深水油气输送软管内部流体渗透规律研究进展.pdf
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1、第 43卷第 4期(2024-04)油气田地面工程 https:/集输处理深水油气输送软管内部流体渗透规律研究进展*姚佳锐1,2,3侯磊1喻西崇2李焱2孙磊41中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室2中海油研究总院有限公司3国家管网集团科学技术研究总院分公司4国家管网集团山东省分公司摘要:海洋柔性管道作为我国实现海上油气自主开发急需的关键技术装备,由于其结构及材料特点,无法避免内部流体的渗透,国内相关研究仍处于起步阶段,渗透带来的后果尚不明确,研究方法尚不成熟。从输送软管内部气体的渗透行为出发,阐明渗透可能引起的危害;对目前国内外软管渗透的数学模型、实验方法、现场测试手段三种研究方
2、法进行详细分析,并对比评价输送软管流体渗透量的预测模型,阐述未来模型构建应当囊括的因素;材料实验应侧重不同工况下的材料渗透性质,样管及原型实验应侧重模拟屏蔽效应等影响渗透的因素;系统梳理现有的现场测试手段,认为测试应重点向环空剩余体积连续监测、环空流体组分检测和外包覆层破损检测方向发展。关键词:深水油气;输送软管;气体渗透;环空检测;模型预测Research Progress of Fluid Permeability Law for Deep Water Oil and Gas Transportation Flexible Pipes*YAO Jiarui1,2,3,HOU Lei1,YU
3、 Xichong2,LI Yan2,SUN Lei41National Engineering Laboratory for Oil and Gas Pipeline Transportation Safety,China University ofPetroleum(Beijing)2CNOOC Research Institute Co.,Ltd.3Science and Technology Research Institute Branch of PipeChina4Shandong Branch of PipeChinaAbstract:As the key technology a
4、nd equipment urgently needed to realize the independent exploita-tion of offshore oil and gas in China,the offshore flexible pipes cannot avoid the permeation of internalfluid due to its structure and material characteristics.The domestic related research is still in the initialstage,the consequence
5、s of the permeation are not clear,and the research method is not mature.Basedon the gas permeation behavior in the pipe,the possible harm caused by the permeation is illuminated.The current mathematical models,experimental methods,and field test methods of flexible pipe per-meation at home and abroa
6、d are analyzed in detail.The prediction models of fluid permeability in inflex-ible pipes are compared and evaluated,and the factors that should be included in future model con-struction are expounded.The following focused points are put forward:material experiments should fo-cus on the permeability
7、 properties of different materials under different working conditions.The sampletube experiments and the full-scale experiments should focus on the simulation of the shielding effectand other influencing factors.The existing field testing methods are systematically reviewed.The testingshould focus o
8、n continuous monitoring of annular residual volume,detection of annular fluid composi-tion,and detection of outer damage.Keywords:deep water oil and gas;flexible pipe;gas permeation;annular detection;model predic-tionDOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2024.04.004*基金论文:中国海洋石油有限公司项目“深水油气输送软管内部气体渗透模拟及控制技术研究”
9、(2020OT-JY05)。19集输处理姚佳锐等:深水油气输送软管内部流体渗透规律研究进展*油气田地面工程 https:/海洋油气输送软管是连接水下生产系统和浮式生 产 储 油 船(Floating Production Storage andOffloading,FPSO)的主要结构形式1,与钢制海管相比,能够节约安装时间,降低安装费用,是我国实现海上油气自主开发急需的关键技术装备。截止2021年,全球在运的海洋油气生产立管中约 85%为柔性管,而输送软管生产、运维技术主要由少数国外公司 Technip、NKT 等垄断。自“十一五”起,由中海油研究总院联合国内相关科研院所,依托国家科技重大专
10、项“深水海底软管和立管关键技术”课题,开展深水油气输送软管关键技术攻关和国产化研发2。由于软管固有的特殊管壁结构,高温、高压的复杂内部流体介质在外部低温、高压的深水环境下,易随压力、温度、浓度梯度的推动逐渐渗透塑性承压层,在管壁环空内不断积聚、冷凝而产生憋压、腐蚀等3。挪威石油安全局统计了近年来柔性管道各类型失效事故的占比,骨架层失效事故的占比接近全部输送软管事故的 30%,严重事故中约45%是骨架层失效事故,而骨架层失效大多是因为渗透造成的环空憋压4。受限于材料,输送软管内部天然气等流体向环形空间的渗透不可避免,这对输送软管的生产制造及使用中的运行状态评估都提出了更高的要求,虽然学者们针对此
11、问题做了一些工作5-8,但针对软管内部流体介质渗透到环形空间的渗透规律进行研究的很少。2018 年由国家自然科学基金资助了“深水油气柔性立管多场热质耦合迁移及冷凝机理研究”偏基础研究项目,相关应用性研究亟待跟进。为拥有更成熟的柔性复合管制造工艺,掌握先进的柔性复合管气体渗透情况评估手段,需要解决以下问题:国内已经投入使用的输送软管数量较少,使用时间较短,一些输送软管虽已检测到气体渗透情况,但尚不明确渗透给软管安全带来的潜在威胁;国内输送软管气体渗透的研究尚处于起步阶段,实验和现场测试较少。为获取大量有价值的数据支撑理论研究,需要可用的实验方法和现场测试方案;计算输送软管气体渗透的模型被 NKT
12、 Flexi-bles、Wellstream 等国外柔性复合管生产商垄断,针 对 此 问 题 的 联 合 工 业 项 目(JIP)成 果 保 密。ANSYS FLUENT、ANSYS CFX等流体仿真类软件只能模拟不同相态流体之间的相间渗透,不能计算气体向固体中渗透的情况,OLGA、LEDAFLOW 等流动保障商用软件同样尚不具备模拟软管气体渗透的功能,需要可用的柔性复合管气体渗透模型。基于此,本文从输送软管的结构出发,分析输送软管内部流体的渗透行为及渗透对软管安全造成的威胁,梳理并评价现有国内外先进的模型构建、实验验证及现场测试方面的研究进展,提出今后的研究方向,以期为后续进行相关模型构建及
13、规律研究提供参考。1气体渗透行为与危害非粘结输送软管作为深水油气输送软管的主流结构(图 1),由多个相互之间没有固定连接的独立层组成,由内而外依次为:骨架层、内承压层、抗 压 铠 装 层、耐 磨 层、抗 拉 铠 装 层 和 外 包 覆层9-10。各层承担不同的功能(表 1),允许层间相对位移,具有动态结构及良好的弯曲柔性。图 1非粘结输送软管结构Fig.1 Flexible riser structure内承压层一般由聚偏氟乙烯(PVDF)、高密度聚乙烯(HDPE)、尼龙(PA)等典型高分子聚合物制成,PVDF 因具有良好的耐温、耐化学腐蚀、耐候性及较好的力学性能,逐渐替代传统高密度HDPE
14、等高聚物成为输送软管在高温集输领域中内表 1各结构层的功能及材料Tab.1 Function and material of each structural layer结构层骨架层内承压层抗压铠装层耐磨层抗拉铠装层外包覆层功能支撑内管,防止内管压溃形成输送流体的密封承压层抵抗环向荷载,增强软管抵抗内压及外压的能力防止金属与金属接触磨损抗内压和轴向拉力抗机械损坏,防止海水侵入材料碳钢、铁素体不锈钢等HDPE、PVDF、XLPE 等碳钢、不锈钢等PA、PVDF 等碳钢、不锈钢等PE、PA11等20第 43卷第 4期(2024-04)油气田地面工程 https:/集输处理承压层的最佳材料11,但其无
15、法避免气体分子自由运动造成的渗透12,输送软管内部的气体渗透也主要发生在这一结构层。气 体 在 内 承 压 层 的 渗 透 符 合 溶 解 扩 散 机理12,渗透过程可以分为四步:天然气各组分小分子附着在高聚物内表面;气体小分子在附着边界发生溶解,进入聚合物内部;各组分气体小分子在聚合物内部由高浓度侧向低浓度侧扩散;经扩散到达聚合物另一侧的气体小分子发生解吸附。气体经渗透过程在内承压层外壁解吸附,进入软管环空区域,即输送软管外保护套和内承压层之间的区域,两结构层间虽充满承压结构和金属增强材料,但整个环空存在 5%15%的间隙,渗透过来的气体留存在环空区域空隙中,对软管安全构成威胁。随着时间的推
16、移,环空中的气体聚积,压力也随之上升,压力过高可能导致外包覆层破裂或骨架层被压溃,因此,定期放空环空是海上软管系统的常见操作。输送软管的停输等减压过程也存在风险13,当内管气体从软管的一端释放时,内管内的压力迅速响应;然而,被困在环形间隙中的气体通过管件端部间隙的狭窄开口缓慢释放,导致软管沿程的环形空间压力变化相对缓慢,内承压层外部压力大于内部压力,产生压差。由于流体流动特性,软管沿程各点的压差是减压速度和软管长度的增函数:当内管减压很慢时,气体有足够的时间从环形空间中释放出来,内承压层外部的压力积累较小;由于气体从长而薄的环形空间中释放会受到限制,更长的软管中会产生更高的压差。压差过大会导致
17、骨架层和内承压层的压溃,评估压差大小和防止管体压溃非常重要。因此输送软管需配有控制系统、关闭阀门和监测设备等安全减压设施,控制减压速度是其软管系统设计和安全操作的重要内容。环空中持续积累的气体压力还会导致冷凝水的生成。当水蒸气压力超过饱和蒸汽压时,环空中有冷凝水生成。由于大多数运行中的输送软管都采用定压放空的方式应对内部气体渗透导致的环空压力上升,每次放空后水蒸气压力都低于饱和蒸汽压,所以冷凝水的质量不是随时间线性变化的,而是周期性变化且总质量不断增加。WANG 等8通过实验对比证明环空气体放空可以延缓冷凝液的生成,但很难通过放空控制环空气体冷凝液的增加,最终环空中冷凝液的总质量基本不受放空影
18、响,已生成的冷凝水无法从环空中排出,部分内管流体含气较多的软管管线环空最终可能被浸没,停输后环空温度冷却可能生成水合物堵塞放空系统。2017 年中海油安全技术服务有限公司对海洋石油 116 号 FPSO的 3条 12 in输送软管进行在役状态测试评估,发现19-1立管环空空间已被完全浸没。除升高环空压力威胁软管安全外,渗透的气体还会导致环空金属层腐蚀失效。渗透至环空的气体组分主要是 CH4、CO2、H2S和水蒸气,易溶解于环空中的冷凝水形成酸性腐蚀环境。环空中金属铠装层通常是用碳钢制成,碳钢在此类酸性环境中腐蚀严重。腐蚀速率是渗透速度和环形空间空隙率的正函数14,环空中侵入的氧气和来自海水的盐
19、分都会加重金属铠装层的腐蚀,输送软管又具有动态特性,交变应力和腐蚀环境共同作用,加速应力腐蚀疲劳,大大降低立管强度,减少使用寿命,严重时甚至会导致输送软管发生断裂失效。因此输送软管在设计阶段需要进行腐蚀性能评价,运行期间还需及时掌握环空腐蚀环境的变化情况,这需要对输送软管内部气体的渗透规律有更深入的掌握,拥有能够预测软管渗透情况的手段。2气体渗透模型国外学者在输送软管气体渗透预测模型方面做了大量工作15-20,截至目前描述输送软管内部流体渗透情况的数学模型,一般具有以下共同点:(1)传质方面:渗透机制为溶解扩散原理,分别采用亨利定律和菲克定律描述渗透过程中的溶解和扩散,即C()r0,t=SPu
20、(1)Ct=1rrrDCr(2)式中:C为气体浓度,mol/m3;r0为内径,cm;r为径向长度,cm;S为溶解度系数,mol/(m3MPa);Pu为内管某组分气体分压,MPa;D为扩散系数;t为任意时刻,s。溶解度系数、扩散系数和温度的函数关系均使用阿特尼乌斯方程描述:S=Soexp-Fi8.314()273.15+T(3)D=Doexp-Ek8.314()273.15+T(4)式中:So、Do为指前因子,cm2/h,Fi、Ek为活化能,kJ/mol,均由材料性质决定,可由材料渗透实验测得;T为材料温度,K。(2)传热方面:认为稳态热传导占据主导,不21集输处理姚佳锐等:深水油气输送软管内部
21、流体渗透规律研究进展*油气田地面工程 https:/考虑对流换热、热辐射对输送软管各层温度的影响,不考虑软管沿线的温度变化,只采用一维径向傅里叶定律与一类边界条件计算软管径向各点温度:cTt=rrTr(5)T()r0,t=Tin(6)式中:为材料密度,kg/m3;c为材料比热容,kJ/kgK;Tin为管内壁温度,K;为导热系数,W/(cmK)。(3)混合气体各组分间不发生反应,渗透到环空中的气体也不发生任何化学反应,包括腐蚀。考虑腐蚀就需要掌握环空中发生腐蚀过程中 CO2、H2S 和 H2O 的消耗速率,因腐蚀机理复杂、有效腐蚀面积难以确定,现有模型大多不能预测腐蚀速率。然而进行现场生产立管的
22、放空气体组分检测时一般会出现氢气,证明渗透进环空的各种酸性气体都有不同程度的消耗。这也是大多数模型在预测环空中酸性气体含量偏向保守的原因之一。(4)建模时基本都考虑了以下因素:金属层屏蔽因素、气体渗透滞后效应、外包覆层渗透、环空区域冷凝水,只是具体计算方法有所区别。这些模型预测结果在与中、小尺寸实验及生产立管现场测试结果对比后普遍存在以下问题:预测模型计算得到的环空压力升高速率、渗透速率、放空气体流量等结果大多偏大,只有内管气体组分单一时预测结果比较贴近实验值及测量值,这与模型所做假设在腐蚀角度上偏向保守有关,也与模型忽略环空发生腐蚀时会消耗大量酸性气体有关;由于不同气体的滞后时间和分压不同,
23、稳态模型环空中某时段 CO2、H2S 和 H2O 的含量会低于瞬态模型,稳态模型不能预测组分分压高于稳态的持续时间和峰值,不能满足研究环空金属氢致开裂和应力腐蚀开裂的需求。近年来 WANG 等8提出了较完善的输送软管气体渗透问题模型,集成三个部分:从海底到海平面内管的多相管流;从内管通过多层管壁到海水的传热过程;从内管到环空和海水的传质过程。相较于前人,此模型在多相管流及传热方面做出了较大改进。模型能够判断输送软管垂直管段生产过程中可能出现的流型,根据不同流型模型计算出持液率和压降,结合持液率和压降计算具体的气体渗透情况;预测结果表明,不同流型的气体渗透率可能相差两倍以上,充分说明了在输送软管
24、气体渗透模型中区分多相管流流型的必要性。传热过程的数学描述着眼于瞬态传热,与第三类边界条件相结合,考虑了软管沿线温度和压力的变化、金属层之间的热阻以及管外海水与外包覆层之间的对流换热等;一旦海洋输送软管由于台风、设备维护或其他原因停输,此模型中包含的瞬态传热模块能够计算停输期间的水冷凝过程,为预测水合物的形成、冷凝水或环空中可能出现的其他问题提供热力学参数。求解时将控制体积法和有限差分法相结合,对传热传质控制方程进行了有效求解。虽然此模型对以往输送软管渗透模型做了补充与完善,但仍未考虑环空中腐蚀所消耗的酸性气体;且由于缺乏输送软管渗透问题的实验数据及现场测试数据,只采用商业软件验证了模型的多相
25、管流和传热部分,用静态管流的软管实验验证了渗透部分,可靠性有待进一步验证。3实验方法与装置输送软管内部气体渗透问题的本质是各种气体与不同高聚物材料之间的渗透问题,因此材料渗透实验会从根本上展现输送软管中的气体渗透规律,通过材料实验能够得到不同材料气体组合渗透过程中的溶解度系数、扩散系数和渗透系数,掌握这些重要参数将对后续软管渗透问题的研究具有重要指导意义;样管或原型管等更贴近输送软管的物理模型,能更好地模拟深水输送软管的运行状态,实验结果能反映金属屏蔽效应等对气体渗透的影响;这些实验的意义不只在于从实验数据中分析得到的材料渗透特性,还在于能为后期建立预测渗透情况的数学模型提供数据支持,对数学模
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