超大型段塞流捕集器建造技術(shù)研究與應(yīng)用

李楠

摘 要：簡(jiǎn)述了珠海高欄終端采用的超大型段塞流捕集器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)特點(diǎn)。詳細(xì)介紹了項(xiàng)目建造技術(shù)的創(chuàng)新及其應(yīng)用，通過研制國(guó)內(nèi)最大口徑、大壁厚、超長(zhǎng)、高壓輸送天然氣鋼管實(shí)現(xiàn)工廠模塊化制造，采用優(yōu)質(zhì)高效的焊接工藝，并創(chuàng)造性的將智能監(jiān)控技術(shù)運(yùn)用于大型壓力試驗(yàn)中，建造技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用和嚴(yán)格的質(zhì)量控制確保了項(xiàng)目高質(zhì)高效的完成。

關(guān)鍵詞：段塞流 捕集器 超長(zhǎng) 高壓鋼管 模塊化制造 智能監(jiān)控技術(shù)

中圖分類號(hào)：TE9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）02（a）-0018-04

南海深水天然氣珠海高欄終端位于珠海市高欄港經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，距廣東省珠海市區(qū)約60 km，荔灣3-1氣田、番禺34-1/35-1/35-2氣田的天然氣通過海底管道輸送到該終端處理廠進(jìn)一步處理，然后提供給廣東管網(wǎng)并預(yù)留給香港用戶的接口。

由于海管內(nèi)介質(zhì)氣液比大，海管登陸高程高，易產(chǎn)生嚴(yán)重的段塞流，影響終端內(nèi)正常的安全生產(chǎn)。段塞流捕集器作為海管登陸的首站設(shè)備，能夠有效捕集和分離液體，在液塞達(dá)到時(shí)，同時(shí)作為帶壓液體的臨時(shí)儲(chǔ)存器，連續(xù)穩(wěn)定地向下游供氣，確保下游設(shè)備正常工作[1]。

1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

珠海高欄終端段塞流捕集器設(shè)備長(zhǎng)度約為204 m，寬度約為93 m，占地面積約為1.9 hm2，是目前世界上最大規(guī)模的段塞流捕集器。主要參數(shù)如下：

天然氣最大處理量：120×108S m3/a；

液相最大穩(wěn)態(tài)流量：682 m3/h；

液相最大瞬時(shí)流量：12 000 m3/h；

有效儲(chǔ)液容積：7 000 m3；

操作壓力：6.9 MPaG @10℃～30℃；

設(shè)計(jì)壓力：8.0MPaG @50℃；

分離精度：100%去除70 μm以上液滴；

地震加速度：0.15 g。

項(xiàng)目采用國(guó)際上最先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，并且針對(duì)超大型段塞流捕集器的特點(diǎn)，創(chuàng)新的運(yùn)用新技術(shù)、新材料和新方案，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的段塞流捕集器具有如下顯著特點(diǎn)[2]：（1）順向流設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)能力大；（2）占地面積最?。唬?）優(yōu)異的抗載荷設(shè)計(jì)；（4）高效的兩級(jí)分離設(shè)計(jì)；（5）模塊化的管匯設(shè)計(jì)。初始設(shè)計(jì)的段塞流捕集器由兩個(gè)完全相同的處理區(qū)域組成，各自承擔(dān)50%的分離和儲(chǔ)存任務(wù)，在天然氣入口和出口處均設(shè)置有電控閥門，使兩部分能夠獨(dú)立運(yùn)行和檢修。然而，此設(shè)計(jì)型式將使得各分離管匯和排液管匯等部件的單體長(zhǎng)度>35 m，管匯部件的單體重量>50 t，分離管匯的組合重量>100 t，以致管匯的工廠模塊化制造難以實(shí)現(xiàn)，且運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)吊裝也面臨極大困難。因此，最終將每個(gè)處理區(qū)域再分成兩個(gè)處理單元（優(yōu)化后的段塞流捕集器設(shè)計(jì)形式如圖1所示），每個(gè)處理單元包含7列儲(chǔ)液指管及相應(yīng)管匯，各自完成總流量25%的分離和儲(chǔ)存功能，這樣，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的管匯單體長(zhǎng)度約為18 m，管匯部件的單體重量≤30 t，大大降低了管匯的工廠模塊化制造難度。

2 建造技術(shù)研究與應(yīng)用

2.1 國(guó)內(nèi)最大口徑高壓輸送天然氣鋼管的制造

（1）根據(jù)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，珠海高欄段塞流捕集器儲(chǔ)液部分由28列172 m長(zhǎng)的管道組成，儲(chǔ)液指管采用φ1 422.4 mm（56英寸）×28.6 mm的X65M直縫埋弧焊鋼管作為主管道。由于段塞流捕集器的安全性要求極高，且考慮管道安裝現(xiàn)場(chǎng)為平山區(qū)，施工條件受限，故對(duì)鋼材的理化性能、成型長(zhǎng)度、尺寸偏差和表面質(zhì)量等有著最嚴(yán)格的要求。大口徑、大壁厚、超長(zhǎng)板、超長(zhǎng)管的試制開發(fā)工作難度極大，主要體現(xiàn)在如下幾方面。

①鋼材需要承受很大的內(nèi)壓、外壓和暗流沖擊，在保證高強(qiáng)度和優(yōu)異的低溫?cái)嗔秧g性的同時(shí)，還要求鋼板、鋼管橫向具有低的屈強(qiáng)比和高的延伸率，而隨著強(qiáng)度的提高，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)、塑、韌性良好匹配的難度急劇上升，且在制管過程中加工硬化效應(yīng)顯著，鋼板、鋼管的屈強(qiáng)比控制困難。

②該項(xiàng)目采用X65M直縫埋弧焊鋼，管徑和壁厚大，平均成型長(zhǎng)度要求>17 m，達(dá)到鋼管冷成型極限，制管難度極大。

③尺寸偏差和表面質(zhì)量要求嚴(yán)格，大批量生產(chǎn)控制難度較大。

（2）針對(duì)管線鋼的顯著特點(diǎn)和上述難點(diǎn)，在鋼板和鋼管生產(chǎn)中采用“小量鐵素體+貝氏體”的針狀鐵組織設(shè)計(jì)思路，在合金設(shè)計(jì)中采用低碳和低碳當(dāng)量以保證鋼的焊接性能；采用兩階段控軋技術(shù)，同時(shí)采用適合于UOE成型工藝特點(diǎn)的高精度成型工藝過程仿真系統(tǒng)，結(jié)合寶鋼UOE的設(shè)備條件，優(yōu)化工藝并實(shí)施全面的過程質(zhì)量監(jiān)控，最終獲得了穩(wěn)定的合格產(chǎn)品。此段塞流捕集器采用的高壓輸送天然氣用鋼管與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品對(duì)比，具有以下特點(diǎn)。

①該鋼管是迄今為止國(guó)內(nèi)首次使用的最大口徑的高壓輸送天然氣用鋼管，且批量成型長(zhǎng)度達(dá)到同類鋼管的最長(zhǎng)長(zhǎng)度。

②具有更高的純凈度、更好的韌性、低的屈強(qiáng)比，實(shí)物質(zhì)量可滿足SHELL、DNV等標(biāo)準(zhǔn)的要求，鋼管P、S含量達(dá)到海底管道的要求。

③鋼管的錯(cuò)變量、焊縫余高、鋼管直徑、管壁厚度、直度、橢圓度、管端切斜等幾何尺寸均符合技術(shù)規(guī)格書及標(biāo)準(zhǔn)要求，部分指標(biāo)遠(yuǎn)超API 5L-2011和GB/T 9711-2011的要求。

鋼管主要的機(jī)械性能、幾何尺寸指標(biāo)對(duì)比如表1和表2所示。

由于鋼管的優(yōu)異的成型長(zhǎng)度，現(xiàn)場(chǎng)建造時(shí)節(jié)省了大量的組對(duì)焊接工作量，對(duì)比12 m/根的成型長(zhǎng)度，17 m以上/根的成型長(zhǎng)度使得現(xiàn)場(chǎng)焊口數(shù)量減少1/3，縮短工期約兩個(gè)月；由于鋼管的優(yōu)異的成型尺寸，現(xiàn)場(chǎng)建造時(shí)大大提高管口對(duì)接的效率，同時(shí)保證管道與馬鞍型管支座的弧度匹配；由于鋼管的優(yōu)異的機(jī)械性能和可焊性，段塞流捕集器的質(zhì)量得到嚴(yán)格保障。

2.2 優(yōu)質(zhì)高效的現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝技術(shù)的運(yùn)用

段塞流捕集器建造現(xiàn)場(chǎng)位于高欄港炸石平山區(qū)域，環(huán)境惡劣（粉塵多，毗鄰海邊，風(fēng)速、濕度大，早晚溫差大），后續(xù)使用時(shí)需承受內(nèi)部流體的沖擊、內(nèi)壓、腐蝕、以及熱膨脹應(yīng)力、風(fēng)載等的反復(fù)疲勞破壞；且主體管材為X65M低合金高強(qiáng)度鋼，管線長(zhǎng)度達(dá)6 000 m，工程量巨大，目標(biāo)工期短，故保證焊接質(zhì)量對(duì)于后期油氣田的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。

2.2.1埋弧自動(dòng)焊（SAW）成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)施工

針對(duì)該材質(zhì)的大口徑厚壁管焊接，進(jìn)行了4組焊接工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

經(jīng)過充分研究論證，SMAW+SAW焊接方法可以獲得比純手工焊高一倍的速度和最穩(wěn)定的質(zhì)量，但該焊接方法存在局限性，其不適合固定管的全位置焊接，并且需要類似車間的良好的防風(fēng)防雨環(huán)境。為克服上述局限性，最大化地將SMAW+SAW焊接方法運(yùn)用于惡劣的施工現(xiàn)場(chǎng)，大幅提高焊接效率，并保證穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。采取了以下的主要方法。

（1）將建造工序合理劃分為地面預(yù)制和支墩上安裝兩個(gè)階段，在考慮吊機(jī)載荷能力后，在地面預(yù)制中將鋼管組對(duì)接長(zhǎng)至36 m。這樣，約50%的建造工作量轉(zhuǎn)移到地面進(jìn)行，大大節(jié)省了支墩上高空安裝和焊接工作量。

（2）采取快速的可移動(dòng)式焊接工棚，保證長(zhǎng)鋼管吊運(yùn)的同時(shí)可快速地進(jìn)行SAW焊接保護(hù)。

2.2.2 變角度的單面復(fù)合V型坡口設(shè)計(jì)

綜合研究坡口設(shè)計(jì)因素和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，通過多種方法的試驗(yàn)比對(duì)（各種坡口型式優(yōu)缺點(diǎn)比較如表4所示），最終確定坡口型式為變角度的單面復(fù)合V型，并在角度設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮可操作性和最優(yōu)的金屬填充量。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，該坡口型式不論在安全方面，還是工藝方面都具有較高的執(zhí)行性。同時(shí)將坡口制備安排在鋼管出廠前完成，并設(shè)計(jì)專用保護(hù)罩加以保護(hù)，大大節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)坡口處理工作量。

最終實(shí)踐表明，該設(shè)計(jì)形式滿足了現(xiàn)場(chǎng)建造安裝施工要求，保證了焊接質(zhì)量，并且最大程度地提高了焊接效率。

2.3 智能監(jiān)控技術(shù)在大型壓力試驗(yàn)中的運(yùn)用

根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，段塞流捕集器在無損檢測(cè)合格后須進(jìn)行耐壓試驗(yàn)和泄漏試驗(yàn)，水壓耐壓試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.5倍，氣體泄漏試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力。該套段塞流捕集器的設(shè)計(jì)壓力高（8.0 MPaG），規(guī)模世界最大，周圍其它工程作業(yè)多，同時(shí)環(huán)境溫差變化大，安全高效地完成壓力試驗(yàn)成為項(xiàng)目的難點(diǎn)。經(jīng)過多次研討論證，創(chuàng)新性地將油田生產(chǎn)時(shí)所用的智能監(jiān)控技術(shù)運(yùn)用到大型壓力試驗(yàn)中。

（1）在安全區(qū)域設(shè)立智能監(jiān)控室，配置壓力和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)和遠(yuǎn)程緊急關(guān)停系統(tǒng)。

（2）依據(jù)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，段塞流捕集器整體分成4個(gè)處理單元，每個(gè)處理單元包含7列儲(chǔ)液指管及相應(yīng)管匯，且采用1/100傾斜設(shè)計(jì)（東側(cè)入口分離管匯高點(diǎn)與西側(cè)出口排液管匯低點(diǎn)之間的高度差近10 m），故壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置為八個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別連接到四個(gè)處理單元的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)。

（3）在東側(cè)入口分離管匯高點(diǎn)與西側(cè)出口排液管匯低點(diǎn)分別設(shè)置溫度傳感監(jiān)測(cè)。

（4）為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)泄漏情況，在四個(gè)處理單元的入口閥組、出口閥組、管匯法蘭口等易泄漏點(diǎn)設(shè)置可調(diào)角度的變焦攝像監(jiān)控，減少人員進(jìn)入檢查的頻次。

（5）由于區(qū)域較大，為確保安全，避免外圍無關(guān)人員進(jìn)入，在整個(gè)段塞流捕集器四周均布置360度視頻監(jiān)控?cái)z像頭和高音廣播。

（6）在監(jiān)控室設(shè)置壓力試驗(yàn)設(shè)備的緊急關(guān)停按鈕，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)可第一時(shí)間關(guān)停增壓設(shè)備。

嚴(yán)格的質(zhì)量控制及智能監(jiān)控技術(shù)的運(yùn)用使得珠海高欄段塞流捕集器水壓耐壓試驗(yàn)和氣體泄漏試驗(yàn)均一次性成功完成，試驗(yàn)過程未影響周圍其他區(qū)域的工程施工。

3 結(jié)語

目前，段塞流捕集器已投入使用且運(yùn)行良好。珠海高欄終端的超大型段塞流捕集器無論是規(guī)模還是工藝性能均屬國(guó)內(nèi)首例，通過總結(jié)其設(shè)計(jì)、建造技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，對(duì)同類設(shè)備的設(shè)計(jì)建造具有重要的參考借鑒價(jià)值，能很大程度的提升設(shè)計(jì)和建造水平，縮短項(xiàng)目工期，降低項(xiàng)目成本，對(duì)提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益具有重要的意義，可促進(jìn)海洋工程行業(yè)快速、高質(zhì)量的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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