特殊地貌长输管道试压方案的确定及实施

特殊地貌长输管道试压方案的确定及实施作者 李阵营 肖新茂 刘华 前言 三塘湖油田原油外输管道工程起始于三塘湖油田牛圈湖联合站 首站 沿戈壁滩向南分别翻越北天山 南天山 向西南通过火石泉戈壁滩 最后进入哈密四堡泵站 末站 全线敷设在哈密地区两县一市内 先后穿越戈壁 草地 林区 葡萄园 田地 沼泽湿地和南 北天山 全线海拔落差较大 最高海拔2767m 最低海拔688m 高差2079m 地形复杂 沿途多为干旱缺水地区 这就为管线敷设 清管 试压 吹扫工作增加了难度 三塘湖油田原油外输管道纵断面示意图附图1 自然条件对管线试压造成的不利因素如下 1 地势高差大 造成试压段较多 试压工作量 试压周期 安全风险相应增大 2 地形复杂 多为干旱缺水地区 且地势高差大 因而试压介质水的提取和运输会增大试压工作量 增加工程投资 解决方法 1 选择合理的试压介质 从而确定试压方案 2 进行理论计算 在理论允许的范围内合理划分试压段 3 明确试压程序 目录 一 试压介质的选择二 合理划分试压段三 试压程序四 组织试压 验证试压结果 一 试压介质的选择 试压方法的选择主要取决于试压介质的确定 根据三塘湖油田原油外输管道工程敷设区域的实际情况 在满足规范规定和设计要求 以及保证安全运行的条件下 以最小的成本 取得最大的效益 油气长输管道工程施工及验收规范 GB50369 2006第14 1 6规定 试压介质的选用应符合下列规定 输油管道试压介质应采用水 在人烟稀少 寒冷 严重缺水地区 可酌情采用气体作为试压介质 但管材必须满足止裂要求 试压时必须采取防爆安全措施 一 试压介质的选择 1 用水作为试压介质 1 方法一 利用沿途条件 就地取水 三塘湖油田原油外输管道沿途均为严重缺水地区 除南天山内C016至南山口段可利用山区地表溶化雪水外 其它地区均无可用之水 同时地方部门不允许就地大量取水 不利因素一 要有高扬程 大排量的注水设备 以克服山区管线绝对高程造成的水头损耗 并且要有大功率的动力设备 不利因素二 试压工期长 不能按规定时间完成试压工作 2 方法二 用车拉水 按设计理论长度196km计算 平均每公里需用水52t 加上15 的损耗和35 的降效拉运 实际每公里需用水约78t 由于沿途无大型车道 山坡陡峭 存在安全风险和水源供给困难 造成试压成本加倍增加 经估算 平均每公里运水 购水的费用将超过试压总费用 3 采用水压试验的有利因素 A 受外界因素影响小 B 试压过程安全 2 用气体作为试压介质 1 不利因素一 因对控压机要求条件高 数量多 长时间下试压设备不能保证 设计要求该管道平均强度压力为10 625MPa 在标准条件下每公里管道用气量约为5600m3 如用井下作业使用的T 815 S 10 250型空气压缩机 排气量为10m3 min 每公里管道试压需连续运行至少9小时 如此计算全部管道试压完成需该型号空压机连续运行至少1764小时 74天 加上损耗 设备维修等因素 完成全部管道试压工作十分艰巨 2 不利因素二 不安全 高压管道采用气压试验 最根本的问题是安全防护工作 按规范规定 试压区域内严禁有非试压人员 试压巡检人员亦应与管线保持6m以上距离 距试压设备和试压管线50m内为试压区域 由于管线沿途多为牧场 在试压期间对每一段试压区域进行封闭是不现实的 并且地方政府也不允许长时间 大区域进行管制 3 采用气压试验的有利因素 A 试压过程简单 试压和吹扫可同时进行 B 管道不需清扫 一 试压介质的选择 3 两种试压介质的比较 1 设备问题 如能解决高扬程 400m 注水设备和大功率动力设备 300KW 充分利用南天山内水源 可满足管线试压用水 同时可有效降低工程成本和运水带来的不安全风险 该设备为非特种设备 用气体作为试压介质 高排量 高压力的空压机属特种设备 在短期内很难解决 2 安全问题 水压试验安全风险相对较小 气压试验安全风险较大 3 工期问题 管线内注水集中在一处进行 而且各试压段在未上水的情况下不能同时进行 试压时间延长 采用气体作为试压介质 尽管可将试压与吹扫同时进行 但增压慢 试压时间相对较长 4 试压成本问题 水压试验如能解决设备问题 将按设计概算满足试压所需费用 而用气体作为试压介质 由于特种设备 空压机 运行时间长 费用较高 试压成本将超出设计概算 5 环境问题 水压试验对环境影响相对较小 气压试验对环境影响较大 6 规范标准的执行问题 规范要求 输油管道试压介质应采用水 因此选用水作为试压介质 相对于气体作为试压介质更符合规范要求 一 试压介质的选择 4 确定试压介质经过上述分析 三塘湖油田原油外输管道工程管线试压应优先选用水作为试压介质 但必须解决注水设备和水源问题 经过施工单位的多方联系解决了满足管线试压注水设备 而且根据沿线水源特点 采取集中上水方式 充分利用特殊的地理条件 统一从C020处上水 C020往南采用自流式直接上水 C020往北用注入泵注水 结合地势高差试压后的水自流充满下一试压段 一 试压介质的选择 油气长输管道工程施工及验收规范 GB50369 2006第14 3 1规定 水压试验应符合现行国家标准 液体石油管道压力试验 GB T16805的有关规定 同时对管线分段规定 分段水压试验的管段长度不宜超过35km 试压管段的高差不宜超过30m 当管段超过30m时 应根据该段纵断面图 计算管道低点的静水压力 核算管道低点试压时所承受的环向应力 其值一般不应大于管材最低屈服强度的0 9倍 对特殊地段经设计允许 其值最大不得大于0 95倍 为了分段合理 首先对管道各标段进行最低屈服强度计算 根据管道自然地势和高差进行试压段预划分 并计算各试压段高点 低点充水情况下所承受的环向应力 使各试压段满足规范规定和设计要求 二 合理划分试压段 1 强度验证 1 管材最低屈服强度极限本工程线路所用钢材为L390 因此最低屈服强度值为390MPa 2 不同管径 壁厚所承受的最大内压力根据 输油管道工程设计规范 GB50253 2003中第5 4 1节输油管道直管段钢管壁厚计算公式可推导出环向应力计算公式 PD 2 式中 管材壁厚 mm P 设计内压力 MPa D 钢管直径 mm 钢管环向应力 MPa 设计要求管道环向承受的应力强度值不大于L390管材的最低屈服强度390MPa的90 即不大于351MPa 根据因此在试压过程中 不同管径 壁厚所能承受的最大内压力不得大于以上压力值 273 6 4 P 2 D 2 6 4 351 273 16 46MPa273 7 1 P 2 D 2 7 1 351 273 18 26MPa219 5 2 P 2 D 2 5 2 351 219 16 67MPa 二 合理划分试压段 3 静水压力计算公式 P 其中 P 静水压力 Pa 液体密度 kg m3 重力加速度 N kg 高度差值 m 4 最低点在试压过程中实际承受的应力各站场 阀室间管段在试压过程中所承受的环向应力为管线充水后的静水压力因绝对高差产生的环向应力 静 和设计规定试压必须达到强度压力产生的环向应力值 强 之和 根据 油气长输管道工程施工及验收规范 GB50369 2006的要求 强度试验压力值为不小于设计压力的1 25倍 二 合理划分试压段 A 试压过程中 当管段达到强度压力时 管道高点和最低点所承受的压力值 P高 P试P低 P试 P静B 最低点所承受的环向应力为 P试 P静 D 2 二 合理划分试压段 5 按理论应力值 确定不同管径 壁厚管段可承受的最大高差范围A 根据不同管径 壁厚确定各站间管线高 低点承受的压力值B 根据各站间不同管材规格压力值确定管线实际高差由以下公式 P低 P高 P静P 可得允许的最大试压高差 h P低 P高 二 合理划分试压段 2 试压分段 1 试压分段的依据 A 应力计算公式 PD 2 B 本工程线路所用钢材为L390 因此最低屈服强度值为390MPa 90 的最低屈服强度值为351MPa C 为了保证试压的安全性 避免由于温差变化使试压段的压力增高 造成低点的环向应力超过90 的管材屈服极限 在所划分的各段中 最大试验压力下的应力核算值全部以小于90 的管材屈服极限值来控制 即351MPa D 管道在设计强度试验压力和90 的屈服强度下允许的最大压力和高差计算结果 E 试压段划分不仅须符合设计 规范要求 还应满足现场实际情况 使试压点 排空点符合长输管道安全规程 减少对环境的污染和影响 便于试压设备作业和防护 二 合理划分试压段 2 试压分段A 初步分为以下14段 牛圈湖首站 1 泵站分为2个试压段 1 泵站 2 热泵站分为2个试压段 2 热泵站 1 RTU监测点为1个试压段 1 RTU监测点 3 热泵站分为2个试压段 3 热泵站 2 RTU监测点分为2个试压段 2 RTU监测点 4 减压站分为3个试压段 4 减压站 哈密末站分为2个试压段 B 确定各试压段长度 高度及各点压力根据试压分段原则 全线高程纵断面示意图 附表6 现场水源和施工完成情况 以及设计总说明要求 对试压分段细化完善 最终确定以下16个试压段 均满足规范规定和设计要求 二 合理划分试压段 1 试压准备 1 水源准备根据沿线水源特点 采取集中上水方式 充分利用特殊的地理条件 统一从C020 48m处上水 C020往南采用自流式直接上水 C020往北至B002 940m处 由吐哈油建用注入泵一次性注满 B002 940m往北试压用水由1 RTU至B002 940m段试压后的水自流充满 2 设备材料准备配备充足的试压设备和材料 主包括通球 扫线 试压设备 通讯设备 后勤保障设备 交通运输设备等 提前作好阀门 试压封头 管件的预试压工作 试压头与试压段主管道最后连接的环型焊道应进行X射线检测 完成试压所用的各种仪表的校验 才能保证试压按计划开展 三 试压程序 3 人员准备明确试压单位 组建试压领导小组和试压机组 包括应急抢修人员 在三塘湖管道项目组的统一部署下实施试压工作 4 技术准备编制详细的试压方案 明确人员 设备 工期进度 安全措施 应急预案和职责 5 现场准备做好每个试压段的平面布置 对于设备摆放 试压管路布置 积水坑等均要达到HSE要求 每个试压现场都要设置安全警示牌 在试压区域采用警示带或警示旗设置警示围栏 同时做好污水排放处理 保护环境 2 管道试压依据 油气长输管道工程施工及验收规范 GB50369 2006和 输油输气管道线路工程施工技术规范 Q CNPC59 2001规定 油 气长输管道在下沟回填后应清管和试压 清管 试压应分段进行 三塘湖管道在确定各试压段后 在试压前进行清管 测径 全部合格后 依次对各标段进行水压试验 试验完成后进行积水清扫 积水全部清扫干净 达到安全试压的目的 三 试压程序 按照 油气长输管道工程施工及验收规范 GB50369 2006和设计文件关于管线清管 测径 试压的规定 结合试压总体方案 积极协调 统筹安排 采用集中上水 注入泵和自流方式同时进水的方法 在吐哈油田各部门的大力协助下 互相协作 规范运行 使该管道在计划时间内完成试压 通过验证比较 试压结果 见附表9 符合规范规定和设计要求 实现了安全 平稳试压 对环境未造成任何负面影响 四 组织试压 验证试压结果 针对三塘湖油田原油外输管道复杂的地形和特殊的地理环境 以及地势高差大的特点 结合设计要求和标准规范规定 通过理论计算合理划分试压段 通过集中上水方式解决了在沿途水资源匮乏 地势高差大的情况下运输水的难题