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(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

近年來水下油氣開采技術(shù)快速發(fā)展，各海洋工程公司承接了大量的水下油氣開發(fā)項(xiàng)目，并在這些水下油氣開發(fā)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、制造、安裝及維護(hù)等工作中積累了一定的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。文中結(jié)合工程實(shí)例，對水下油氣開發(fā)項(xiàng)目中的水下管匯管道布置進(jìn)行研究與總結(jié)，分析了水下油氣開發(fā)過程中水下管道和管匯復(fù)雜的使用環(huán)境、流動(dòng)條件、安裝及維護(hù)要求等[1]，重點(diǎn)討論了水下管匯管道布置的關(guān)鍵點(diǎn)與難點(diǎn)，以期為類似的水下油氣開發(fā)項(xiàng)目中的管匯和管道布置提供參考。

1 水下管匯關(guān)鍵設(shè)備選型

1.1 水下管道閥門

水下環(huán)境比較復(fù)雜，對閥門的安裝、拆卸、檢修和維護(hù)等操作，以及對閥門的密封可靠性、安全性、使用壽命等產(chǎn)品技術(shù)性能要求均較高[2]。因此在選擇閥門時(shí)，不僅要對比閥門的價(jià)格，更要熟悉水下閥門與普通閥門在操作、維護(hù)、裝配和結(jié)構(gòu)等方面存在的差異。

使用中的水下閥門，位于淺水區(qū)的一般由潛水員操作，位于深水區(qū)的則通過水下機(jī)器人(ROV)操作[3]或液壓驅(qū)動(dòng)操作。水下閥門的設(shè)計(jì)壽命一般要求在20 a以上，且設(shè)計(jì)周期內(nèi)不需要維護(hù)。水下閥門的密封形式以金屬硬密封為主，密封件表面采用碳化物涂層處理。水下閥門的填料為Lipseal+V形組合填料+O型圈組合填料，閥桿采用防吹出/防吹入結(jié)構(gòu)。水下閥門的內(nèi)件采用雙相鋼或鎳基合金制造，內(nèi)通道采用堆焊鎳基合金防腐蝕。水下閥門用油漆必須為水下油漆。

閥門按裝配形式分為頂裝式與側(cè)裝式。頂裝式便于在線維護(hù)，成本較高；側(cè)裝式不便于維護(hù)，但成本較低。根據(jù)水下閥門免維護(hù)和經(jīng)濟(jì)原則，一般優(yōu)先選擇側(cè)裝式。閥門按結(jié)構(gòu)形式可以分為三片式、兩片式和全焊接式。三片式外漏點(diǎn)多，結(jié)構(gòu)簡單，裝配容易，采購成本最低。兩片式在項(xiàng)目中最為常見，結(jié)構(gòu)相對簡單，制造難度較低，采購成本較低。全焊接式?jīng)]有外漏點(diǎn)，制造難度大，生產(chǎn)成本高。實(shí)際設(shè)計(jì)中，水下閥門選用兩片式居多。

1.2 水下管道連接器

水下連接器是水下管匯同其他設(shè)施連接的橋梁。水下連接器的主要功能是將包括水下管匯(PLEM)、水下管道終端(PLET)、水下分離器及水下采油樹等在內(nèi)的各水下設(shè)施高效地連接起來。水下連接器按照工作原理可分為螺栓法蘭式連接器、卡爪式連接器和卡箍式連接器[4]。

螺栓法蘭式連接器常用于連接淺水管道，安裝過程需要潛水員的協(xié)助，法蘭之間的連接通常采用螺栓連接的方式。若在水深較深的環(huán)境中通過螺栓螺母連接的方式進(jìn)行管道間的連接，就要考慮許多因素，例如法蘭定位、螺栓預(yù)緊以及螺母的拆裝與存放等，這不僅使得結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，并且不能保證快速維修的需求，故螺栓法蘭式連接器在深水條件下并不常用。

卡爪式連接器與卡箍式連接器都有著連接方便、安全可靠、適合在深水水域應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。具體設(shè)計(jì)時(shí)，還需要進(jìn)一步根據(jù)項(xiàng)目的壓力等級和最大水深對這2種水下連接器進(jìn)行區(qū)分和選擇。2種連接器對比見表1。

表1 卡爪式連接器與卡箍式連接器對比

按照連接方式的不同，水下連接器可分為豎直連接器與水平連接器。豎直連接器實(shí)物圖見圖1，水平連接器實(shí)物圖見圖2。

圖1 豎直連接器實(shí)物

圖2 水平連接器實(shí)物

影響豎直連接器與水平連接器選擇的因素較多，通常需要注意以下5點(diǎn)。

(1)在淺水范圍內(nèi)水平連接和豎直連接均可采用，當(dāng)水深超過1 000 m時(shí)，在實(shí)際工程中更傾向于采用操作更方便的豎直連接。

(2)水下油氣田附近的漁業(yè)活動(dòng)狀況對水下連接方式的選擇有較大影響。在漁業(yè)活動(dòng)頻繁地區(qū)，漁民拖網(wǎng)作業(yè)對水下生產(chǎn)設(shè)施的干擾性較大，故此區(qū)域的油氣田多采用水平連接方式，便于對水下設(shè)施安裝保護(hù)結(jié)構(gòu)。

(3)某些油田對于流動(dòng)保障的要求比較高。一般來說，采用水平連接比垂直連接可以更有效地避免水合物的生成，有利于流動(dòng)保障。

(4)在確定水下連接器的連接方式時(shí)，需要考慮油田后期對于水下生產(chǎn)設(shè)施維護(hù)和回收的可能性和頻度。

(5)若選用水平連接方式，當(dāng)水下生產(chǎn)設(shè)備需要進(jìn)行回收時(shí)，可在不必拆卸跨接管的情況下進(jìn)行設(shè)備回收工作。

連接器的連接方式不同會(huì)對水下設(shè)施的總體布置產(chǎn)生直接影響，從而影響到管匯的整體尺寸與重量。整體尺寸與重量的增加將會(huì)提高成本、安裝難度以及費(fèi)用?？傮w來說，選用豎直連接方式對水下設(shè)施的結(jié)構(gòu)影響較小。

此外需要注意的是，無論是按照工作原理還是連接方式選型，都應(yīng)依據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)和需求進(jìn)行綜合分析，不能一概而論。

2 水下管匯管道布置

2.1 水下管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

管道的材質(zhì)應(yīng)當(dāng)依據(jù)流體的化學(xué)組成來確定，若流體介質(zhì)無腐蝕性，可直接選用碳鋼。否則，應(yīng)當(dāng)選用不銹鋼或碳鋼堆焊耐腐蝕合金。管道的操作壓力與公稱直徑應(yīng)滿足工藝流動(dòng)保障的需求，其取值通常由環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、油田基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及海管路由等因素共同確定和計(jì)算。計(jì)算過程較為復(fù)雜，一般通過PIPE-FLO或OLGA等計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算與校核。

管道壁厚的選擇，先要按照ASME B31.4—2016《液態(tài)烴和其他液體管線輸送系統(tǒng)》[5]或者ASME B31.8—2016《氣體輸送和分配管道系統(tǒng)》[6]提供的壁厚計(jì)算公式來計(jì)算，然后按照API RP 1111—2015《海上輸烴管道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)推薦做法(極限狀態(tài)法)》[7]或DNV-OS-F101—2010《海底管道系統(tǒng)》[8]對管道內(nèi)壓破裂、管道外壓壓潰及擴(kuò)展屈曲計(jì)算進(jìn)行校核[9]。

2.2 水下管道布置原則

水下管匯的整體尺寸與重量影響到安裝船舶資源，進(jìn)而影響到成本費(fèi)用。布置管道時(shí)，通常要求足夠緊湊，以充分利用好每一寸空間。雖然實(shí)際的布管情況比較復(fù)雜，但并非無章可循。水下管匯管道布置遵循的7個(gè)基本原則如下。

(1)滿足流動(dòng)保障要求。

(2)滿足連接器安裝需求，考慮連接器安裝工具尺寸與操作空間。

(3)滿足閥門安裝與操作的需求，預(yù)留足夠的空間以方便潛水員或ROV操作。

(4)滿足管匯主管道清管需求，為彎管預(yù)留空間，彎管半徑通常為3倍或5倍管道直徑。

(5)結(jié)合鉆井中心布置圖，合理安排各接入點(diǎn)位置，避免跨接管相互干涉。

(6)考慮保護(hù)結(jié)構(gòu)形式，避免管道與結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞。同時(shí)也要考慮管道的預(yù)制與安裝順序。

(7)管道、管件、閥門和連接器盡量均勻布置，使重心盡可能靠近管匯中心，以便于整體吊裝。

2.3 水下管道布置安全性校核

管道初步布置完成后，需要對整個(gè)管道系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力分析，校核其安全性[10]。水下管匯管道應(yīng)力分析一般使用AutoPIPE軟件，AutoPIPE集成了主流常用標(biāo)準(zhǔn)，如ASME、DNV及KHK等。當(dāng)管道中流體介質(zhì)為液態(tài)烴時(shí)，選用ASME B31.4 chapter IX Offshore Liquid Pipeline Systems作為校核準(zhǔn)則；當(dāng)管道中流體介質(zhì)為氣態(tài)時(shí)，選用ASME B31.8 chapter VIII Offshore Gas Transmission作為校核準(zhǔn)則。這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的章節(jié)主要校核管道的軸向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力和組合應(yīng)力。

水下管匯管道應(yīng)力校核重點(diǎn)針對水壓試驗(yàn)工況、操作工況和地震工況等特定工況，在這些環(huán)境下通過校核滿足所選標(biāo)準(zhǔn)要求，就可認(rèn)為水下管匯管道是安全的。否則，需要調(diào)整管道的布置直至達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求為止。

3 管道布置項(xiàng)目實(shí)例

某項(xiàng)目水下管匯所在位置水深為675 m。經(jīng)過工藝流動(dòng)保障計(jì)算，管道的設(shè)計(jì)壓力定為34.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度定為-29～78 ℃。水下管匯主管道外徑是323.9 mm，支管外徑是219 mm。管道主材選擇碳鋼，材料等級API 5L X65[11]，內(nèi)部堆焊Inconel 625耐腐蝕合金。

3.1 關(guān)鍵設(shè)備選型

該項(xiàng)目水下閥門包括管匯主管上4個(gè)DN 300 mm水下球閥，管匯支管上10個(gè)DN 200 mm水下閘閥。管匯水下閥門工作水深675 m，設(shè)計(jì)壓力34.5 MPa，材料等級為HH級，設(shè)計(jì)壽命30 a。閥門設(shè)計(jì)采用API 6A[12]標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品性能達(dá)到API 17D[13]PSL 3G。其他技術(shù)參數(shù)見表2。

目標(biāo)水域無漁業(yè)活動(dòng)，前期設(shè)施均采用豎直卡爪式連接器，故水下管匯端采用相同形式連接器。水下連接器包括管匯主管上4個(gè)DN 300 mm水下連接器，管匯支管上4個(gè)DN 200 mm水下連接器，還有MEG管線上2個(gè)DN 125 mm水下連接器。管匯水下連接器工作水深為675 m，設(shè)計(jì)壓力34.5 MPa，材料等級為HH級，設(shè)計(jì)壽命30 a。連接器設(shè)計(jì)、制造及測試遵循API 17D/ISO 13628-4，PSL-3G。

表2 水下閥門部分技術(shù)參數(shù)[14]

在水下閥門與水下連接器選型中，除上述1.1節(jié)與1.2節(jié)影響選型的因素外，還應(yīng)注意：①業(yè)主習(xí)慣于使用某種類型水下設(shè)備。業(yè)主對于該類型設(shè)備的使用與安裝具有較豐富的經(jīng)驗(yàn)。在不違背選型原則的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮以降低成本。②若某項(xiàng)目的前期工程已經(jīng)投產(chǎn)，后期工程應(yīng)優(yōu)先選擇相同類型設(shè)備。這樣不但可以節(jié)省設(shè)計(jì)成本，而且還可以使用前期工程的施工資源。

3.2 管道布置方案比選

在本項(xiàng)目中，根據(jù)流動(dòng)保障的要求，管匯確定為雙管回路水下管匯，管道必須按照工藝流程圖布置。管匯上各個(gè)接口的相對位置要依據(jù)鉆井中心布置圖合理安排，以避免飛線與跨接管之間發(fā)生跨越。各水下設(shè)備之間要預(yù)留操作空間，以方便潛水員或ROV工作。其距離主要根據(jù)設(shè)備廠家的操作手冊，一般按經(jīng)驗(yàn)各個(gè)接口要留至少1 500 mm。

依據(jù)以上的管道布置原則，水下管道布置形式基本確定?？紤]到控制專業(yè)和結(jié)構(gòu)專業(yè)的影響，會(huì)得到多種初步方案，經(jīng)過各專業(yè)之間的協(xié)調(diào)與優(yōu)化得到的2種典型布管設(shè)計(jì)方案見圖3。

圖3中，方案A的整體尺寸為長17.5 m，寬8.5 m，高7 m，總質(zhì)量約為75 t。方案B的整體尺寸為長16.5 m，寬11.5 m，高7 m，總質(zhì)量約78 t。方案A和方案B各有優(yōu)缺點(diǎn)。方案A的優(yōu)點(diǎn)是體積較小，重量較輕，且布置均勻，重心靠近幾何中心。缺點(diǎn)是電控模塊相距較遠(yuǎn)，支管連接器間距較近。方案B的優(yōu)點(diǎn)是電控模塊相距較近，便于電纜布置，且支管連接器布置比較分散，ROV操作時(shí)移動(dòng)相對方便。缺點(diǎn)是整體體積偏大，工藝管道走向較為復(fù)雜。

方案A的較大缺點(diǎn)是DN 200 mm連接器位置布置較近。為解決此問題，將連接支管的跨接管選用柔性軟管代替剛性硬管，為ROV操作提供方便。從安裝便捷性和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，布管方案優(yōu)先選用方案A。

圖3 2種典型布管設(shè)計(jì)方案

3.3 管道應(yīng)力校核

以水壓試驗(yàn)工況、操作工況和地震工況替代水下管匯管道在嚴(yán)苛環(huán)境下的極限情況，采用AutoPIPE管道應(yīng)力分析軟件，模擬本實(shí)例水下管道在水壓試驗(yàn)工況、操作工況和地震工況3個(gè)工況下的應(yīng)力分布。同時(shí)，依據(jù)本實(shí)例輸送介質(zhì)為天然氣確定ASME B31.8作為校核標(biāo)準(zhǔn)。若計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求，則視為管道安全可靠。

水壓試驗(yàn)工況下的管道應(yīng)力云圖見圖4，操作工況下的管道應(yīng)力云圖見圖5，地震工況下的管道應(yīng)力云圖見圖6。根據(jù)圖4～圖6的應(yīng)力云圖，結(jié)合ASME規(guī)范的要求給出應(yīng)力校核評定結(jié)果。

圖4 水壓試驗(yàn)工況管道應(yīng)力云圖

圖5 操作工況管道應(yīng)力云圖

圖6 地震工況應(yīng)力云圖

根據(jù)圖4所示的水壓試驗(yàn)工況管道應(yīng)力分布，表3列出了水壓試驗(yàn)工況下的最大應(yīng)力比(由AutoPIPE按照ASME 31.8計(jì)算得出)，并且指出了危險(xiǎn)點(diǎn)所在位置。環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力和組合應(yīng)力的最大應(yīng)力比均小于1，管道視為此工況下是安全可靠的。

表3 水壓試驗(yàn)工況管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖5所示的操作工況管道應(yīng)力分布，表4列出了操作工況下的最大應(yīng)力比(由AutoPIPE按照ASME 31.8計(jì)算得出)，并指出了危險(xiǎn)點(diǎn)所在位置。環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力和組合應(yīng)力的最大應(yīng)力比均小于1，管道視為此工況下安全可靠。

表4 操作工況管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖6所示的地震工況下管道應(yīng)力分布，表5列出了地震工況下的最大應(yīng)力比(由AutoPIPE按照ASME 31.8計(jì)算得出)，并指出了危險(xiǎn)點(diǎn)所在位置。環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力和組合應(yīng)力的最大應(yīng)力比均小于1，管道視為此工況下安全可靠。

表5 地震工況管道應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.4 方案確定

通過管道應(yīng)力校核，方案A的安全可靠性滿足要求。綜合考慮，實(shí)例選用方案A為最終的管道布置方案。根據(jù)方案A完成的管匯總體布置見圖7。

圖7 管匯總體布置軸側(cè)圖

3.5 注意事項(xiàng)

①管匯管道重心盡量靠近其幾何中心，以方便吊裝。在控制重心位置過程中，需要不斷地調(diào)整閥門位置以及管道長度，此過程較為繁瑣，可以利用Solidworks軟件來實(shí)現(xiàn)。②閥門位置需要結(jié)構(gòu)來支撐，盡量選擇在結(jié)構(gòu)主梁上，以避免出現(xiàn)過多的補(bǔ)梁加強(qiáng)。③鉆井中心布置圖若發(fā)生較大變化，有可能會(huì)影響到管匯接口位置。④閥門操作孔位置需要根據(jù)保護(hù)結(jié)構(gòu)調(diào)整，若距離結(jié)構(gòu)保護(hù)頂板過遠(yuǎn)，閥門則要加裝延長桿，以便于ROV操作。

4 結(jié)語

結(jié)合工程實(shí)例，通過對水下關(guān)鍵設(shè)備的選型、管道布置原則和管道應(yīng)力分析的研究，使水下管匯管道布置工作流程化，水下管匯管道布置的主要流程總結(jié)為，①選擇適合本項(xiàng)目的水下閥門與水下連接器，考慮其安裝與操作的空間。②要根據(jù)工藝流程圖和鉆井中心布置圖，按照布管原則合理安排管道走向。③對管道進(jìn)行應(yīng)力分析，保證其安全性。此流程可為以后油氣開發(fā)項(xiàng)目中水下管匯的管道布置提供參考，從而使工作效率得到提高。