温度变化对海管试压影响的分析

郑秋明 宣英杰 兰学杰 李友行

摘 要：海底管道在投产前及日常运行维护中，都需要对管道进行调试，包括清管，试压，排水，干燥，惰化等工作。其中试压是检验管线严密性的重要步骤，试压介质（一般采用是海水，特殊材质也有可能要求必须使用淡水）在保压期间的温度变化也会导致压力的变化，容易造成试压不合格。

而世界范围内海水温度分布呈现规律性分布，对海底管道的影响也大小不同。本文主要从理论上阐述了海底管道的水温的变化规律及这些变化对试压带来的影响，探讨减小和避免水温变化给试压带来的负面影响。

关键词：海底管道、试压、水温变化、热平衡

1.概述

海底管道的水压试验（HYDROSTATIC TEST）过程主要分为升压、稳压、保压及泄压四个阶段。其中关键的保压阶段，按照DNV要求，在压力稳定后至少应保持24 H，如果管道无泄漏，并且保压期间内压力在试验压力的±0.2%范围内，则该管道满足投产要求。如果能够证明压力的变化是同温度波动或其它原因造成的，压力变化范围可限制在±0.4%以内。如果维持期间产生了大于±0.4%的压力变化，则应延长试验时间，直至达到一个可接受的压力变化范围。如果管线不存在机械性缺陷，那么控制温度变化就成为了制约试压波动是否在合理范围内的关键因素。

2.海水温度分布规律

海水的温度决定于辐射过程、大气与海水之间的热量交换和蒸发等因素。海水表层年平均水温：太平洋最高，为19.1℃；印度洋次之，为17.0℃；大西洋最低，为16.9℃。海洋水温在垂直方向上，上层海水在1000～2000米的水层内，水温从表层向下层降低很快，而2000米以下则水温几乎没有变化。大致在南、北纬 45°之间，海水水温的垂直分布可分三层：1.混合层，一般在大洋表层100米以内，由于对流和风浪引起海水的强烈混合，水温均匀，垂直梯度小。2.温跃层，在混合层以下和恒温层以上，水温随深度增加而急剧降低，水温垂直梯度大。3.恒温层，在温跃层以下直到海底，水温一般变化很小，常在2～6℃间，尤其在2000～6000米深度区，水温为2℃左右，故称恒温层。海管铺设在不同海域，不同深度的海水中，需要考虑外部海水对试压介质海水带来的温度变化的影响。一般情况下，我们认为内外温差不大于0.1℃是比较理想的热平衡状态。

3.水温变化对试压的影响

在试压过程中，管道可以看作一个密闭容器，当水充满后，水的容积与管道的容积相等，即 ，管道受压力和温度影响容积变化与水受压力和温度影响体积变化也相同，由此可得：

上式中， 为管内介质温度每降低1℃的压力降； 为钢材的热膨胀系数， ； 、 分别随温度压力变化的两个变量，在不同温度和压力情况下数值不同，海水的 、 的值如下表所示：

3.1案例分析

以8英寸单层保温管道为例，用理论计算得到的温度变化规律进行压降分析。基础数据如下表所示：

将各项参数代入得：

即管内介质温度降低1℃，管内压力降低0.1933MPa。

从图中可以看出，随着时间的推移，温降和压降的减小速率越来越慢。

要想实现管道满足要求，保压阶段在压力稳定后至少应保持24H，并且试验期间压力在试验压力的±0.2%范围，也就是说管道内压力变化不应超过7.364kPa，按照公式，24H内温度降低不应超过0.0381℃，根据理论计算结果，从海管注满水后计时，在第500H之后开始保压，才可以满足热平衡的要求。同样，我们按照不同的壁厚比，同样选取100bar的试验压力，可计算得出以下图表：

3.2小结

由以上的计算可以看出，在海管严密性满足的前提下，试压介质的温度变化带来较为剧烈的压力变化，直接导致了试压的不合格。因为实现较为理想的热平衡，控制试压介质在保压周期内的温度的基本稳定，就成了制约试压成败的关键因素。内外海管海水温度差越大，热平衡时间越长，导致试压失败的可能性越大，而在深水大温差的海洋环境中，动辄几百个小时的热平衡时间，来实现满足试压要求几乎是不可能的。

4.控制措施及建议

为了保证试压的成功，实现海管的成功交投产，在实际的生产实践中，提出以下建议供参考：

1.尽量选取与管线铺设深度相同或相近的水深的海水作为试压介质。比如在浅水海域，如渤海，黄海等区域，条件允许的情况下，应将清管泵的抽水口布置在接近海床的深度，这样可以保证注入海管内的海水与海床附近的海水水温基本一致，大大減少热平衡的时间。

2.对于深水海管，例如超过300米甚至铺设深度更大的管线，想要抽取海底深度的海水是非常困难的。这就要求我们参考海水垂直分布规律，一方面尽量选择温度接近的海水，另一方面也可以对抽取上来的海水在作业船舶上通过冷却水箱等设备进行适当的降温处理。

3.对于超深水管线，例如超过1000米甚至更深的管线，应考虑采用水下清管试压的工艺，即将设备布置在海底，采用ROV在海底直接进行清管试压作业。这样施工，可以最大限度了降低了海管内外温差，是比较理想的作业模式。

4.无论采取何种措施，都需要在理论上计算出实现热平衡的时间，在工程实施中，指导选取合适的时间窗口进行试压作业。

参考文献

[1]王长涛 姜瑛 深水海管水下清管试压技术 清洗世界 第31卷第九期

[2]樊友勇 影响工艺管道试压的因素分析 中国机械

（作者单位：海洋石油工程股份有限公司）