海洋平台管线试压用水量计算及回用方案

， ，贺志，， ，

(1.中海福陆重工有限公司，广东 珠海 519000； 2.海洋石油工程(珠海)有限公司，广东 珠海 519000)

0 引 言

在石油化工及海洋平台的建造过程中，管道压力试验是检验其强度和密封性的重要环节，也是管线验收和试运行的重要依据。根据海洋石油工程公司以往项目的相关程序文件，管线的试压工作一般分为4个部分进行，即前期准备工作(管线清洗)、试压、管线吹扫和试压结束(管线吹干)。

管线的试压主要分为液压试验和气压试验。在海洋平台的项目中，涉及气压试验的系统较少，一般主要为仪表气、干式消防系统，且设计压力均高于600 kPa，根据规范API RP 14E[1]及海总文件《关于加强管道容器试压安全管理的紧急通知》的规定：对于设计压力大于0.6 MPa的管道容器，原则上禁止使用气体介质进行压力试验，因其结构或水质无法进行水压试验时，必须进行详细的风险分析，采取防护措施，试压方案必须得到上级部门的批准。基于安全方面考虑，现阶段各项目业主基本同意对于设计压力高于600 kPa时须进行气压试验的管线可由液压试验替代。

由于试压程序可知，管道的试压工作分为准备阶段、试压阶段、吹扫阶段和试压结束阶段，对于液压试验前3个阶段均采用洁净水，由液压代替气压试验的前2个阶段也均使用洁净水。因此，洁净水在管线试压过程中使用的次数较多，使用量一般也较大，且洁净水对水质要求较高，如施工场地无回收系统，势必造成较大的浪费，特别是从事较大项目的建造过程中则体现得尤为明显。因此，洁净水的回收利用对节能减排有益。

1 试压案例及相关计算

1.1 项目介绍

以黄岩1-1项目为例，对项目试压过程中洁净水的用量进行计算和分析，同时对珠海场地已完成的海洋平台项目和在建项目进行汇总。黄岩1-1项目上部组块重3 564 t，管线总长11 641 m(不含当量长度)，平台分为3层，其中上层平台48 m×35 m，中层平台41 m×35 m，下层平台33 m×21 m，总面积3 808 m2。

1.2 项目试压用水量计算

黄岩1-1项目试压涉及平台及栈桥2部分，试压包总数为147个，系统数29个，栈桥上FL管线为20英寸(1英寸=0.025 4 m)。管线试压用水量估算[2]见表1，其中余量系数基于以下因素考虑：(1)考虑其他部分特殊管件及替代(如单向阀、过滤器、电动阀、气动阀等)；(2)考虑试压过程中的损失；(3)考虑管道壁厚变化造成的体积变化量(表中体积的计算均按标准壁厚值进行计算)；(4)考虑管线试压失败后重新进行试压。

表1 黄岩1-1 液压试验洁净水用量估算

1.3 项目冲洗用水量计算

根据冲洗经验：当冲洗介质达到紊流状态时，冲洗效果可达到最佳[3]。按黄岩1-1管线试压和吹扫程序中的相关规定，洁净水清扫时流速不得低于3 m/s，冲洗水应该持续不断，直至在排放口流出洁净水1 min以上。为满足流速要求，各试压包系统中最大管线满足该流速即可达到要求。根据现场操作情况，管线充满水后，小管线(<6英寸)的冲洗时间约15 min，大管线(≥6英寸)的冲洗时间约18 min，可达到上述洁净要求。因此，管线清洗和冲洗用水量估算[2]见表2，其中余量系数是基于1.2节中的原因(1)和原因(3)，各种规格的管线作为主管冲洗次数的统计是依据各试压包中相应管线尺寸确定的，冲洗水的使用体积与管线总体积之和为本次项目总的用水量。

表2 黄岩1-1 清洗及清扫洁净水用量估算

1.4 项目试压用水总量及经济分析

根据计算，该平台项目在管线试压整个过程中洁净水总的用量约为10 040 m3。现建造场地已完成海洋平台项目有7座，按照以上方式计算，项目总用水量约40 530 m3，直接排放造成的经济损失约为13.2万元。根据发展需要，后期将进行管廊施工建造，涉及的管线长度可达十几万米，试压包的数量几千个，所用到的洁净水的量将达到十几万立方米，该部分水若不回用，直接造成经济损失可达几十万元。因此，试压水的回收工作意义重大。

2 试压/冲洗水回收方案

2.1 试压及冲洗水水质介绍

根据施工现场管线预制及安装情况，金属管道主要在车间进行预制，然后运至平台处进行现场安装，而非金属管线通常在室外靠近平台处预制完后运至平台上安装。因此，非金属管线在冲洗过程中冲洗水中泥沙含量一般较大，而金属管线则一般含量较小。具体水质情况与管道材质有关，见表3。

表3 不同材质管线冲洗和试压过程中水质情况

在管线试压过程中，清洗和吹扫时间为15～18 min，试压时间一般为30 min，洁净水水质pH值为7.0～8.5，氯离子含量小于25 mg/L，因此，该过程中一般不会有化学反应发生[4-5]，可采用过滤及物理沉降法改善水质。

2.2 物理沉降试验

根据场地在建项目情况，试验所取水样为“孔雀厅”项目。由于管线冲洗用水量远大于试压水用水量，且对于大多数中低压管线来说，冲洗水中的杂质更具有代表性，因此，根据不同的管线材质，分别取5个试压包的冲洗水样，每个试压包的冲洗水水样均在排水口处截取，截取次数为2次，分别在冲洗开始出水时和冲洗5 min后截取，取水量为1 000 mL，样品水瓶有效高度为230 mm。取样后将水样摇匀，进行静止沉降时间测定，如图1和图2所示。

图1 不同材质管线冲洗出水时水样中杂质沉降时间 图2 不同材质管线冲洗5 min时水样中杂质沉降时间

冲洗水和试压水中杂质比较单一，且杂质的絮凝和附着效果较差，相互作用较小，相对密度较大。因此，杂质在水中的沉降过程可视为加速下沉。通过小试试验可知：在有效高度为230 mm时，出水时水样中杂质的沉降时间约为15 s，5 min后水样中杂质的沉降时间约为13 s，且沉降后水质清澈、沉降效果好。因此，采用污水处理工艺中的一级处理工艺对水中的杂质进行处理。

2.3 沉降方案比选

由于以物理沉降工艺为主，且针对水中的相关杂质情况，在洁净水回水进入沉降区之前进行粗过滤，将水质中的丝带、黏胶块、大块渣屑等过滤掉，同时兼顾水力负荷的影响，粗过滤滤网可选用截留粒径1.651 mm(10目)的滤网，能截留直径1.651 mm以上的渣屑，滤网材质为316L。

根据物理沉降试验和环保设计中的一级处理工艺，选用具有沉砂池功能的沉降水箱。沉砂池按流态可分为平流沉砂池、竖流沉砂池和旋流沉砂池等，各种池型的特点见表4[6]。

表4 沉砂池各种池型的特点和适用条件

在管线试压和冲洗过程中，作为主管规格进行该操作的管线从1/2～20英寸均有参与，而冲洗水流速度不低于3 m/s，这对沉降区的耐冲击负荷要求较高。根据各沉砂池的特点，该洁净水回收项目采用具有平流沉降功能的沉降箱，同时针对平流沉砂池配水不易均匀的特点，对平流沉砂池采用直流进出水的方式，改进为廊道迂回式进出水，通过水流通道的加长以及箱壁2次对水流方向的改变调整配水的均匀性。这样既改善了平流沉砂池的弊端，又增强了水力负荷的耐冲击能力，从而达到较为理想的沉降效果。

2.4 方案的确定

通过主要工艺的比选，最终确定试压及冲洗过程中水回收利用的方案如图3所示。

图3 回收水方案图

在试压完成后或冲洗过程中，回水管线用软管连接通过粗过滤器，去除丝带及粒径大于1 mm的渣屑，过滤后进入沉降区进行沉降。沉降后水质合格通过补水区进入蓄水区，再通过试压泵系统或冲洗泵将洁净水打至与平台对接的软管中，对平台管网进行供水。

蓄水区设补水区，补水区设置补水管，以补充用水量或换水。在蓄水区出口处设置水质监测口，根据试压水使用次数定期监测，如水质不合格，可通过沉降区进水口和补水区处的水质调节管线加入调节剂进行调节。如水质须更换则通过蓄水池出口处的排水管线排放至市政污水管网，再通过补水区的补水管进行补水。蓄水区设置液位计，在冲洗或试压过程中若出现较大系统，仅蓄水区给水不足时，可通过开启补水区补水管线进行供水，同时蓄水区设置溢流口，排出过剩水量。

试压泵系统为施工现场原有的3套系统，分别为3DY-2000/120泵组、 3DY-4000/60 泵组和3DY-2300/40泵组，其额定压力分别为120 MPa，60 MPa和40 MPa。管线冲洗采用IS系列离心泵，在泵出口处设计回路与进口管线相连，用于调节流量[7]。在蓄水区出水管线上设置相应的接口，根据需要分别通过软管与试压系统泵组或冲洗离心泵相连。

回收水在循环使用的过程中，由于含有大量的铁锈，水质的色度会逐渐变成黄色，须添加药物进行除色；同时，在使用过程中，不锈钢及铜镍合金管线对氯离子的含量有要求，一般不超过25 mg/L，若检测到回用水中氯离子超标，须立即添加药物以降低氯离子的作用，从而达到使用要求。

水箱沉淀区域产生的废渣通过穿孔排渣管道排出[8]，穿孔管道长4英寸，穿孔直径为20 mm，角度为45°，孔间距为300 mm，交错排列。穿孔管道置于砂斗中，砂斗角度设计为55°[9]。泥渣通过穿孔管道汇集后经排渣泵排放，排放周期根据现场实际操作情况拟定。

3 结 论

通过对HY1-1项目试压和冲洗用水量计算可知，洁净水在管线试压过程中用量较大，进行回收可降低能耗、减少浪费，同时还可循环利用，提高洁净水的使用效率。

根据在建海洋平台项目的情况，通过不同材质管线冲洗水出水杂质沉降试验和水质分析以及环保工艺设计中相关装置的比选，设计出一套试压及冲洗水回收处理装置。该装置所采用的折叠式平流沉砂水箱具

有耐冲击负荷高、配水均匀等特点，且水箱的一次投资成本低、建设周期短。在水质可能变坏的情况下，设计相应的调节剂系统，调节剂市场供应充足、价格低，整个项目建成后运行费用也低。整个回收系统设计为吊装移动式撬块，可以满足不同项目不同建造场地的管线冲洗/试压需求。

[1] American Petroleum Institute.Recommended Practice for Design and Installation of Offshore Production Platform Piping Systems:API RP 14E [S].2007.

[2] 陆希志.新装管网冲洗水量计算与控制措施探究[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2012(04):48-50.

[3] 程远,王学珍.液压系统管道冲洗方法的理论分析和实践探讨[J].冶金自动化，2007(S1):747-751.

[4] SANDER A,BERGHULT B,BROO A E,ET AL.Iron Corrosion in Drinking Water Distribution Systems:The Effect of Ph.Calcium and Hydrogen Carbonate[J].Corrosion Science,1996,38(03):443-455.

[5] 杨帆,石宝友,王东升,等.水质化学组分变化对管道铁释放及管垢特征的影响[J].中国给水排水,2012,28(23):59-64.

[6] 北京市环境保护科学研究院.三废处理工程技术手册[M].北京:化学工业出版社，2000:311-315.

[7] 王平.用离心泵代替活塞泵进行中低压管道和设备的试压[J].管道安装技术,1998:11-12.

[8] 张伟,卢金锁,卢启峰.穿孔排泥管排泥均匀性模拟计算及工艺参数分析[J].供水技术，2012(03):5-8，13.

[9] 刘占会,耿艳秋.平流沉砂池砂斗容积计算公式探讨[J].供水技术,2014,08(01):45-47.