(中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 深圳518000)

0 引 言

水下生產(chǎn)系統(tǒng)的測試[1]內(nèi)容和測試方法主要可以歸納為：壓力測試，電氣系統(tǒng)絕緣測試，機(jī)械、電氣接口檢查和控制系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。壓力測試中的外壓測試在有測試接口的壓力容器內(nèi)進(jìn)行，內(nèi)壓測試以加壓泵動(dòng)力為單元，主要測試對(duì)象為液壓接頭；電氣系統(tǒng)的絕緣檢查主要是檢查線間的絕緣電阻；機(jī)械、電氣接口檢查主要是通過測試連接器進(jìn)行接口驗(yàn)證；控制系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試測試則包括電子測試單元、電源臍帶通信單元、控制模塊、閥門單元、傳感器模擬單元的聯(lián)合測試[2]。

按水下生產(chǎn)系統(tǒng)的生命周期又可分為：(1)在建造階段的測試。包括[1-2]：單元測試、工廠驗(yàn)收測試、擴(kuò)展工廠驗(yàn)收測試、系統(tǒng)集成測試、淺水測試和溫降測試。(2)設(shè)備驗(yàn)收階段進(jìn)行的現(xiàn)場接收測試[3]。(3)系統(tǒng)安裝前進(jìn)行的安裝前測試。(4)系統(tǒng)安裝后進(jìn)行的聯(lián)合調(diào)試。這些測試的目的都是為了保證系統(tǒng)可以在安裝后正常運(yùn)行。在系統(tǒng)安裝后進(jìn)行的聯(lián)合調(diào)試結(jié)果則是判定系統(tǒng)是否機(jī)械完工和能否正常運(yùn)行的重要標(biāo)準(zhǔn)。所以，研究聯(lián)合調(diào)試的工作范圍、把握關(guān)鍵點(diǎn)、提前做好風(fēng)險(xiǎn)分析和應(yīng)對(duì)預(yù)案對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)項(xiàng)目的成敗非常重要。

1 南海某項(xiàng)目水下生產(chǎn)系統(tǒng)基本情況

南海某項(xiàng)目氣田位于中國南海北部，采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)模式進(jìn)行開發(fā)。其水下生產(chǎn)系統(tǒng)以海平面劃分，可以分成水下生產(chǎn)系統(tǒng)上部模塊設(shè)備和水下生產(chǎn)系統(tǒng)水下模塊設(shè)備。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)上部模塊的主要設(shè)備包括：1套供電單元(Electric Power Unit，EPU)，1套液壓單元(Hydraulic Power Unit，HPU)[4]，1套主控站(Master Control Station，MCS)，2套上部臍帶纜終端接線箱(Topside Umbilical Termination Assembly，TUTA)，3套操作者控制站(Operator Wokeoffer Station，OWS)和2套工程師控制站(Engineer Wokeoffer Station，EWS)。水下生產(chǎn)系統(tǒng)水下模塊的主要設(shè)備包括：7棵水下采油樹及配套電、液飛纜，2套水下臍帶纜終端單元(Subsea Umbilical Termination Unit， SUTU)，5條臍帶纜，1套中心管匯，2套終端管匯，2套在線管匯，3套管道終端，11個(gè)跨接管和2條復(fù)合海管[5]。

南海某項(xiàng)目氣田臍帶纜的電纜設(shè)計(jì)分為兩用(A和B通道)一備(C通道)。平臺(tái)的馬達(dá)控制中心(Motor Control Center，MCC)向水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供高負(fù)荷電，通過380 V AC/50 Hz和690 V AC/50 Hz電纜輸送到水下生產(chǎn)系統(tǒng)各上部控制模塊單元。平臺(tái)的不間斷電源(Uninterrupted Power Supply，UPS)為水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供低負(fù)荷電和控制電，通過220 V AC/50 Hz電纜、24 V DC的儀表電纜、CAT 5E數(shù)據(jù)電纜和光纖數(shù)據(jù)電纜，將電、數(shù)據(jù)和信號(hào)輸送到水下生產(chǎn)系統(tǒng)各上部控制模塊單元。上部電力單元的輸出為450～690 V AC/1 Ph/50 Hz。系統(tǒng)運(yùn)行過程中如果輸出壓力達(dá)到715 V，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。輸出壓力達(dá)到725 V時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉。平臺(tái)應(yīng)急關(guān)斷(Emergency Shut Down，ESD)設(shè)備通過與MCS和HPU相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)急關(guān)斷控制。

該氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)低壓液壓控制管線，用于水下采油樹上液壓閥門的控制，高壓液壓控制管線用于井下安全閥的控制。水下采油樹設(shè)計(jì)允許在生產(chǎn)通道注入水合物抑制劑甲醇和乙二醇進(jìn)行水合物防治，在井筒注入防垢劑用于防止井筒結(jié)垢。系統(tǒng)使用的液壓油是Castrol Transaqua HT2，液壓油清潔度要求為優(yōu)于SAE AS 4059 6B-F級(jí)。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)的上部模塊到其水下模塊的輸出端為TUTA，TUTA通過臍帶纜與水下模塊相連，實(shí)現(xiàn)供電、信號(hào)通信和其他各種控制。

2 水下生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試

2.1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試初始條件

以南海某項(xiàng)目氣田為例，水下生產(chǎn)系統(tǒng)開始調(diào)試的初始條件主要包括：(1)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的上部模塊各設(shè)備已安裝到海上平臺(tái)，但還未與平臺(tái)設(shè)備進(jìn)行連接。(2)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的水下模塊各設(shè)備已安裝到海底，所有水下采油樹的完井作業(yè)已完成。(3)所有水下生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)試所需的工具和備件已送往平臺(tái)，消耗品(這里特指氮?dú)夂虷T2)供應(yīng)充足。(4)平臺(tái)已具備了水下生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)試所需的供氣、供液和供電能力。(5)從平臺(tái)供電單元接入水下生產(chǎn)系統(tǒng)上部模塊電纜的接地保護(hù)、絕緣和連續(xù)性測試已完成，并可以提供相關(guān)測試報(bào)告；接入電纜的標(biāo)識(shí)清楚。(6)平臺(tái)提供的接入水下生產(chǎn)系統(tǒng)上部模塊的液壓管和化學(xué)藥劑注入管有相關(guān)材料證書，泄漏測試(1.1倍管工作壓力打壓1 h)、清潔度測試(優(yōu)于SAE AS 4059 6B-F級(jí))和連續(xù)性測試已完成，并可以提供相關(guān)測試報(bào)告。(7)在氣田附近海域有一艘?guī)o人遙控潛水器(Remotely Operated Vehicle，ROV)的輔助作業(yè)船待命，調(diào)試期間負(fù)責(zé)在ESD測試階段觀測水下閥門的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況。調(diào)試如果出現(xiàn)問題，則使用該作業(yè)船進(jìn)行水下生產(chǎn)系統(tǒng)水下模塊設(shè)備的檢查。

2.2 水下生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試步驟

整體來說水下生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試分為2個(gè)部分進(jìn)行：第1部分是水下生產(chǎn)系統(tǒng)上部模塊的調(diào)試；第2部分是水下生產(chǎn)系統(tǒng)水下模塊的調(diào)試，即上部模塊和下部模塊一起進(jìn)行的整體調(diào)試。2個(gè)部分的調(diào)試步驟基本一致，區(qū)別在于第1部分的調(diào)試中水下模塊設(shè)備用攜電力測試單元(Portable Electrical Test Unit， PETU)進(jìn)行模擬，第2部分的調(diào)試采用真實(shí)水下模塊設(shè)備與上部模塊進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。上部模塊的調(diào)試必須先于水下模塊的調(diào)試進(jìn)行。

2.2.1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)上部模塊的調(diào)試步驟

水下生產(chǎn)系統(tǒng)上部模塊的調(diào)試步驟包括：現(xiàn)有設(shè)備檢查、進(jìn)行上部模塊設(shè)備與平臺(tái)電液接口的連接、HPU檢查、上部通電、啟動(dòng)MCS、啟動(dòng)HPU、水下通電、調(diào)試MCS和調(diào)試HPU。

(1) 現(xiàn)有設(shè)備檢查。現(xiàn)場人員檢查相關(guān)文件，確認(rèn)水下生產(chǎn)系統(tǒng)上部模塊各設(shè)備已通過工廠出廠測試(Factory Accept Test，F(xiàn)AT)[5-7]。檢查外部接入電液線，確認(rèn)平臺(tái)接入電纜的接地保護(hù)、絕緣和連續(xù)性測試結(jié)果，確保接入電纜的標(biāo)識(shí)清楚。確認(rèn)平臺(tái)接入液壓管和化學(xué)藥劑注入管的材料證書，泄漏測試、清潔度測試和連續(xù)性測試結(jié)果符合要求。

(2) 進(jìn)行上部模塊設(shè)備與平臺(tái)電液接口的連接。進(jìn)行各水下生產(chǎn)系統(tǒng)上部模塊設(shè)備間、上部模塊設(shè)備與平臺(tái)設(shè)備的電纜和液壓管線連接。將PETU打開到水下控制模塊(Subsea Control Module，SCM)模擬模式，用來連接上部控制系統(tǒng)，進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。具體各設(shè)備的連接方式如圖1所示。

圖1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)上部模塊間連接示意圖

(3) HPU檢查。HPU作為液壓和化學(xué)藥劑的動(dòng)力單元可以供低壓液壓為5 000 psi(1 psi=6.895 kPa)，高壓液壓為10 000 psi。HPU中的蓄能器設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，泵的性能設(shè)計(jì)見表2，油罐設(shè)計(jì)見表3。檢查HPU蓄能器壓力是否符合要求，如果不夠，需填充氮?dú)庵练弦蟆y試HPU提供的液壓油是否滿足清潔度要求。

表1 HPU蓄能器設(shè)計(jì)

(4) 上部通電。啟動(dòng)EPU，通過上部供電模塊(Top Offer Modules，TOM)向水下生產(chǎn)系統(tǒng)上部模塊各設(shè)備供電。

(5) 啟動(dòng)MCS。啟動(dòng)MCS，記錄MCS的軟件版次。檢查MCS的5級(jí)賬戶(包括監(jiān)控賬戶、主操賬戶、總監(jiān)賬戶、工程師賬戶和管理員賬戶)都可以正常使用。檢查完畢后開始使用工程師賬戶進(jìn)行聯(lián)調(diào)操作。建立MCS可編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)與其他上部模塊設(shè)備的通信，檢查通信是否正常。

(6) 啟動(dòng)HPU。啟動(dòng)HPU，核實(shí)MCS、OWS/EWS，平臺(tái)生產(chǎn)控制系統(tǒng)和平臺(tái)ESD系統(tǒng)對(duì)HPU的控制正常。檢查儲(chǔ)油罐和回油罐液位和泵出口的壓力值。檢查HPU各功能和報(bào)警系統(tǒng)是否運(yùn)行正常。具體參數(shù)見表2～表4。

表2 HPU泵的性能設(shè)計(jì)

表3 HPU油罐設(shè)計(jì)

表4 HPU報(bào)警設(shè)置

(7) 水下通電。確認(rèn)EPU的水下供電模塊(Subsea Offer Module，SOM)供電正常。

(8) 調(diào)試MCS。檢查MCS PLC與MCS PC通信正常，其讀數(shù)顯示和OWS、EWS、PCS ICSS讀數(shù)一致。

(9) 調(diào)試HPU。再次檢查HPU內(nèi)循環(huán)的液壓油是否滿足清潔度要求。關(guān)閉TUTA通往水下的隔離閥。開始調(diào)試HPU液壓系統(tǒng)，使其正常向TUTA供液壓。檢查TUTA出口的液壓油是否滿足清潔度要求。使用平臺(tái)ESD系統(tǒng)對(duì)HPU進(jìn)行ESD 0級(jí)泄壓關(guān)閉測試。這一測試的合格標(biāo)準(zhǔn)是泄壓后HPU低壓和高壓出口壓力都泄為0。

(10) 上部模塊聯(lián)合調(diào)試。上部模塊未和水下模塊連接之前，PETU打開到SCM模擬模式，用來連接上部控制系統(tǒng)，進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，確保上部模塊運(yùn)行正常。驗(yàn)證MCS可以通過A和B等2個(gè)通道讀取模擬的水下控制模塊的信號(hào)。驗(yàn)證MCS可以操作模擬的水下液控閥門的開關(guān)，并記錄各閥門開關(guān)響應(yīng)時(shí)間。驗(yàn)證MCS可讀取模擬的各水下儀表的相關(guān)數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)結(jié)果和PETU設(shè)施的模擬值一致。

(11) ESD測試。ESD關(guān)斷可以通過按動(dòng)ESD按鈕、從DCS發(fā)出指令或從MCS發(fā)出指令實(shí)現(xiàn)。在ESD測試前需確保PETU模擬的水下井口都處于生產(chǎn)狀態(tài)(生產(chǎn)通道閥門開啟)。驗(yàn)證系統(tǒng)可以進(jìn)行各級(jí)別的ESD關(guān)斷。

(12) 發(fā)證。上部模塊測試結(jié)束后，頒發(fā)上部模塊測試合格證書?？偨Y(jié)上部模塊測試遺留問題。

2.2.2 水下生產(chǎn)系統(tǒng)水下模塊的調(diào)試步驟

(1) 遺留問題檢查。現(xiàn)場人員檢查上部模塊測試合格證書和遺留問題清單。確保上部模塊具備與水下模塊進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試的條件。

(2) 水下設(shè)備在位狀態(tài)檢查。根據(jù)安裝承包商安裝記錄，確認(rèn)2個(gè)SUTU，3個(gè)水下管匯(PLEM 1、PLEM 2和CM)，7顆水下采油樹及其相關(guān)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)水下模塊設(shè)備已在水下安裝就位。

(3) HPU檢查。啟動(dòng)HPU，檢查HPU蓄能器壓力是否符合要求，如果不夠，需填充氮?dú)庵练弦?。測試HPU提供的液壓油是否滿足清潔度要求。

(4) 通電。啟動(dòng)EPU，依次向水下生產(chǎn)系統(tǒng)上部模塊各設(shè)備和水下模塊設(shè)備供電。

(5) 啟動(dòng)MCS。啟動(dòng)MCS，記錄MCS的軟件版次。建立MCS與其他上部模塊設(shè)備和水下模塊設(shè)備的通信，檢查通信是否正常。

(6) 電回路聯(lián)合調(diào)試。確保上部模塊運(yùn)行正常。驗(yàn)證MCS可以通過A和B等2個(gè)通道讀取水下設(shè)備的信號(hào)。

(7) 調(diào)試HPU。每日檢查HPU內(nèi)循環(huán)的液壓油，確保滿足清潔度要求。核實(shí)MCS、OWS/EWS、PCS ICSS和平臺(tái)ESD系統(tǒng)對(duì)HPU的控制正常。檢查儲(chǔ)油罐和回油罐液位和泵出口壓力數(shù)值。檢查HPU各功能是否運(yùn)行正常。具體參數(shù)見表2和表3。打開TUTA通往水下的隔離閥前，檢查TUTA進(jìn)口壓力符合表2要求。打開TUTA通往水下的液壓隔離閥，開始向水下打液壓。檢查MCS上顯示的水下供壓情況與實(shí)際打壓情況是否吻合。

(8) 液控回路聯(lián)合調(diào)試。驗(yàn)證MCS可以操作水下液控閥門的開關(guān)，并記錄各閥門開關(guān)響應(yīng)時(shí)間。設(shè)定各水下儀表的報(bào)警值。驗(yàn)證MCS、OWS/EWS和PCS ICSS(DCS)可讀取各水下儀表相關(guān)數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)結(jié)果一致。

(9) ESD測試。在ESD關(guān)斷期間應(yīng)確保SCSSV始終處于關(guān)閉狀態(tài)，不得打開。在ESD測試前須確保水下井口都處于生產(chǎn)狀態(tài)(生產(chǎn)通道閥門開啟)。驗(yàn)證系統(tǒng)可以進(jìn)行各級(jí)別的ESD關(guān)斷。

(10) 發(fā)證。聯(lián)合調(diào)試結(jié)束后，頒發(fā)機(jī)械完工和聯(lián)合調(diào)試合格證書。如仍有遺留問題，總結(jié)聯(lián)合調(diào)試遺留問題，供進(jìn)一步跟蹤解決。

2.3 水下生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析

水下生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)試為驗(yàn)證系統(tǒng)是否可以正常運(yùn)行的最后一步，但是影響其是否成功的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)卻是分布在整個(gè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)項(xiàng)目的全生命周期中。本節(jié)從設(shè)計(jì)、建造、安裝和調(diào)試階段對(duì)影響水下生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.3.1 設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)階段影響水下生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)和平臺(tái)界面的確定。包括水下生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)氣、液、電供應(yīng)的要求，對(duì)平臺(tái)通信分配點(diǎn)數(shù)的要求，對(duì)輸入水下生產(chǎn)系統(tǒng)化學(xué)藥劑的注入清潔度、注入壓力和注入流速的要求等。這些界面是否確認(rèn)清楚，將直接影響后續(xù)調(diào)試工作能否順利進(jìn)行。

2.3.2 建造階段

建造階段影響水下生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有2個(gè)：(1)水下生產(chǎn)系統(tǒng)交貨期。大部分預(yù)調(diào)試工作須在設(shè)備建造完成后進(jìn)行，例如水下生產(chǎn)系統(tǒng)MCS與平臺(tái)DCS預(yù)調(diào)試，它決定了水下生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)試的啟動(dòng)時(shí)間。(2)平臺(tái)的機(jī)械完工時(shí)間。平臺(tái)機(jī)械完工以后，才具備供氣、供液、供電和平臺(tái)承包商現(xiàn)場人員支持條件和安裝水下生產(chǎn)系統(tǒng)上部模塊調(diào)試的條件。

2.3.3 安裝階段

安裝階段影響水下生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝完成時(shí)間。水下生產(chǎn)系統(tǒng)水下模塊的聯(lián)合調(diào)試須在水下生產(chǎn)系統(tǒng)完全安裝就位后才能開展。

2.3.4 調(diào)試階段

調(diào)試階段影響水下生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有2個(gè)：(1)水下生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)試人員到位時(shí)間。水下生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)試，需要廠家專業(yè)人員的參與，有時(shí)還需要第三方人員協(xié)助調(diào)試工作，例如水下流量計(jì)廠家對(duì)流量計(jì)讀數(shù)進(jìn)行初調(diào)，而目前大部分水下廠家人員需從國外動(dòng)員，所需動(dòng)員時(shí)間較長。只有妥善安排好水下生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)試人員的到位時(shí)間，才能開始進(jìn)行水下生產(chǎn)系統(tǒng)的調(diào)試。(2)調(diào)試船舶資源的到位時(shí)間。調(diào)試船舶到位是開始水下生產(chǎn)系統(tǒng)水下模塊調(diào)試的初始條件。

3 結(jié) 語

水下生產(chǎn)系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試是一個(gè)繁復(fù)而精細(xì)的工作，其測試原則是從水上到水下，由近平臺(tái)端到遠(yuǎn)平臺(tái)端，分段逐步開展。其測試包括：水下生產(chǎn)系統(tǒng)上部模塊調(diào)試和水下生產(chǎn)系統(tǒng)水下模塊調(diào)試，上部模塊的調(diào)試必須先于水下模塊的調(diào)試進(jìn)行。水下生產(chǎn)系統(tǒng)項(xiàng)目全周期中影響水下生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)試的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)包括：水下生產(chǎn)系統(tǒng)和平臺(tái)界面的確定、水下生產(chǎn)系統(tǒng)交貨期、平臺(tái)的機(jī)械完工時(shí)間、水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝完成時(shí)間、水下生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)試人員到位時(shí)間和調(diào)試船舶資源的到位時(shí)間等。

我國南海已采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)陸續(xù)開發(fā)了多個(gè)項(xiàng)目，在項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)行過程中，應(yīng)積極主動(dòng)地運(yùn)用水下生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試的關(guān)鍵技術(shù)，整理出一套適用于深水海洋工程的水下生產(chǎn)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試技術(shù)體系，為將來更好地在中國深海順利進(jìn)行水下生產(chǎn)系統(tǒng)建設(shè)提供借鑒。

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