异径T型海底天然气管道排水干燥方案研究

谭红莹 高铭志 雷震名 司红涛 刘 健

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451

0 前言

排水、干燥和惰化是海底天然气管道投用前重要的作业环节。海底天然气管道建成后首先进行水压试验,经水压试验后管道内会滞留水分。如果不经干燥作业会引起管道内部腐蚀[1]；在一定的温度压力下形成水合物[2-3],降低输气效率,部分管道内会产生截留,特别是阀门等处可能会由于水合物的形成而造成失灵。

干燥作业一般采用干燥剂法[4-6]、抽真空法和干空气干燥法[7-8]。干空气干燥法通常采用干燥空气对管道进行干燥处理,利用低露点空气吸附水分达到管道干燥目的;抽真空法是利用真空泵减小管道内压力,使附着在管道内壁上的水分沸腾汽化,达到消除管道内自由水的方法;干燥剂法是利用干燥剂与水可任意比例互溶的原理,来降低管道里的水分,达到干燥效果。

通常天然气经中心平台集中处理后通过海底天然气管道直接输送陆地终端[9]。海底天然气管道在排水、干燥和惰化过程中,首先使用平台所设置清管球收发球筒进行清管排水,再分别通过干燥空气和氮气进行干燥和惰化[10-12]。但是随着天然气平台跨区域互通及海底大管网开发模式推进,海底天然气管道存在交叉且支管与总管管径大多不同等问题,有些已建天然气平台未设置清管球收发球筒,无法按常规操作进行排水干燥。针对此类海底天然气管道,如何低成本、低风险进行排水和干燥成为急需破解的问题。

为解决上述问题,本文以某南海气田管网项目为例,分析了主管、支管及联通平台布置特点,提出了干气吹扫排水干燥方案和干气吹扫排水加TEG干燥方案,并从技术可行性、风险、成本等角度进行综合对比分析,确定了优选方案,解决了异径T型海底天然气管道的排水干燥问题[13],也为后续此类海底天然气管道排水干燥提供了借鉴。

1 管道基础参数及技术分析

1.1 工况概述

某南海气田管网项目某段海底天然气管道布置见图1,水深70 m，从东方 A 平台到崖城 B 平台为天然气主管线,主管线长195 km、管径 DN600;中间水下三通连接长度为1.4 km的 DN450 支管,支管设置一个DN450球阀;支管通往已建乐东 A 平台,支管与乐东A平台通过既有DN300立管连通。

1.2 技术分析

1)DN600主管与DN450支管管径不同,通过水下三通连接。

2)DN450支管与乐东A平台通过DN300立管与平台连接,管径相差较大。

3)乐东A平台未设置平台收发球装置。

鉴于主管、支管与立管管径差异大且未设置平台收发球装置,DN450支管无法进行通球作业,无法按照常规方法进行排水干燥,且对后续施工作业、工程投资估算影响较大,因此需对DN450支管制定排水干燥作业专项方案。

1.3 支管管道参数

支管管道参数:管径为DN450,壁厚为15.9 mm,长度为1.4 km,材质为X65。

2 干气吹扫排水干燥方案

2.1 原理

通过压缩机所产生的带压干气将支管液体排放至主管,然后吹扫管道实现干燥目的,本文称为干气吹扫排水干燥方案(以下简称方案一)。方案一的工艺过程:首先需要通过通球作业将主管内试压水初步排放;再将支管内试压水通过干气排放至主管内;然后关闭三通阀,对支管进行干燥处理;最后在主管干燥后,打开三通阀,对主管及支管充入氮气[14-16],进行整体惰化。

2.2 支管模拟分析

经OLGA软件模拟分析,吹扫初始,管道内水量急剧减少;经过一段时间后,水量减少速率大大减慢。吹扫时管道滞液量随时间变化关系见图2,当吹扫所用干空气流量10 000 m3/h时,1 h后剩余5.8 m3水,随后排液速率减慢;经推算预测吹扫100 h,仍剩余约5 m3水量。

2.3 剩余水腐蚀核算

2.3.1 工艺输入条件

剩余水腐蚀通过OLGA软件模拟计算,工艺输入参数见表1。

表1 方案一工艺输入参数表

2.3.2 计算投产后水排出时间及腐蚀情况

通过OLGA软件模拟计算,投产后2 d可以将水全部携带出去,2 d内腐蚀量约0.003 5 mm,属于轻微腐蚀,对管道整体运行不产生影响[17]。

2.4 过程工艺参数

根据OLGA模拟计算结果,确定过程工艺参数:吹扫介质为干空气,配置6台压缩机,每台流量1 800 m3/h;在DN450支管排水作业时,由乐东A平台注入干气1 h;在DN450支管干燥作业时,吹扫时间为100 h。

3 干气吹扫排水加TEG干燥方案

3.1 原理

TEG干燥[5,7,18]:利用TEG干燥剂与水可任意比例互溶的原理,降低管道里的水分,达到干燥效果。

通过压缩机所产生带压干气将支管水排放至DN600主管,然后注入TEG吸水,再次通过干气将DN450支管TEG混合液排放至DN600主管,本文将此方案称之为干气吹扫排水加TEG干燥方案(以下简称方案二)。

方案二的工艺过程:首先通球作业将DN600主管内试压水初步排放;带压干气将支管内试压水排放至DN600主管内;然后关闭三通阀,从乐东A平台向DN450支管中注入TEG吸水;再打开三通球阀,将DN450支管中的水和TEG混合液排至主管,完成DN450支管干燥;关闭三通阀,对DN600主管进行排水和干燥作业;待DN600主管干燥后,打开三通阀,对DN600主管及DN450支管充入氮气[11,19-20],进行整体惰化。

3.2 模拟分析

吹扫条件:吹扫介质为干空气[13],压缩机每台流量1 800 m3/h,3台共为5 400 m3/h。经OLGA软件模拟分析,吹扫初始管道内水量急剧减少,之后水量减少速率大大减慢。方案二吹扫时管道滞液量随时间变化见图3,1 h后剩余21 m3混合液,随后排液速率减慢;经推算预测吹扫100 h,仍剩余约20 m3混合液。

图3 方案二吹扫时管道滞液量随时间变化关系图Fig.3 The relation between the amount of liquid stuckin the pipeline and time during purging of Scheme No.2

3.3 剩余水腐蚀核算

3.3.1 工艺输入条件

剩余液体腐蚀通过OLGA软件模拟计算,工艺输入参数见表2。

表2 方案二工艺输入参数表

3.3.2 腐蚀情况

排水干燥及惰化后工况:剩余少量水,由于管道中充满氮气,不考虑管道内腐蚀。

投产后工况:计算得出腐蚀速率为0.67 mm/a,考虑4 d滞留天数,可得到总腐蚀量为 0.67×4/365=0.007 mm,属轻微腐蚀,对管道的影响可不考虑[17]。

3.4 过程工艺参数

根据OLGA软件模拟计算结果,确定过程工艺参数:压缩机配置3台,每台1 800 m3/h;TEG使用量约200 m3;在DN450支管排水及TEG作业时,由乐东A平台注入干气约100 h。

4 技术方案分析及工程选用

4.1 技术方案对比分析

根据方案一、方案二技术分析结果和具体实施方法,从技术可行性、操作复杂性、环境污染、成本等角度进行综合对比分析,见表3。

表3 方案一和方案二综合对比分析表

从表3可知，方案一先后进行2次开启、2次关闭的三通球阀操作;DN600主管额外进行1次通球排水作业;剩余5.8 m3水,至投产后,2 d可被投产气体携带出去;海上有一定的作业量;符合环保性能要求;经济性好。方案二先后进行3次开启、3次关闭的三通球阀操作,DN600主管额外进行2次通球排水作业;需在DN450支管中注满TEG,约200 m3；需进行200 m3TEG混合液的回收作业;剩余20 m3TEG混合液,至投产后,4 d 可被投产气体携带出去;海上作业量大,经济性较差。方案一较方案二节约2次球阀操作、节约200 m3TEG采办费、运输费及回收费，累计超过1 300万元,推荐采用方案一。

4.2 工程方案选用及技术要求

4.2.1 工程方案选用

通过综合对比分析方案一、方案二,方案一技术可行、操作步骤相对简单、风险性较小、成本低,某南海气田管网项目最终确定选用方案一。

4.2.2 方案一具体工程实施方法

吹扫介质为干空气,压缩机每台流量1 800 m3/h,6台压缩机流量共10 800 m3/h;试压完成后,关闭水下三通处球阀,对DN600主管进行通球,初步排水;打开三通球阀,由乐东A平台注入干气1 h,将DN450支管的水排至DN600主管;继续对DN450支管进行吹扫100 h,对DN450支管进行干燥;关闭三通球阀,DN600主管进行通球排水;打开三通球阀,对DN600主管及DN450支管充入氮气[14-16],进行整体惰化。

4.2.3 技术要求

干燥吹扫实施作业完成后对照GB 50251《输气管道工程设计规范》中的要求验收干燥作业。

1)干燥后排出气体水露点应连续4 h比管道输送条件下最低环境温度至少低5 ℃、变化幅度不大于3 ℃为合格。

2)氮气惰化后,需要保持内压大于0.12～0.15 MPa·a,保持密封。

4.2.4 应用情况

为配合干燥作业,按照工程实施方法现场配置6台压缩机,每台流量为1 800 m3/h。为完成验收检验,配置水露点分析仪。严格按照实施方法确定的作业工序和作业时间展开干燥作业,验收结果符合验收标准要求,实施后未见腐蚀影响,也未发生次生问题。实施结果验证了方案一可行。

5 结论

本文以异径T型海底天然气管道为研究对象,提出了此类管道的排水干燥方案,通过对比分析确定了优选方案,并将制定的方案一工程实施方法成功应用于某南海气田管网项目。本文所提方案一的成功应用具有重要意义,为后续异径T型海底天然气管道排水干燥方案制定提供了借鉴。