。为提升过滤效率，我们对传统串油工艺进行一系列的改进设计，相对于传统串油工艺，主要区别如下。

2.2.1 串油前的化学清洗

在现场切割、打磨、焊接过程中，生成或残留在管道内部的铁锈等颗粒物其主要成分包括：Fe、FeO、Fe2O3、Fe3O4，与酸发生反应后，能生产溶解于水的盐类。以酸洗液为盐酸为例，与铁的氧化物发生化学反应的方程式[4]如下所示：

目前，酸洗钝化已有非常成熟的工艺，通常采用3%～6%(与水体积比) 的硝酸液(酸洗液) 及1%(质量比) 的亚硝酸钠(钝化液)[5]对不锈钢管道进行酸洗钝化，经过循环酸、酸碱中和、钝化作业、清水冲洗等作业，不锈钢管道内部清洁度能达到NAS 1638 CLASS 12 甚至以上；碳钢管路为了尽量避免腐蚀管壁及管材附件，采用中性药剂(除锈剂和防锈剂) 对碳钢管路进行除锈防锈处理，尽可能去除管道内部的大颗粒物，在正式串油前获得较高的清洁等级。不锈钢和碳钢管道酸洗钝化及除锈防锈前后对比如图1 所示。

图1 不锈钢和碳钢管道酸洗钝化及除锈防锈前后对比

2.2.2 串油单元橇合理选型

管路串油清洗时，必须计算选用额定流量及公称压力均适合的串油单元橇，这样才能实现真正的串油清洗，否则即为不科学、不经济的串油清洗。

介质油在管路中流动必须具备一定的流速，使液体在管路中形成紊流状态，以使油液质点在管内壁剧烈运动混合并杂乱无章向前流动，从而充分冲洗并带走管路内的各种杂质、异物，达到较好的清洗效果。常规串油时，一般认为雷诺系数达到3 000，就认定为液体在管路内可以达到紊流的状态，根据对本项目所需串油流速的计算，最终确定雷诺数需达到4 000，管路串油才能达到最终效果。

根据流量计算公式求得，串油单元流量达到140 L/min，即可满足雷诺数要求。为了提高串油效率，我们选取了如下设备，保证流量，压力满足要求，增加脉冲控制，进一步提高串油清洗效果。

由于整个管网支路较多，若采用一台串油单元橇清洗所有管路，很难保证串洗效果，因此配置了三台串油单元橇分别对每台主机的供油及回油管路进行串油清洗，保证管道内介质油的流速及流量，提高效率。

设备选型参数如表2 所示。

表2 串油单元橇关键性能参数

实际串油过程中，串油单元能保证压强在1 MPa 左右，流量达到400 L/min 左右，完全保证了柴油在管路中实现紊流状态，串油效果极佳。

2.2.3 滤器设置

陵水气田项目润滑油及柴油管道在循环泵出口均已加装50 μm 滤器，接入串油单元橇后，为实现24 h 不间断作业，对串油工作进行了优化，在回串油单元橇油罐前增加一套外置精滤器及相关工装，减少更换及清理滤网的时间，串油工装示意如图2 所示。

图2 串油工装示意图

2.3 串油施工

(1) 准备好应急物资：吸油毡、除油剂、废油桶等。

(2) 串油区域设置警戒线，禁止动火作业。

(3) 检查管路、设备接口及单元的连接情况，是否存在滴漏。

(4) 加油并保持油罐内的油温在在55～65℃。

(5) 启动串油单元橇，介质油以最小雷诺数 4 000 通过管线，从而达到湍流状态。

(6) 串油开始时滤器采用 50 μm 规格的粗过滤纸。

(7) 检查/ 更换滤器的滤网，开始的2 h 内每1 h 检查一次，如果目测的滤网较脏或者滤网两侧的压力表压差超过0.05 MPa时，更换新滤网或清洗滤网，后每 2 h 检查一次。

(8) 如果滤网无明显污物，即换用 3 μm 规格的细滤纸继续串油。

(9) 在管路的最低点安装放泄阀，便于取样检测。

(10) 在管道串油达到规定的清洁度要求后，以最小流速3 m/s 继续清洗6 h。

(11) 做好串油废料物资的安全存放与处理。

2.4 取样检查

当前，一般采用目测法或颗粒计数法来检验管路串油清洗是否合格。对于使用轻柴油作为清洗油液的燃油管路来讲，通常采用目测法来检验；而对于清洁度要求高的润滑油管路来讲，则主要采用颗粒计数法来检验。

2.4.1 目测法检验法

采用在线目测法检验时，应在管路开始串油清洗后每隔15～30 min 检查一次过滤器滤芯，此后可随污染物的减少相应延长检查的间隔时间，直至连续过滤 1 h 而在过滤器内无肉眼可见的固体污染物，则串油清洗合格。

2.4.2 颗粒计数法

采用颗粒计数法[6]检验时，应在清洗管路的回油过滤器前适当距离处提取油样，使用自动颗粒计数器进行颗粒大小(粒度)的测定。根据3 次油样颗粒计数的测定结果取其中间测定值，参考NAS 1638 污染等级标准中的颗粒数，评估其对应的NAS 1638清洁度等级。

3 结语

本文重点分析研究了管路串油清洗工艺的实质和原理，并重点从清洗管路内介质油的流动状态、黏性、温度及压力四个方面阐述了影响串油周期和清洗效果的关键因素。

基于以上关键因素的分析和计算结果，在陵水气田项目中对传统串油工艺进行了优化及串油单元橇的比较选择，通过过程控制，最终提前15 天完成了串油清洗目标，陵水气田项目燃气透平发电机柴油管道串油清洗后清洁度达到NAS 1638 CLASS 4、串油清洗后润滑油清洁度达到NAS 1638 CLASS 6，比同类项目串油周期缩短了30%。

工艺管道的清洁度仍是保证系统安全、可靠运行的基础。随着科学技术的不断发展，串油清洗技术已广泛应用于航天航空、船舶、交通运输、海洋石油等各行各业且串油工艺得到不断改进，由于环境与周期不尽相同，需要根据项目实际情况进行合理计算、选择及过程控制。陵水项目串油工艺的优化及应用，相信可以为后续同类项目提供参考与借鉴，具有一定的现实意义。