ADNOC陆上管道设计项目实践及探讨

程浩力 薛建新 张吉明 夏茂进 何 煦 郝天宇 张连来 蔡峰峰

中国石油工程建设有限公司北京设计分公司, 北京 100085

0 前言

1939年,壳牌(Shell)、英国石油公司(BP)、美孚(Mobil)、埃克森(Exxon)、合资开采公司(Partexg)、法国石油公司(CFP)等6家石油公司在尚处于英国控制下的阿布扎比获得石油勘探和开采权后合资成立“石油开发公司”(后更名为阿布扎比石油公司,ADPC)在开采区域内进行石油勘探和生产。1971年阿联酋独立后,阿布扎比国家石油公司(ADNOC)成立,参股ADPC 25%后将其改名为阿布扎比国家石油公司陆上公司(现名ADNOC Onshore,目前石油产量占ADNOC石油总产量的一半以上)。1974年,ADNOC代表政府对ADNOC Onshore控股提升至60%,SHELL等6家外国石油公司占股40%。这些国际石油巨头作为阿联酋石油业的鼻祖,对阿联酋石油工业的影响根深蒂固,6家外国股东提供技术、设备、资金支持,提供管理人员并负责培训。依靠西方国际大石油公司建立和发展起来的阿联酋石油工业,形成了完善的国际管理、生产、技术体系,其准入程序严谨、质量管理要求高、环境保护要求高。属于高端油气市场,也是中东地区政治和安全风险最低的油气资源国。

中国和阿联酋能源合作在中国“一带一路”倡议带动下不断取得突破。自2013年至今，中国石油获得了4项ADNOC海陆油田开发项目的权益。2008年,中国石油工程建设公司(CPECC)相继承担了阿布扎比原油管线、阿萨布油田、曼德油田等项目建设。2017年11月CPECC与ADNOC Onshore签订了阿布扎比最大的陆上油田BAB油田EPC总承包项目合同,合同金额高达15.2亿美元。本文借助正在实施的BAB油田项目部分工程设计经验,对由西方石油巨头建立起来的ADNOC Onshore工程设计规范中的管道设计施工部分进行简单介绍,希望对今后阿联酋及同样受SHELL、BP、EXXON MOBIL等公司影响的其他中东海外油气田项目的陆上集输管网和长输管道工程设计起到一定借鉴和指导作用。

1 ADNOC管道设计规范体系

近百年来,国际石油巨头Shell作为阿联酋石油工业的开拓者,至今仍对ADNOC掌握部分权益,对ADNOC实施规程的影响最为深刻。ADNOC Onshore技术中心以Shell DEP为基础开发和编制了ADNOC Onshore的Engineering Specification(以下简称ES)标准体系。根据自身环境和条件,ADNOC Onshore技术中心也对某些shell DEP标准进行了增补/修订,并编制了增补技术规定。

1.1 工程设计总体要求

ADNOC Onshore的规范规定,其项目管道设计所执行的规程、规范和标准,需按表1顺序执行。

表1 ADNOC Onshore设计执行文件优先顺序表

ADNOC Onshore规范明确要求,当优先等级相同的文件之间发生冲突时,应按最严格要求执行。在这种情况下,承包商应使用技术查询表(TQ)以书面形式提供最严格要求的解释以获得ADNOC Onshore批准。ADNOC Onshore拥有采取哪种做法的最终决策权。

1.2 ADNOC Onshore的主要管道标准规范

ADNOC Onshore的主要管道标准涵盖埋地管道/地上管道的设计及施工,主要管道标准为30.99.12.0026Specification for Above Ground Pipeline Construction(地面管道施工规范,以下简称ES 30.99.12.0026)、30.99.12.0028Specification for Underground Pipeline Construction(埋地管道施工规范,以下简称ES 30.99.12.0028)、30.99.12.0029Specification for Pipeline Upheaval Buckling Methodology(管道隆起屈曲原理规范,以下简称ES 30.99.12.0029)、30.99.12.0032Pipeline Basis of Design(Underground Pipeline Systems)(埋地管道设计规范,以下简称ES 30.99.12.0032)、30.99.12.0033Pipeline Basis of Design(Aboveground Pipeline Systems)(地上管道设计规范,以下简称ES 30.99.12.0033)。

ES 30.99.12.0026、ES 30.99.12.0028、ES 30.99.12.0032、ES 30.99.12.0033规范是ADNOC陆上管道设计施工的基础,分别针对埋地管道和地面管道的设计及施工作了详尽的规定。ADNOC Onshore的ES 30.99.12.0032规定了陆上埋地管道系统(金属)及相关设施的可研、初设和详细设计过程中，应适用的设计准则、原理和标准方法,适用于ADNOC Onshore的整个埋地管网,包括输油干线、原油输送管线、气举/采气管线、注气汇管/次级汇管及单井管线、N2管道、采出水回注汇管、ASME B 31.4-2019Pipeline Transportation Systems for Liquids and Slurries(以下简称ASME B 31.4)/ASME B 31.8-2018Gas Transmission and Distribution Piping Systems(以下简称ASME B 31.8)规定的其他埋地管线及项目特殊要求的管线。ES 30.99.12.0033规定了陆上地上管道系统(金属)及相关设施的可研、初设和详细设计过程中，应适用的设计准则、原理和标准方法,适用于ADNOC Onshore的整个地上管网(地面或架空),包括采油管线、注水管线、采气管线及ASME B 31.4/ASME B 31.8规定的其他地上管线[1-2]。

1.3 ADNOC Onshore关于壳牌DEP的补充规定

ADNOC Onshore对Shell少量规范进行了补充要求,同样作为自己设计及施工的依据,涉及到的主要管道标准为30.99.00.0044.1Pipeline Engineering Amendments/supplements to DEP 31.40.00.10-Gen(管道工程,以下简称ES 30.99.00.0044.1)、31.40.40.38 AHydrostatic Pressure Testing of New Pipelines amendments/supplements to DEP 31.40.40.38-Gen(新建管道水压试验规范,以下简称ES 31.40.40.38 A)、30.99.23.0114Precommissioning of Pipelines Amendments/Supplements to DEP 31.40.50.30-Gen(管道预试运规范,以下简称ES 30.99.23.0114)。

2 管道路由设计要求

2.1 总体要求

同国内油气管道设计规范[3-6]GB 50253-2014《输油管道工程设计规范》(以下简称GB 50253)、GB 50251-2015《输气管道工程设计规范》(以下简称GB 50251)、GB 50350-2015《油田油气集输设计规范》(以下简称GB 50350)、GB 50349-2015《气田集输设计规范》(以下简称GB 50349)无一例外罗列一堆技术理由后,点明要求“技术经济比较”确定路由走向不同的是,ADNOC Onshore的两大设计规范ES 30.99.12.0032及ES 30.99.12.0033在路由选择章节,开篇仅用一句话明确表示“选线应充分考虑相关风险,特别是安全和环境风险,管道可施工性,维修和检查方便性等”。ADNOC Onshore的整个规范基调未过分强调经济性,而是无处不透漏出针对安全/环境及可施工/利于运营维护的要求,这种思路也是受西方石油巨头成熟的工程及安全健康管理理念的影响。

2.2 选线要点

经过几十年的发展,ADNOC Onshore油田已形成成熟的油气管廊布局,ES 30.99.12.0032及ES 30.99.12.0033明确要求管道路由应沿已有单井管线/管廊敷设,路由设计应考虑的基本原则主要有:

1)将多条管道/单井管线的路由选在共同的管廊。

2)尽可能减少各段长度以缩短路由长度。

3)减少沿线穿越点。

4)尽量减少对邻近设施、道路和伴行路的阻断/干扰。

5)易于及方便施工。

6)根据ADNOC Onshore的HSE体系文件(ES 30-99-91-003)和项目HSE体系文件要求,确保满足最小安全净间距。

7)避免或尽量减少对自然环境和生态的干扰。

8)选线避免地震活跃区。

9)路由需要符合HSE要求和环境法规。

管廊设计的要求贯穿于ADNOC Onshore的两大设计规范ES 30.99.12.0032及ES 30.99.12.0033的很多章节。管道出井场后立即并入最近的管廊并沿管廊一直敷设至脱气站,脱气站中的产品则由集输干管沿管廊输送至集中处理站(联合站)。管廊化设计首先利于后续管道的规划设计,设计人员利用管廊已建管道信息,能很快确定管道布置方案并减少管道穿越工程量;对于施工来说,管廊化便于同期管道一并施工及调配施工资源,管廊中巡检道路也可以作为施工便道,方便材料运输,当管廊中修建的施工便道完成施工任务后,又可作为管廊内所有管道的巡检道路;管廊利于运营维护,当沿管廊中的巡检道路巡护时,可同时兼顾查看周边数条管道的状况,极大节省了人力物力。

ADNOC Onshore的设计规范除了重点要求管廊化设计外,也对伴行道路做出了明确规定,并对施工中可能对道路的阻断提出了措施要求。ES 30.99.12.0032及ES 30.99.12.0033对其他要求如下:

1)如果同一项目中要建设多条管道,管廊设计应适应当前和未来规划。在管廊内,埋地管道应布置在一侧,地上管线单独布置在另一侧(即分别集中布置)。

2)在接近集输站/集中处理站(联合站)前,所有单井管道及管道应集中布置在主管廊。

3)管廊内管线的布置应符合埋地管道/地上管道的安装时序,以尽量减少管道交叉穿越。

4)埋地管道和地面管道之间应具有便于操作、维护和检查的空间,并要预留将来安装其他管道及单井管线的空间。

5)在概念设计阶段,管道路由采用内业设计。在初步设计(FEED)和详细设计(EPC)阶段,应通过现场踏勘进一步验证路由,并基于地形勘测情况进行确认。条件允许的情况下,路由应尽可能沿现有管廊布置。

6)埋地管道一侧应设置1条最小宽度为6 m的伴行路。当新建管道在管廊中敷设时,能够充分覆盖所有管道的共同伴行道路设计要求。为便于管道的维护和修理,道路一侧最多可供3～4条同沟敷设管道的使用。

7)当管道路权带/管廊阻碍油田或任何现有设施的出入时,需要修建除非供钻井设备及车辆使用的绕行路。

8)对于埋地管道,路由选择时应充分考虑500 m内110 kV及以上架空电力线路对于平行敷设的金属管道的影响。在这种情况下,阴极保护的设计应由专业的阴保工程师执行。

2.3 管道间距及保护控制区

相比国内标准,ADNOC Onshore对HSE的要求普遍较高,站外管道常见的新建管道同已建的管道/电力线/光电缆的距离做出了明确要求。而针对居住地/办公场所/建筑物等有人员存在的场所同管道安全间距，未像大部分国内规范直接给出具体数值(经验值),而是要求根据安全评价结果确定,对不同条件更具针对性。由于ADNOC Onshore规定陆上管道应在管廊内敷设,当管道穿越管廊时,应保持最小2.5 m埋深。管道同沟相敷设、相互平行敷设或穿越其他已建设施时最小允许间距见表2。针对常见的已建管道穿越及同沟管道并行要求,ADNOC Onshore规定净间距1 m的要求明显高出国内规范。这一要求虽然增加了土石方成本,但管道运营安全有了更好的保证,极度契合其“选线应充分考虑相关风险,特别是安全和环境风险,管道可施工性,维修和检查方便性等”的最基本原则。

表2 管廊内管道最小间距表

总体而言,ADNOC Onshore对路由的选择主要体现在要求管廊化布置且安全间距要求明确且严格。近年来，国内学者基于工程实践和国内规范对路由选择、国内外油气管道管廊化设计以及油气管道同各类设施的安全间距[7-10]进行了探讨,为工程设计人员提供了有效的参考并拓展了思路,与此同时由西方国际石油巨头建立的ADNOC、Saudi Aramco的路由选择理念不失为一个完善国内设计人员设计思路的学习材料。

3 管道力学设计

管道壁厚计算及应力校核是国内外各类管道设计规范的一个重要组成部分,国内学者也做了探索分析[11]。ADNOC Onshore规范要求管道壁厚应根据ASME B 31.4、ASME B 31.8的规定及壳牌DEP 31.40.00.10的补充要求,由承压能力和组合应力(包括施工应力)及腐蚀余量确定。管道壁厚还应满足API RP 1102-2017Steel Pipelines Crossing Railroads and Highways(以下简称API RP 1102)[12]规定的穿越道路时外加荷载的要求。

3.1 设计系数的规定

ADNOC Onshore设计规范的设计系数主要基于ISO 13623-2017Petroleum and Natural Gas Industries-Pipeline Transportation Systems(以下简称ISO 13623)及壳牌DEP 31.40.00.10Pipeline Engineering(Amendments/Supplements toISO13623)(以下简称DEP 31.40.00.10)规范的规定[13-14],并在自身特色上进行了细化,见表3。由于ADNOC Onshore的油田均处于中东阿拉伯半岛的沙漠地带,因此ES 30.99.12.0032及ES 30.99.12.0033规定ASME B 31.8的一级二类地区(沙漠地区)用于计算管道壁厚的设计系数适用于其一般地段。其他设计系数,需要根据项目的具体要求选择适用ASME B 31.8定义的地区等级,且应适当考虑该地区未来可能的发展。ADNOC Onshore规范对管道类别分类执行DEP 31.40.00.10的规定。除水管道(水基不可燃流体)及主输油干线(Main Oil Line)以外其他的生产管道,均适用于ASME B 31.8。

表3 环向应力设计系数表

3.2 管道壁厚计算及应力分析要求

ADNOC Onshore的设计规范对管道壁厚计算,钢管环向应力/热胀应力/轴向应力/组合应力等直管段应力校核、管道弹性曲率半径计算及弯曲应力校核、道路穿越应力校核、管道屈曲应力校核计算、盐沼地区稳定性校核等做了详细的规定及要求，见表4。

表4 管道壁厚计算及应力分析要求表

4 管道的安装施工

对于沙丘、盐沼地区(沿海及地势低洼的地段)，管道安装的施工及所用材料,国内外学者做了一定的研究[15-20]。ADNOC Onshore油田普遍存在沙漠和盐沼地貌,经过过数十年的工程实践,其规范对此类地区的设计及施工做出了成熟详细的规定。

4.1 地面管道安装设计要求

ADNOC Onshore油田的油气水单井管线通常要求直接在地上敷设,地上管道设计规范ES 30.99.12.0033关于地面管道安装的规定有:

1)所有的地上管道/单井管线应沿地面敷设在盐沼区(Sabkha areas)以混凝土支墩/支架架空敷设。

2)在盐沼地区,单根单井采油/注水管线应在支架上(Hurdles)敷设,多条单井管线/采气管线应在混凝土枕木支墩上敷设。在设计中应考虑Π型弯/膨胀补偿器和所需管道导向器、限位器和锚固点等方面的膨胀控制设计。在盐沼地区管道转向应采用混凝土枕木支墩。

3)混凝土支撑应使管道脱离接触自然地面以保护盐沼环境中的管道。标准混凝土枕木支撑至少高出自然地面600 mm。

4)支撑直径小于219 mm钢管的混凝土支墩间最大跨度应为6 m。在共用混凝土枕木支墩上同期安装的单井管道之间最小间距应为500 mm,而单独安装在混凝土枕木支墩的每条管道间的间距应增加至3 000 mm。

5)无支撑的地面铺设管道应作为无约束管线安装,并应遵循自然地坪标高敷设。

6)在沙地中,采油/注水管道应以1 000 mm最小间距在地面铺设,采气管道/输气管道应在混凝土枕木支墩上敷设。地上管道应考虑采用Π型弯或膨胀补偿器。长直管段或受附近连续道路穿越限制的管段,应设置Π型弯/膨胀补偿器。膨胀的控制措施也应分析以避免间距有限的地面敷设管道间过度的侧向膨胀/运动而使管道彼此叠压。

7)在站场内,为了避免积沙覆盖管道及提供检修通道,所有单井道线应用钢支架支撑(盐沼地区用混凝土枕木支墩)。

8)在不同穿越段(公路、钻井设备路、小路、沥青路、埋地/地上管道及设施)的地上管道，应根据穿越典型图的要求在穿越点采用埋地敷设。

9)在任何情况下,单井管道路由不得在未经批准的穿越点穿越已建单井管道，只能使用经批准/指定的穿越点。

10)在油田开发阶段,管廊应适应当前和未来规划的要求。未来项目中规划设计的单井管道不应放在已建管道中间铺设,除非有足够的空间可用于Π型弯/膨胀补偿器安装和施工活动。实际中应尽可能减少管道穿越。

11)地上管道的施工应遵从ES 30.12.00.0026。

4.2 沙丘及沙地路权带

由于处于阿拉伯半岛,荒漠是阿联酋最主要的地貌,由于沿海季风影响,不乏众多新月形沙丘,给设计和施工带来不小难度。ES 30.99.12.0026和ES 30.99.12.0028对管道在沙丘地段敷设要求如下:

1)承包商应平整通过沙丘和沙地的路权带以满足业主要求。完成扫线的作业带断面一般应遵循自然地形的断面,可以采取一些削填方措施以便于管道的施工及确保弯管安装和下沟操作的安全,同时使得管道满足隆起屈曲计算的最大允许角度。

2)当进行扫线时应对高沙丘进行必要的削方。削除的土石方量应铺在路权带的两侧以尽量减少低处的填方。

3)在保证最小覆土要求的情况下,管沟应遵循路权带的一般断面。当准备路权带时,沿管廊的局部沙丘和靠近管道路由的沙丘应由承包商作为其工作范围的一部分予以清除。

4)沙丘地区管道施工应基于隆起屈曲计算建议的扫线断面。管道断面应符合沙丘地区每根钢管的允许纵向/水平角。

5)当弯曲角度小于允许纵向角时,在纵向和水平转角处应遵循最小弹性弯曲半径。

6)管道安装后应进行隆起屈曲核查。管道下沟后及回填前,承包商应在平坦地区每隔100 m(在沙丘和盐沼地区)测量管顶高程,在高大沙丘和有隆起屈曲趋势的地方应按每10 m间距测量。应向承包商应力分析工程师提供数据,以检查/确认安装后的隆起屈曲研究结果,并确定所有管道沿线所需的阻尼载荷及其位置。

4.3 盐沼地区管道安装设计要求

由于阿联酋油田主要集中在阿布扎比,阿布扎比大部分为荒漠地貌,且由于沿海且地势较低,遍布盐碱滩地,因此其埋地管道设计及施工规范ES 30.99.12.0028、ES 30.99.12.0032对经过盐沼地区的埋地管道设计施工做了规定,其做法可以作为国内外其他同类地貌油气管道工程的参考。

埋地管道设计规范ES 30.99.12.0032明确规定,含地表水的湿盐沼地区,由于管道存在被水浸泡风险或维护受限,管道不可采用埋地敷设。管道应在管道路权带上方经压实的填充层(Gatch土)上敷设。完工的压实填料高度应至少高于自然地面(水面)及潜水面1 m以上。管道完成安装后,管道必须敷设在gatch土或被批准的材料形成在管堤中。总之,管道应尽可能避免通过盐沼地区。盐沼地区管道典型做法见图1。

a)一般地段做法a)Drawing in general sector

b)水平转角处做法b)Drawing in horizental corner

ES 30.99.12.0028埋地管道施工规范关于盐沼地区施的要求如下:

1)在盐沼地区,完成施工及准备的路权带应至少高于自然地坪(Sabkha)1 m以上。

2)在盐沼地区的施工方式应按图1详细规定执行。管道应按图1所示置于压实层上(Gatch土)。压实层应满足从管道中心到自然地坪1 000 mm的最小厚度。当管道尺寸>508 mm时,管道下方压实层应满足管底到自然地坪的最小厚度应为750 mm。管底应有 150 mm 的垫层。管道就位后,管道周围必须填充厚度150 mm左右的细沙,之后填充经批准的材料(无石头,填充物粒径不得超过75 mm)。

3)管顶至管堤表面Gatch压实层的覆盖厚度不应小于1 m。管堤填材料应润湿且压实。压实方法和压实度须经业主批准。管堤外部需要覆盖0.5 m厚度的经批准的gatch土材料。

4)穿越盐沼地区安装在管堤的已建管道时,新建管道应从已有管道下穿越,最小净间距为1 m。在盐沼地区穿越布置如图1-a)。

5)管堤材料应通过合适的方法以300 mm分层压实,压实密度应不低于95%的标准普罗克特密度垫层。在管堤区,标准普罗克特密度应不低于80%。

6)压实前,应将水喷洒在垫层物料上,以达到最佳的含水量。

7)对于在平坦盐沼地区或高大沙丘与低地之间的转角侧向屈曲,应根据图1-b)实施护堤加固，避免侧向屈曲。

表5 Gatch土材料指标表

5 管道穿越

类似于中国石油的CDP标准图集,ADNOC Onshore技术中心也编制了管道施工典型图集,并规定所有穿越应满足其规范及不同类型穿越典型图的要求。实际操作中,每个项目根据ADNOC Onshore标准图集针对本项目情况，出版本项目的标准图集并报ADNOC Onshore批准后,即可在项目上实施。

5.1 道路穿越

ADNOC Onshore对于道路穿越应力校核的要求执行API RP 1102的要求。在施工方面,ADNOC Onshore对各类穿越有较严格的要求。施工前承包商必须先得到对设施具有管辖权的相关部门书面批准，对道路、作业边界及埋地设施提供安全监护后方可实施。同时所有程序和方案也必须在施工前经ADNOC Onshore审查批准。ADNOC Onshore针对穿越角度、管沟回填以及穿越处管道的保护(安装防护栏)有着更严格的要求,主要规定如下:

1)道路穿越应符合API RP 1102、道路主管部门、ADNOC Onshore规范/典型图的要求。

2)穿越角度应尽量接近90°,但不得小于60°。

3)道路穿越处管沟回填应该在细土回填完成后进行。所有地段均应完成管底150 mm并填充至管顶 200 mm 的细土回填。

4)当从相关部门及第三方取得必要道路中断许可后,小路和低等级路穿越应采用大开挖方式。

5)所有小路和钻井设备路穿越点应根据典型图要求设置钢质护栏,以保护管道免受第三方破坏。

6)钻井设备路穿越应采取大开挖方式。大开挖穿越技术应符合经批准的典型图。

7)所有沥青路和主要道路穿越均应采用无套管的钻孔/水平定向钻技术。

8)为保护已安装管道免遭第三方破坏,所有沥青路穿越应按照典型图要求设置混凝土安全护栏。安全护栏应在管道穿越中心线沿路向两侧延伸5 m。

5.2 其他设施穿越

ADNOC Onshore对新建管道并行或穿越已建埋地设施做出了严格的规定,当新建管道路线沿现有设施敷设时,承包商应确保现有设施的安全并且做相应保护,且须经已建设施运营单位及ADNOC Onshore批准。管沟开挖工作期间,承包商应与有关已建设施运营部门/机构密切协调。承包商应提供临时支撑物或保护构筑物免受损坏所需的任何其他支撑和保护装置。必要时承包商应对从上方和/或下方穿越的公共设施和构筑物予以支撑,以防止任何损坏。穿越已建设施角度和净间距要求见表6。

表6 已建设施穿越要求表

6 管道封存保护及基线检测

由于管道建成后存在不能立即投产的可能性,ADNOC Onshore规定如果管道不能立即投产,需要对管道进行封存保护,管道封存应填充0.15 MPa干燥N2。ADNOC Onshore对基线检测也提出了明确要求:管道完成试运后,24周内应使用智能清管器对除输油单井管道外可清管的输气单井管道、输油主干线、站间管道和外输管道开始基线检测。

7 结论

综合而言,由于受到开创其石油工业的欧美石油巨头影响,ADNOC Onshore规范在高标准要求之外,处处体现了“选线应充分考虑相关风险,特别是安全和环境风险,管道可施工性,维修和检查方便性等”要求，对执行海外油气田地面工程集输管道设计项目的借鉴和指导归纳如下:

1)油田实行管廊化设计,对于单井产量高,储量大的油田有较大的借鉴意义。

2)管道力学设计的保守性,按照设计参数考虑,而非按照运行参数考虑;最小壁厚做出了要求,有类似要求的是沙特阿美标准;而国内,国家标准层面只有GB 50251做出相关要求。

3)针对自身环境特点,提出了地上敷设管道/沙漠敷设管道/盐沼地区敷设管道的设计及施工要求,对其他地区乃至国内管道设计都有一定借鉴意义。

4)管道穿越及并行间距要求较高，较大的间距要求以增加部分施工成本换取施工过程中及运行维护中管道的安全。

5)明确了建成未投产管道要求，由于近年来国内曾出现部分建成未及时投产的管道在试运时乃至运营后腐蚀泄漏,而输油气规范中没有明确要求,因此极有必要在相应规范中增加明确的要求。