超大型段塞流捕集器建造技术研究与应用

摘 要：简述了珠海高栏终端采用的超大型段塞流捕集器的关键设计技术特点。详细介绍了项目建造技术的创新及其应用，通过研制国内最大口径、大壁厚、超长、高压输送天然气钢管实现工厂模块化制造，采用优质高效的焊接工艺，并创造性的将智能监控技术运用于大型压力试验中，建造技术的创新应用和严格的质量控制确保了项目高质高效的完成。

关键词：段塞流 捕集器 超长 高压钢管 模块化制造 智能监控技术

中图分类号：TE9 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）02（a）-0018-04

南海深水天然气珠海高栏终端位于珠海市高栏港经济开发区，距广东省珠海市区约60 km，荔湾3-1气田、番禺34-1/35-1/35-2气田的天然气通过海底管道输送到该终端处理厂进一步处理，然后提供给广东管网并预留给香港用户的接口。

由于海管内介质气液比大，海管登陆高程高，易产生严重的段塞流，影响终端内正常的安全生产。段塞流捕集器作为海管登陆的首站设备，能够有效捕集和分离液体，在液塞达到时，同时作为带压液体的临时储存器，连续稳定地向下游供气，确保下游设备正常工作[1]。

1 设计特点

珠海高栏终端段塞流捕集器设备长度约为204 m，宽度约为93 m，占地面积约为1.9 hm2，是目前世界上最大规模的段塞流捕集器。主要参数如下：

天然气最大处理量：120×108S m3/a；

液相最大稳态流量：682 m3/h；

液相最大瞬时流量：12 000 m3/h；

有效储液容积：7 000 m3；

操作压力：6.9 MPaG @10℃～30℃；

设计压力：8.0MPaG @50℃；

分离精度：100%去除70 μm以上液滴；

地震加速度：0.15 g。

项目采用国际上最先进的设计技术，并且针对超大型段塞流捕集器的特点，创新的运用新技术、新材料和新方案，对设计方案进行了优化。优化后的段塞流捕集器具有如下显著特点[2]：（1）顺向流设计，存储能力大；（2）占地面积最小；（3）优异的抗载荷设计；（4）高效的两级分离设计；（5）模块化的管汇设计。初始设计的段塞流捕集器由两个完全相同的处理区域组成，各自承担50%的分离和储存任务，在天然气入口和出口处均设置有电控阀门，使两部分能够独立运行和检修。然而，此设计型式将使得各分离管汇和排液管汇等部件的单体长度>35 m，管汇部件的单体重量>50 t，分离管汇的组合重量>100 t，以致管汇的工厂模块化制造难以实现，且运输和现场吊装也面临极大困难。因此，最终将每个处理区域再分成两个处理单元（优化后的段塞流捕集器设计形式如图1所示），每个处理单元包含7列储液指管及相应管汇，各自完成总流量25%的分离和储存功能，这样，优化设计后的管汇单体长度约为18 m，管汇部件的单体重量≤30 t，大大降低了管汇的工厂模块化制造难度。

2 建造技术研究与应用

2.1 国内最大口径高压输送天然气钢管的制造

（1）根据优化的设计方案，珠海高栏段塞流捕集器储液部分由28列172 m长的管道组成，储液指管采用φ1 422.4 mm（56英寸）×28.6 mm的X65M直缝埋弧焊钢管作为主管道。由于段塞流捕集器的安全性要求极高，且考虑管道安装现场为平山区，施工条件受限，故对钢材的理化性能、成型长度、尺寸偏差和表面质量等有着最严格的要求。大口径、大壁厚、超长板、超长管的试制开发工作难度极大，主要体现在如下几方面。

①钢材需要承受很大的内压、外压和暗流冲击，在保证高强度和优异的低温断裂韧性的同时，还要求钢板、钢管横向具有低的屈强比和高的延伸率，而随着强度的提高，实现强、塑、韧性良好匹配的难度急剧上升，且在制管过程中加工硬化效应显著，钢板、钢管的屈强比控制困难。

②该项目采用X65M直缝埋弧焊钢，管径和壁厚大，平均成型长度要求>17 m，达到钢管冷成型极限，制管难度极大。

③尺寸偏差和表面质量要求严格，大批量生产控制难度较大。

（2）针对管线钢的显著特点和上述难点，在钢板和钢管生产中采用“小量铁素体+贝氏体”的针状铁组织设计思路，在合金设计中采用低碳和低碳当量以保证钢的焊接性能；采用两阶段控轧技术，同时采用适合于UOE成型工艺特点的高精度成型工艺过程仿真系统，结合宝钢UOE的设备条件，优化工艺并实施全面的过程质量监控，最终获得了稳定的合格产品。此段塞流捕集器采用的高压输送天然气用钢管与国内外同类产品对比，具有以下特点。

①该钢管是迄今为止国内首次使用的最大口径的高压输送天然气用钢管，且批量成型长度达到同类钢管的最长长度。

②具有更高的纯净度、更好的韧性、低的屈强比，实物质量可满足SHELL、DNV等标准的要求，钢管P、S含量达到海底管道的要求。

③钢管的错变量、焊缝余高、钢管直径、管壁厚度、直度、椭圆度、管端切斜等几何尺寸均符合技术规格书及标准要求，部分指标远超API 5L-2011和GB/T 9711-2011的要求。

钢管主要的机械性能、几何尺寸指标对比如表1和表2所示。

由于钢管的优异的成型长度，现场建造时节省了大量的组对焊接工作量，对比12 m/根的成型长度，17 m以上/根的成型长度使得现场焊口数量减少1/3，缩短工期约两个月；由于钢管的优异的成型尺寸，现场建造时大大提高管口对接的效率，同时保证管道与马鞍型管支座的弧度匹配；由于钢管的优异的机械性能和可焊性，段塞流捕集器的质量得到严格保障。

2.2 优质高效的现场焊接工艺技术的运用

段塞流捕集器建造现场位于高栏港炸石平山区域，环境恶劣（粉尘多，毗邻海边，风速、湿度大，早晚温差大），后续使用时需承受内部流体的冲击、内压、腐蚀、以及热膨胀应力、风载等的反复疲劳破坏；且主体管材为X65M低合金高强度钢，管线长度达6 000 m，工程量巨大，目标工期短，故保证焊接质量对于后期油气田的安全生产至关重要。

2.2.1埋弧自动焊（SAW）成功应用于现场施工

针对该材质的大口径厚壁管焊接，进行了4组焊接工艺试验，试验结果如表3所示。

经过充分研究论证，SMAW+SAW焊接方法可以获得比纯手工焊高一倍的速度和最稳定的质量，但该焊接方法存在局限性，其不适合固定管的全位置焊接，并且需要类似车间的良好的防风防雨环境。为克服上述局限性，最大化地将SMAW+SAW焊接方法运用于恶劣的施工现场，大幅提高焊接效率，并保证稳定的焊接质量。采取了以下的主要方法。

（1）将建造工序合理划分为地面预制和支墩上安装两个阶段，在考虑吊机载荷能力后，在地面预制中将钢管组对接长至36 m。这样，约50%的建造工作量转移到地面进行，大大节省了支墩上高空安装和焊接工作量。

（2）采取快速的可移动式焊接工棚，保证长钢管吊运的同时可快速地进行SAW焊接保护。

2.2.2 变角度的单面复合V型坡口设计

综合研究坡口设计因素和现场施工条件，通过多种方法的试验比对（各种坡口型式优缺点比较如表4所示），最终确定坡口型式为变角度的单面复合V型，并在角度设计时充分考虑可操作性和最优的金属填充量。通过试验验证，该坡口型式不论在安全方面，还是工艺方面都具有较高的执行性。同时将坡口制备安排在钢管出厂前完成，并设计专用保护罩加以保护，大大节省现场坡口处理工作量。

最终实践表明，该设计形式满足了现场建造安装施工要求，保证了焊接质量，并且最大程度地提高了焊接效率。

2.3 智能监控技术在大型压力试验中的运用

根据设计标准规范要求，段塞流捕集器在无损检测合格后须进行耐压试验和泄漏试验，水压耐压试验压力为设计压力的1.5倍，气体泄漏试验压力为设计压力。该套段塞流捕集器的设计压力高（8.0 MPaG），规模世界最大，周围其它工程作业多，同时环境温差变化大，安全高效地完成压力试验成为项目的难点。经过多次研讨论证，创新性地将油田生产时所用的智能监控技术运用到大型压力试验中。

（1）在安全区域设立智能监控室，配置压力和温度监测系统、视频监控系统、广播系统和远程紧急关停系统。

（2）依据设计特点，段塞流捕集器整体分成4个处理单元，每个处理单元包含7列储液指管及相应管汇，且采用1/100倾斜设计（东侧入口分离管汇高点与西侧出口排液管汇低点之间的高度差近10 m），故压力监测系统设置为八个监测点，分别连接到四个处理单元的最高点和最低点。

（3）在东侧入口分离管汇高点与西侧出口排液管汇低点分别设置温度传感监测。

（4）为远程监测泄漏情况，在四个处理单元的入口阀组、出口阀组、管汇法兰口等易泄漏点设置可调角度的变焦摄像监控，减少人员进入检查的频次。

（5）由于区域较大，为确保安全，避免无关人员进入，在整个段塞流捕集器四周均布置360度视频监控摄像头和高音广播。

（6）在监控室设置压力试验设备的紧急关停按钮，发现异常时可第一时间关停增压设备。

严格的质量控制及智能监控技术的运用使得珠海高栏段塞流捕集器水压耐压试验和气体泄漏试验均一次性成功完成，试验过程未影响周围其他区域的工程施工。

3 结语

目前，段塞流捕集器已投入使用且运行良好。珠海高栏终端的超大型段塞流捕集器无论是规模还是工艺性能均属国内首例，通过总结其设计、建造技术的创新和应用，对同类设备的设计建造具有重要的参考借鉴价值，能很大程度的提升设计和建造水平，缩短项目工期，降低项目成本，对提高经济效益和社会效益具有重要的意义，可促进海洋工程行业快速、高质量的发展。

参考文献

[1] 孙旭，陈文峰.荔湾气田中心处理平台段塞流捕集器控制方案研究[J].新技术新工艺，2014（4）：71-74.

[2] 吉宁，王磊，孙雪琼.超大型管式段塞流捕集器的设计与应用[J].新技术新工艺，2016（2）：26-28.