沙漠地區(qū)長(zhǎng)輸管道試壓用水重復(fù)利用技術(shù)

駱振斌，田小飛，扶小軍，任 鵬，李 超

中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)有限公司，河南洛陽 471000

沙漠地區(qū)油氣長(zhǎng)輸管道社會(huì)依托差，尤其是水資源供給難度很大并且成本很高，如何科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)地制訂試壓方案至關(guān)重要。針對(duì)沙漠地區(qū)一條長(zhǎng)輸油氣管道工程，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)試壓取水困難的實(shí)際情況以及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，采用了分段試壓，利用專門設(shè)計(jì)的試壓頭，配合空壓機(jī)、水泵等輔助設(shè)備進(jìn)行試壓包之間的倒水，以達(dá)到試壓用水重復(fù)利用的目的。利用此技術(shù)只使用了該長(zhǎng)輸管道總?cè)莘e25.47%的用水量就順利完成了整條管道試壓。

1 工程概況

非洲某國(guó)撒哈拉沙漠腹地一條長(zhǎng)輸油氣管道總長(zhǎng)108 km，直徑16 in（1 in=25.4 mm），管道材質(zhì)API 5L X60，壁厚按地區(qū)等級(jí)不同分為14.3 、19.1 mm 兩種規(guī)格，中間設(shè)有5 座閥室。根據(jù)管道實(shí)際技術(shù)參數(shù)和相關(guān)規(guī)范要求，最終將其分為6段進(jìn)行試壓，從距離水源點(diǎn)最近的一段開始，每段完成后將試壓用水倒入下一段中重復(fù)利用。此方案不僅節(jié)約了試壓用水，且由于各段之間試壓工序銜接緊密，同時(shí)還節(jié)約了工期。

2 技術(shù)準(zhǔn)備

2.1 閥室內(nèi)工藝管道與長(zhǎng)輸管道連頭的處理

長(zhǎng)輸管道在閥室位置應(yīng)使用臨時(shí)管段同步完成通球、測(cè)徑、試壓及干燥工作。待閥組（即閥室工藝管道地上部分和地下部分）整體預(yù)制并完成試壓后，割除長(zhǎng)輸管道上的臨時(shí)管段，然后將整體預(yù)制的閥組與長(zhǎng)輸管道接頭[1]，連接時(shí)形成的兩道焊口按黃金口處理。

2.2 試壓包劃分

該工程試壓計(jì)劃工期短，試壓用水只能從管道始發(fā)端附近的水井取水。根據(jù)規(guī)范要求，每個(gè)試壓段長(zhǎng)度不應(yīng)超過35 km，應(yīng)根據(jù)試壓管段的縱斷面圖計(jì)算管道低點(diǎn)的靜水壓力，核算管道低點(diǎn)試壓時(shí)所承受的環(huán)向應(yīng)力，其值不應(yīng)大于管材最低屈服強(qiáng)度的90%[2]。此外，業(yè)主對(duì)每個(gè)試壓管段以及整條長(zhǎng)輸管道的黃金口數(shù)量都有規(guī)定。依據(jù)上述條件進(jìn)行試壓分段，共分為6 個(gè)試壓管段即1#～6#試壓包，具體分段情況見表1。

2.3 重復(fù)用水工藝設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)專門的試壓頭，既能滿足長(zhǎng)輸管道常規(guī)試壓的要求，又能滿足試壓包之間試壓用水倒水之需。

試壓工作從1#試壓包至6#試壓包依次逐一進(jìn)行，試壓用水量約等于長(zhǎng)度最長(zhǎng)的4#試壓包所需的用水量，試壓用水重復(fù)使用。

1#試壓包：從水源處取水直至充滿整個(gè)試壓包。

2#試壓包：將1#試壓包內(nèi)的水轉(zhuǎn)移至2#試壓包，不足部分用1#試壓包作為“中轉(zhuǎn)站”，由水源處取水經(jīng)1#試壓包補(bǔ)充。補(bǔ)水量應(yīng)為4#試壓包的需水量減去1#試壓包容積，補(bǔ)充后將其儲(chǔ)存在1#試壓包內(nèi)。

3#試壓包：將2#試壓包的水轉(zhuǎn)移至3#試壓包，不足部分由1#試壓包儲(chǔ)存的水經(jīng)2#試壓包進(jìn)行補(bǔ)充。需注意的是，應(yīng)將1#試壓包所有的儲(chǔ)存水全部轉(zhuǎn)移至2#試壓包，以便為1#試壓包后續(xù)工序創(chuàng)造條件。

4#試壓包：將試壓系統(tǒng)內(nèi)所有的水全部轉(zhuǎn)入4#試壓包。

5#試壓包：將4#試壓包內(nèi)的試壓用水轉(zhuǎn)移至5#試壓包，多余水量直接排入位于5#試壓包末端的蒸發(fā)塘（為了滿足環(huán)保要求而為本次試壓專門修建的設(shè)施）。

6#試壓包：將5#試壓包內(nèi)的試壓用水轉(zhuǎn)移至6#試壓包，多余水量排入5#試壓包末端的蒸發(fā)塘。在6#試壓包試壓結(jié)束后，從終端反向推水，將6#試壓包內(nèi)的水全部排入蒸發(fā)塘。

3 施工準(zhǔn)備

3.1 試壓用水準(zhǔn)備

從水源處敷設(shè)一條引水管道至上水點(diǎn)，引水管道的規(guī)格尺寸應(yīng)根據(jù)水源井產(chǎn)水速度以及上水泵的性能參數(shù)確定。上水點(diǎn)處應(yīng)設(shè)置臨時(shí)的儲(chǔ)水罐作沉淀、緩沖之用，同時(shí)供上水泵和升壓泵取水。儲(chǔ)水罐的容積應(yīng)根據(jù)單位時(shí)間的用水量和補(bǔ)水量差值確定，以保證供水不斷。

3.2 化學(xué)添加劑的注入

根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，為保證管道試壓期間免受腐蝕，應(yīng)在試壓用水中注入化學(xué)添加劑以起到緩蝕作用[3]。添加劑的運(yùn)輸、保存等工作必須按照產(chǎn)品說明書進(jìn)行，其用量需根據(jù)管道試壓用水量計(jì)算確定。

3.3 制作試壓頭

制作4 套試壓頭以滿足2 個(gè)試壓段同時(shí)為充水狀態(tài)時(shí)使用。如圖1 所示，試壓頭設(shè)置有4 個(gè)進(jìn)水口和1個(gè)排氣口。

圖1 試壓頭制作示意

1#進(jìn)水口：在清管器1 前向管道內(nèi)充入一定量的水，起背壓作用，用于控制清管器速度。

2#進(jìn)水口：在清管器1 后向管道內(nèi)充入一定量的水，推動(dòng)清管器1 前行，且可以排出管內(nèi)空氣。

3#進(jìn)水口：在清管器2后向管道內(nèi)充入一定量的水，推動(dòng)清管器2前行，且可以深度排出管內(nèi)空氣。

4#進(jìn)水口：用于試壓完成后向清管器3 后充入壓縮空氣推動(dòng)清管器3前行，以此推動(dòng)試壓用水向末端移動(dòng)，最終排出試壓用水。

5#排氣口：充水端的5#排氣口閥門關(guān)閉，另一端的5#排氣口閥門在試壓上水時(shí)打開，用于排出管內(nèi)空氣，直至排氣結(jié)束后關(guān)閉該閥。

6#倒水出口：在每個(gè)試壓包的尾端，利用此接口連接倒水管道進(jìn)行試壓包之間水的轉(zhuǎn)移。

3.4 上水系統(tǒng)的建立

試壓時(shí)，首端試壓頭與末端試壓頭對(duì)稱布置。將試壓頭與擬試壓管段（試壓包）進(jìn)行連接，如采用焊接連接，焊道應(yīng)進(jìn)行100%射線檢測(cè)。試壓上水系統(tǒng)如圖2 所示，依次連接儲(chǔ)水罐、上水泵、流量計(jì)和試壓頭，并將試壓用的壓力天平、壓力表、溫度壓力記錄儀、直讀溫度計(jì)等測(cè)量?jī)x表連接到上水側(cè)的試壓頭。流量計(jì)安裝在上水泵后，同時(shí)應(yīng)安裝止回閥。沙漠地區(qū)風(fēng)沙頻繁，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)設(shè)置臨時(shí)工作間用于試壓，在臨時(shí)工作間內(nèi)進(jìn)行儀表讀數(shù)和記錄。

圖2 試壓上水系統(tǒng)示意

4 注水

1）注水前，將3 只清管器（雙向直板）放入試壓頭內(nèi)，其目的是保證試壓管段內(nèi)的空氣被排盡[4]。

2）在第1個(gè)清管器前注入150 m管道容積的水量或試壓管道容積4%的水，取二者之中較大者。

3）在第1 個(gè)清管器后面注入200 m 管道容積的水量，推動(dòng)第1個(gè)清管器前進(jìn)200 m。

4）在第2個(gè)清管器后持續(xù)注入含添加劑的水，直到第2個(gè)清管器到達(dá)收球端。

5）注水時(shí)清管器的行走速度保持在0.5～1.5 m/s。注水時(shí)控制收球端試壓頭上的閥門開度便可形成背壓以控制速度[5]。

6）渦輪流量計(jì)用于記錄瞬時(shí)和累積的流量，監(jiān)控清管器的運(yùn)行速度和位置，準(zhǔn)確記錄上水開始時(shí)間，并每小時(shí)記錄1 次流量數(shù)據(jù)和壓力數(shù)值。根據(jù)運(yùn)行速度計(jì)算清管器的到達(dá)時(shí)間，當(dāng)?shù)?只清管器確認(rèn)到達(dá)后，需繼續(xù)注水一段時(shí)間，直至收球端排出干凈的水。

5 試壓流程

因本文所述的長(zhǎng)輸管道是海外工程，其試壓執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和具體要求與國(guó)內(nèi)大不相同，在此以1#試壓包為例進(jìn)行介紹。

5.1 試壓流程

根據(jù)圖3所示的曲線進(jìn)行緩慢升壓。當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)壓力的30%時(shí)穩(wěn)壓15 min，檢查所有的連接部位，看是否有漏水；如無漏水現(xiàn)象，繼續(xù)升壓至試驗(yàn)壓力的60%，穩(wěn)壓15 min，檢查漏水情況和系統(tǒng)的完整性；如無異常，繼續(xù)升壓至試驗(yàn)壓力的90%，停止升壓，穩(wěn)壓48 h進(jìn)入溫度穩(wěn)定期間；溫度穩(wěn)定期間空氣含量檢測(cè)合格后，繼續(xù)升壓至試驗(yàn)壓力的100%，保壓24 h；經(jīng)檢查判定強(qiáng)度和嚴(yán)密性試驗(yàn)合格后開始泄壓。應(yīng)注意從升壓開始時(shí)起，每隔3 min 從壓力天平讀取并記錄壓力值，同時(shí)記錄試壓介質(zhì)和環(huán)境的溫度值。

圖3 長(zhǎng)輸管道試壓曲線

5.2 溫度測(cè)量

溫度測(cè)量點(diǎn)的位置為試壓管段起點(diǎn)、終點(diǎn)以及中間測(cè)量點(diǎn)（每隔5 km 設(shè)置1 個(gè)測(cè)量點(diǎn)）。測(cè)量溫度為各點(diǎn)的管道溫度及近管道周圍土壤的溫度，每2 h 記錄一次溫度，合格標(biāo)準(zhǔn)為土壤與管道溫度差值連續(xù)兩次小于0.5 ℃。

5.3 空氣含量計(jì)算

從試壓系統(tǒng)中放出一定量的試壓介質(zhì)，使得管道內(nèi)的壓力下降約0.5 bar（1 bar=0.1 MPa），同時(shí)測(cè)量放出介質(zhì)的體積V0。

管道中氣體含量合格的判定標(biāo)準(zhǔn)為：

?P1/?P0≥90%

式中：?P1為由于放出了V0體積的試壓介質(zhì)造成的實(shí)際壓力降，通過壓力天平讀取，bar；?P0為由于放出了V0體積的試壓介質(zhì)造成的理論壓力降，bar。

式中：V0為放出的試壓介質(zhì)的體積，L；Vt為整個(gè)試壓管段的容積，m3；X為水的壓縮系數(shù)；e為管道的壁厚，mm；D為管道的外徑，mm；E為管道鋼材的楊氏模量。

如試壓管段中有不同的壁厚，D/（Ee）的值和管道容積均將按照管道壁厚進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。

如果上述計(jì)算出的氣體含量不達(dá)標(biāo)，需繼續(xù)排氣，然后重新檢測(cè)空氣含量直至達(dá)標(biāo)。

5.4 強(qiáng)度和嚴(yán)密性試驗(yàn)

空氣含量檢測(cè)合格后，將壓力升至試驗(yàn)壓力，記錄升壓過程中的充水量，之后開始保壓。保壓的前2 h 為強(qiáng)度試驗(yàn)，其合格標(biāo)準(zhǔn)為無泄漏、無壓力降；之后的保壓是嚴(yán)密性試驗(yàn)，應(yīng)不少于24 h。期間，壓力應(yīng)保持在試驗(yàn)壓力。如受溫度影響，當(dāng)管道內(nèi)壓力低于試驗(yàn)壓力且不超過4 bar 時(shí)，可向管道內(nèi)補(bǔ)水，恢復(fù)其壓力，但補(bǔ)水體積必須準(zhǔn)確計(jì)量；反之，如管道內(nèi)的壓力升高，壓力不得超過管道廠家出廠時(shí)的試驗(yàn)壓力，在壓力超過試驗(yàn)壓力4 bar 之前，應(yīng)當(dāng)從管道內(nèi)放出一些水使壓力維持在試驗(yàn)壓力，但放水量必須準(zhǔn)確計(jì)量。保壓期間，時(shí)間、壓力表讀數(shù)、溫度、增減的水量都應(yīng)記錄清楚，應(yīng)有壓力記錄儀以打印壓力曲線。

保壓結(jié)束時(shí)，如壓力未變動(dòng)則判定為試壓合格。如果由于溫度影響造成了壓力變動(dòng)，當(dāng)Pfo滿足以下條件時(shí)，也判定為合格。

式中：Pfo為最終壓力讀數(shù)，bar；Pfth為理論最終壓力值，bar。

式中：P0為初始?jí)毫ψx數(shù)，bar；?PC為根據(jù)地下溫度變化以及試壓水體積的變化作出的壓力修正值，bar。

式中：B為試壓結(jié)束時(shí)的溫度和壓力下，水和管道金屬的膨脹系數(shù)差值，10?6/℃；?T為溫度變化，℃；?V為試壓期間，添加或者放出試壓介質(zhì)的體積，L；Vt為試壓管道總?cè)莘e，m3；X為水的壓縮系數(shù)，bar?1。

式中：(r/e)moy為管道內(nèi)徑與壁厚之比的修正系數(shù)，n為不同壁厚的管道的數(shù)量；rn為各管道內(nèi)壁的直徑，mm；en為各管道壁厚，mm。

5.5 卸壓

試壓合格后以一定速率降壓。首先慢慢打開排氣閥，以不超過0.1 MPa/min 的速度連續(xù)降壓到試驗(yàn)壓力的40%，然后繼續(xù)以不超過0.2 MPa/min的速度連續(xù)降壓，直到管道內(nèi)靜水壓力為0.1 MPa時(shí)結(jié)束。

6 試壓補(bǔ)水和倒水

6.1 補(bǔ)水

因4#試壓包的試壓用水量是所有6 個(gè)試壓包中最多的，因而在重復(fù)利用1#試壓包用水的基礎(chǔ)上還需從水源處補(bǔ)水，通過計(jì)算理論補(bǔ)充量為840 m3，考慮多個(gè)試壓包之間的倒水不可避免的損耗，按3%的裕量補(bǔ)充水源，即865 m3[6]。

為避免長(zhǎng)時(shí)間占用已試壓完成的管道作為補(bǔ)充水源的中轉(zhuǎn)管道，影響后續(xù)的掃水及干燥工作，最佳的解決方案是在2#試壓包試壓時(shí)，按4#試壓包的用水缺口一次性補(bǔ)夠，并將2#試壓包無法容納的部分儲(chǔ)存在1#試壓包內(nèi)。補(bǔ)水作業(yè)時(shí)，將1#試壓包的末端試壓頭與2#試壓包的首端試壓頭用臨時(shí)管道進(jìn)行連通，儲(chǔ)水罐和上水泵仍設(shè)置在1#試壓包的首端，用上水泵加壓補(bǔ)水，將補(bǔ)充的水直接注入2#試壓包。

6.2 倒水

以1#試壓包向2#試壓包倒水為例。在1#試壓包的首端設(shè)置空壓機(jī)，在1#與2#試壓包的連通線上設(shè)置儲(chǔ)水罐和上水泵。利用空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣推動(dòng)預(yù)先放置在1#試壓包首端試壓頭內(nèi)的清管球前行，清管球再推動(dòng)1#試壓包內(nèi)的水通過連通線往2#試壓包轉(zhuǎn)移，直至2#試壓包排完氣、充滿水。如圖4所示。

圖4 試壓包倒水示意

7 實(shí)際效果

試壓工作完成后對(duì)試壓效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1）試壓期間，安全和質(zhì)量受控。

2）通過特制試壓頭倒水實(shí)現(xiàn)了試壓用水的重復(fù)利用，節(jié)水效果良好。通過計(jì)量和測(cè)算，管道總?cè)莘e12 114 m3，實(shí)際試壓用水量為3 085m3，即試壓用水量?jī)H為該長(zhǎng)輸管道總?cè)莘e的25.47%。

3）試壓包之間工序銜接緊密，最終按計(jì)劃工期按時(shí)完成試壓工作。

4）避免了多個(gè)試壓包同時(shí)試壓而需要大量試壓設(shè)施和罐車運(yùn)水工作，該技術(shù)用最少的設(shè)施完成了試壓工作，經(jīng)濟(jì)效果良好。

8 結(jié)束語

本次試壓工作成功解決了沙漠地區(qū)長(zhǎng)輸管道試壓缺水的問題，利用特制試壓頭實(shí)現(xiàn)了試壓包之間的倒水，這是其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。此外還取得了安全、質(zhì)量、工期及成本各方面的良好效果，對(duì)今后類似工程有一定的借鑒意義。