Voe.50#No.1
Feb.2021
第50卷第1期
2021年2月
船海工程
SHIP & OCEAN ENGINEERING
DOI ：10.3963/j.ion. 1671-7953.2021.01.022
蒋孟生，艾改阳，，黄贵平
(中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东深圳518000)
摘要：针对生产期间的双层海管试压工期长、油田关停损失大的特点，分析双层管对海床的传热机理中
的对环境敏感因素，基于DNV-OS-F101规范要求，以初期的不稳定传热数据替代常规的稳态传热数据，对 比理论计算与实测数据差异，用以判断海管是否发生渗漏，结果表明，油田的关停损失大幅减少，可供需要试 牛顿第二定律教案压的在役双层海管管理参考$
关键词：双层海管；耐压测试；快速试压方法；在役海管取证中图分类号:U655.4
文献标志码:A 文章编号：1671-953(2021 )01-0091-4
当海底输油管线使用一定年限后，内外腐蚀 和疲劳会导致其强度下降，存在泄露和溢油风险$
对海管实施耐压测试(试压)，是检验其承压强度 的有效方法[1]$中国南海海域的大部分油田水
深超过100叫海床温度较低(15〜25 °C )，海管 通常被设计成双层管结构。双层海管在耐压测试
时内部介质向海床散热缓慢，要达到热量平衡通 常耗时20 d 以上，工期远超单层海管[2]$对于生
产中的油田，必须改良传统保压方法以减少关停损
失。文献有提到可以缩短试压工期的方法，但试压 过程与常规法完全相同，不具有现场实操性针
对在产油田的海管试压难点，基于DNV - OS -
F101规范要求，试图建立一种更高效的试压工艺, 从而减少油田关停损失，提供工程技术借鉴。
1 海管试压的基本原则
目前国内海底管道标准为SY/T10037—2010
《海底管道系统规范》，采标于挪威船级社(DNV )
DNV-OS-F101 ：2013《海底管道系统规范》，该标准
第9章第15节“最终试验和运行设备”中描述了 海底管道最终耐压测试的方法，在第10章给出了
接受的标准$
国内新完工海底管道试压时，一般采用DNV
推荐做法，这是适用所有海管的通用标准。海管 耐压测试主要步骤有排气、增压、保压(等待热力
收稿日期：2020 -05 -01修回日期：2020 - 06 -15
第一作者：蒋孟生(1984—)，男，博士生，工程师
研究方向：油田工艺和含油污水处理
稳定)和泄压。其中耗时最长的保压环节，即管 内介质向海床散热的过程，这个过程常常占据工
期的80%以上。在DNV-OS-F101中规定，保压时 管道内空气的含量不得超过管道总体积0. 2% ,
试验压力不小于1-05倍偶然压力，保压稳定后, 继续测试24 h 以上。如果最后的24 h 内压力波 动在±0.2%以内，则试压合格$
可以看出，常规的试压是分析海管热力稳定
之后的数据，因此工期耗时很久$由于目前没有 专门针对在役海管的试压标准，因此可以在不超
出标准约束范围内，以“保压期间的压力波动在
技嘉h67
±0.2%以内”作为分析重点，探索可以缩短保压 时间的方法。
2双层海管对温度的敏感分析
2.1双层海管换热规律
无论海管以裸露或填埋方式敷设在海底，保
压期间都将持续换热直到海管的内外温度达到平 衡。影响管线传热效率的因素很多，可使用如下 公式进行计算⑷$
r
— 4 584p/B$ ]
—5 =/ + #
Cp,;(32n — 32n ) I
(1)
式中：+t 为停输油时间t 后管内介质温度,C ； +s 为开始停输时管内介质温度,°C ； 为海底环境
温度,C ；B 为管道外径,m ；3a 为钢管内径,m ；3°n 为各层管外径,m ; 3p 为各层管内径,m ；.为管道 总传热系数,W/(m 2 - C )；t 为停输时间，h ;p-为
钢材及保温材料的密度,kg/m 3 ;=为钢材及保温
材料的导热系数,J/( kg - C ); Ca 为管内介质导
91
热系数,J/(kg-b)；!为管内介质密度,kg/m3$ 2.2管内温度和压力关系
海管试压过程是在一个充满水的密闭空间里，假如没有空气影响，水膨胀的体积将恰好等于管道膨胀的容积。因此在试压期间，因温度和压力改变导致的海管容积和水的体积是相等的。对于温度与压力的影响，可从水的热力学特性和钢管的弹性力学两个角度阐释。水的热力学性质表明温度变化是导致体积膨胀的主要因子；而对于钢管，温度和压力变化引起的容积改变量均需要考虑⑸。该平衡原理用以下公式描述。
P (B-3A)Wt
L(1-V)
(2)
+C
陕西公众信息网式中也为温度变化1b时压力变化值,MPg；C为水的压缩型因子;B为水的膨胀系数;A为钢管的线性膨胀系数，选用A二1.2j10-5；t为内管的壁厚,m；v为钢管泊松比;W为钢材弹性模量,W二2.07MPv；L为内管的外径,m$
该公式未考虑管线在轴向延伸时与海床的摩擦力，由于南海的海底管线基本裸露于海床上，延伸摩擦力可以忽略，因此适用。
3双层海管快速试压方法
某混输双层海管投产于2008年，设计寿命15年，管径323.9mm，壁厚11.1mm，设计压力1.0MPa，实际运行压力0.5MPa$由于附近的新油田开发，该管线承担的输量将大幅增加，为了确保安全使用，该管线在新油田投产前必须进行压力测试，以获得船级社法规认证。
3.1拟合海管传热数据
3.1.1传热数据的反算
在式&1)中，大部分数据都可直接引用设计数据，而环境温度、管内介质初始温度、钢材和保温材料的导热性能、总传热系数都需要在现场采集或推导$环境温度即海床温度，作业中使用远程可记录温度仪放至海底获得。管内介质采用表层海水，使用地面温度监测仪采集$对于各层材料的导热性能，可提前对海管实施透水检测(FMD)，未透水的海管一般沿用设计参数。
总传热系数-按照下面公式计算。
式中:9为生产期间的油品质量流量,kg/s；*为输92油温度下的油品比热容,J/(kg・b)；+为起点油温,°C；E为终点油温,°C。
当海管与海床处于稳态传热时，管道外壁面的散热模型是流体绕流的传热模型，对于海管外壁向海水的散热，其热阻可近似忽略。由于上述公式是经稳态传热关系导出的，因此只适用于输量和温度都稳定的情况，此时认为-是一常数，不随其他参数变化。一旦输量和油温变化时，-值则处于变化中，此时计算结果不能准确反映管道总传热变化。另外，公式没有体现管内油流摩擦产生热量的影响，因此仅适用于摩擦热量不大且没有发生相变的工况。
调取目标海管在耐压测试前期的输油量和输油温度都稳定的运行日报，这段时间内海管日输送液量维持在13800〜14200m3，含水率为15%〜30%，入口温度约70b$
通过以上生产数据同步进行总传热系数的反算，得到一系列数据，其中-最大和最小值分别为2.79和1.83W/(m2・b)$将输送液量、含水率、反算数据绘制成成图1$为了使计算更保守和安全原则，选取最大值2.79W/(m2・b)作为当总热系数$
3.1.2目标海管的理论温降
根据目标海管的的物理参数，将反算得到的总传热系数-代入海水温度+，海底温度为+g，可以得海的态热过程和内质的温度化趋势，见图2$
可见当表层海水注入后，温度逐渐下降，直到第355h才达到平衡，意味着此刻才能保住压力。显然，这个换热时间对于该在产油田难以承受$ 3.2快速试压程序(升压•降压法)
3.2.1快速脱氧操作
残余空气是影响海管稳压效率的重要因素
。
」
鏗
吗
w
y
M
血
0100200300400500600
保压时间/h
图2目标海管内介质的温度变化
为了将空气的影响降至最低，同时避免升压阶段反复排气，补水前提前注入足量咼效脱氧剂和杀菌剂，直到含有药剂的海水充满海管$
3.2.2连接系统
连接试验系统，对高压管线、阀门、仪表和管汇应按照试压流程图进行连接，将两端无关的系统全部隔离加盲板。用一定压力进行短暂的泄漏试验，确保隔离位置不发生可见泄漏。
3.2.3排气升压
补水前先从下游排出空气，直到没有空气时关闭排气阀$对管道系统进行加压时，压力应以不大于0.01MPv/min的速度升到试验压力的35%$升压期间根据DNV推荐方法计算空气含量（6），继而以小于0.01MPv/min的速度升到试验压力的50%和90%$
3.2.4快速试压操作程序（升压-降压法）
对于常规试压，当加压到试验压力的100%时开始保压。随着保压时间的推移，海管压力会以较大幅度下降，直到管内压力降低到稳定值。
新方法与常规试压不同的是，当压力降到一定程度时，重新补压到试验压力（也可每8〜12h 补压一次）
，记录每阶段升压后压降的过程值$首先计算得出海管的理论压降值，施工中将该值与实测压力进行对比，当两者差值始终趋于一致，表明压降是由温度平衡导致的$
3.3实例应用分析
目标海管因强度检验需要停产试压，而油田的计划停产时间只有3d。查阅该海管在10年前的工程试压，耗时工期21d，因此本次使用新方法试压。现场人员于2018年6月15日11点开始排气，于14点逐渐加压到1.152MPv$注入表层海水作为试压介质，表层海水温度为28.4C，海底环境温度为21.5C$常规试压是为了获得保压稳定后的24h数据，而新方法试压一旦开始的数据都将作为有效计算数据。每当压力降低0.6 MPa或保压达到8h，则重新升压到1.152MPa，全程试验记录见图3$
2
3—海管压力
一1海底温度
—♦—抹境温度
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5重锤夯实地基
8
1
3
论文综述
2
2 6
6
0.44-]]]
21:0202:027:0212:0217:0222:0203:02
时刻
图3海管试压期间的压力和温度
可见试保压期间海底环境温度变化很小，从21.6C升到21.8C。随着时间推移，海管压降趋势变得平缓，从宏观上显示出这条海管状态较好，但无法排除轻微的渗漏。因此，需进一步利用对比法判断。
从图3中任意截取一段完整的“升压-降压”数据。根据温降公式，计算该时间段管内介质的理论温度。在每一个温度梯度上，可以查到对应的水体积膨胀系数和压缩因子，由此得到理论上每发生1C温降导致的压降值。
选取16日22点36分到17日8点36分的数据，实测压力从1.151MPa降至0.778MPa，而从初始时刻推导出该时间段内海管温度将从26.9C将至26.0C，与之对应的理论压力将降至0.32MPa，见图4v）$
可见总体理论压降为0.419MPa，实测压降为0.373MPa，两者差值在合理范围，且实际压降略低于理论压降，说明计算合理，管线没有泄露。
同样的原理，选择17日23点31分到18日09点55分数据。海管在这段时间先被加压到1.152 MPa后，随后缓慢降至0.934MPa，见图4b）。
可见，管内介质温度在理论上将从25.6C降低到25.1C，对应的压降应为0.248MPa，而实测的压降为0.218MPv$
对比图4v）和b），后者理论温降和理论压降更加平缓，理论压力和实测压力曲线也更加贴近，说明传热计算合理。经过上面2次对比，现场获取的实测压力和理论压力降均趋于一致，且实测压降略低于计算压降$试压期间对目标海管实施多次验证，结果均保持一致，说明强度满足规范要
93
o o O
0 9 810-0- E d w 'z
田 ft
试
O
72
4 6 8
7 6 5 42 2 2 2E d w 'z
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23:36 01:36 03:36 05:36 07:36时刻
a) 16H22点36分到1708点36分
240
2
4 6
8 7 6 52 2 2 20.80 - - 24.8
'
22:31 01:30 03:30 05:30 07:30
时刻
b) 17H23点31分到18日9点55分
图4理论压降和实测压降对比
求，且满足要求的最大承压能力$
4 结论
1)海管肩负着正常输油任务，通用的试压标 准不适用，但可以建立一套既满足标规范原则，又玉女性经
能大幅减少生产损失的办法。
2) 分析双层海管试压机理，通过生产数据拟 合得到海管当前的传热状态，从而得到海管在试 压初期的预期规律，再以快速试压现场数据与理
论数据对比验证，能准确判断海管是否泄漏。
3) 对于常规耗时数周的海管试压作业，快速 方法仅需1〜3 d 即可完成全部分析，因此对在役
老海管的延期评估、法规检验等具有实际意义$
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Analysis of Difficulties in Pressure Test of Double-layer Submarine Pipeline in Service
JIANG Meng-Sheng , AI Gai-yang , CHEN Qin-shi , HUANG Guiding
( Shenehen Beanch otCNOOC , Shenehen Guangdong 518000 , China )
Abstract : In view of the characteristics of Ung pressure test period and Urye Uss of oil field shutdown during production ,
the environmental sensitive factors in the heat transfer mechanism of the double-layer submarine pipeline to the seabed were ana lyzed- In light of the requirements of DNV-AS-F101 regulations , the initial unstable heat transfer data was used to replace the
conventional steady-state heat transfer data, and the dPI'eonce between the theoretical calculation and the measured data was compared to determine whether the submarine pipeline leakage occurs. It was shown that the loss of oil field shutdown could be
reduced remarkably ； this method can be referenced by management of the submarine pipeline in service which needs pressure
tsts.
Key wordt : doube-eay7esubmaein7pip7ein7； pe sue tst ； eapid pe sue7tstm7thod ； submaein7pip7ein7in s7eeic7
94
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