郭鴻飛，顧繼俊*，柳依何，安維崢，馬 強，孟 堯

(1.中國石油大學(xué)(北京) 機械與儲運工程學(xué)院，北京 102249；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

0 引 言

中國水下生產(chǎn)系統(tǒng)[1]技術(shù)研究起步相對較晚，長期以來，水下生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備多依賴進口，極大地限制了海洋油氣開發(fā)事業(yè)的發(fā)展[2]。水下管匯[3-6]主要用于匯集各水下井口開采的油氣，優(yōu)化海底布局并減少水下輸送管和海洋立管的使用數(shù)量，作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計技術(shù)面臨著極大挑戰(zhàn)。吳露等[7]通過對水下生產(chǎn)管匯的測試技術(shù)進行研究，結(jié)合適用于1 500米水深的國產(chǎn)化水下管匯工程樣機，分析水下管匯的主要測試內(nèi)容、測試方法及測試步驟。孟獻等[8]研制了水下管匯垂直連接器樣機，并對樣機進行性能測試試驗，使設(shè)計要求得到充分驗證。孫雪梅[9]結(jié)合水下管匯的功能需求、結(jié)構(gòu)組成、結(jié)構(gòu)計算等，對水下管匯的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了概述。孟憲武等[10]對水下管匯關(guān)鍵設(shè)備選型、管道布置原則和管道應(yīng)力分析進行研究，總結(jié)出通用方法，使水下管匯管道布置工作流程化。石磊等[11]對500米水深級水下管匯的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)進行了研究和分析，并介紹了深水水下管匯的設(shè)計方法和內(nèi)容。

目前，模塊化設(shè)計技術(shù)在海洋工程領(lǐng)域已有較多應(yīng)用，王國富等[12]針對海洋油氣平臺模塊化設(shè)計技術(shù)進行研究，基于總體建造方案將整個平臺拆分為多個獨立模塊，提升了建造效率并降低了工程成本。凌軒等[13]提出一種低成本、模塊化的水下機器人，并對機器人模塊化框架進行設(shè)計，基于模塊化技術(shù)可快速構(gòu)建應(yīng)用于不同場合的水下機器人。目前，水下管匯的設(shè)計模式仍以二維設(shè)計為主，由于水下管匯中管線及機電儀設(shè)備的數(shù)量和種類較多，使得水下管匯的設(shè)計任務(wù)十分繁重，且效率較低。引入全新的模塊化設(shè)計理念，可顯著提高設(shè)計效率并為水下管匯國產(chǎn)化研究提供技術(shù)支持。

針對水下管匯模塊化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)進行研究，該文采用Solidworks建立不同廠家、不同規(guī)格型號的水下管匯及單元設(shè)備三維模型數(shù)據(jù)庫及信息數(shù)據(jù)庫，基于Unity 3D開發(fā)水下管匯模塊化設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)了水下管匯設(shè)計過程的可視化、數(shù)字化與智能化。

1 水下管匯模塊化設(shè)計技術(shù)

1.1 模塊劃分

模塊化設(shè)計技術(shù)[14-16]是要把所設(shè)計的水下管匯中用以實現(xiàn)類似功能的單元進行歸并、整合，使其形成若干個按照結(jié)構(gòu)、功能相對獨立的模塊[17-18]，最后將這些模塊進行有機結(jié)合。因此，模塊化設(shè)計的核心是模塊的劃分與組合。水下管匯的主要構(gòu)件包括：管線與閥門組件、連接系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)框架和防腐等[19]，因此將水下管匯各模塊進行劃分，如圖1所示。

圖1 水下管匯模塊劃分

1.2 水下管匯設(shè)計原則

水下管匯總體設(shè)計既要符合API 17P和ISO13628-15[20]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的要求，也要滿足實際油氣田的總體要求。滿足工藝要求，確保管匯的重心布置合理，便于海上安裝；水下管匯的安裝、維護等水下作業(yè)基本依靠ROV(水下機器人)完成，所以應(yīng)十分重視管匯上的部件，如閥門、連接器、控制系統(tǒng)、陽極塊等的布局、標(biāo)記，便于ROV的水下檢查、安裝、連接、更換、維護[21]。

1.2.1 管線模塊

水下管匯除滿足開采的油氣功能外，還需滿足清管功能[22]。管線的布局決定了水下管匯的總體尺寸與重量，故管線布置時應(yīng)盡量緊湊，管線系統(tǒng)的布置主要滿足以下原則：

(1)滿足流動安全保障要求；

(2)考慮水下連接器安裝工具尺寸與操作空間問題，滿足連接器的安裝需求；

(3)滿足水下閥門安裝與操作的需求，預(yù)留操作空間；

(4)滿足主管道清管需求，為方便清管作業(yè)，彎管半徑通常為5D(管道直徑)，若無清管要求，可采用3D彎頭(管道直徑)；

(5)滿足不同水下生產(chǎn)設(shè)施之間的不同角度的跨接需求；

(6)雙主管管匯的兩根主管之間最小距離為10D(管道直徑)，同時還需預(yù)留出支管的連接位置，閥門和傳感器的安裝空間。

1.2.2 閥門模塊

水下閥門[23]是水下管匯的關(guān)鍵部件，其可靠性是保證水下管匯安全運行的關(guān)鍵因素，水下閥門的選擇與安裝位置至關(guān)重要。水下閥門安裝在管線系統(tǒng)里，用于控制生產(chǎn)和注射流體。

水下閥門按照閥體種類可分為球閥與閘閥。按照驅(qū)動方式可分為ROV驅(qū)動、液壓驅(qū)動、ROV液壓雙驅(qū)動[24]三種類型。水下閥門的選擇與布置應(yīng)滿足以下原則：

(1)水下管匯上的閥門應(yīng)與采油樹上閥門的磅級保持一致；

(2)水下管匯主管一般有清管要求，球閥相對于閘閥更便于清管操作；

(3)水下管匯閥門，應(yīng)首先考慮將閥門與管道焊接來減少泄露途徑；

(4)為方便閥門和支管的總體布置及ROV的操作，閥門的執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)朝上。

1.2.3 連接器模塊

水下連接器的主要功能是將水下管匯(PLEM)、水下管道終端(PLET)、水下采油樹等設(shè)施高效連接[25]。目前水下生產(chǎn)系統(tǒng)的主流連接形式主要為卡爪式與卡箍式兩種。按照連接方式的不同，水下連接器分為水平連接器與垂直連接器。水下連接器的選擇主要考慮以下因素：

(1)淺水范圍內(nèi)水平連接與垂直連接均可采用，水深超過1 000米時，實際工程中更傾向于采用操作方便的垂直連接；

(2)對于流動保障要求較高的油田，采用水平連接比垂直連接可更有效地避免水合物的生成，有利于流動保障；

(3)水下連接器連接方式的確定，需要考慮油田后期對于水下生產(chǎn)設(shè)施維護和回收的可能性與頻度；

(4)在漁業(yè)活動頻繁地區(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)施安裝保護結(jié)構(gòu)。

1.2.4 結(jié)構(gòu)模塊

水下管匯結(jié)構(gòu)框架是管匯的主體結(jié)構(gòu)，主要功能是為管線、閥門、連接器、控制模塊等提供支撐和保護。管匯結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計需考慮在吊裝、下放和海底在位生產(chǎn)等一系列工況下的結(jié)構(gòu)強度，同時需考慮設(shè)計是否能滿足管匯的安裝、操作和維修要求，在漁業(yè)活動頻繁的地區(qū)或船舶系泊區(qū)，還需注意防漁網(wǎng)拖掛和重物的墜落沖擊。

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)框架

水下管匯模塊化設(shè)計仿真系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想進行開發(fā)，系統(tǒng)框架如圖2所示，整個系統(tǒng)分為基礎(chǔ)層、功能層、交互層。

圖2 系統(tǒng)框架

(1)基礎(chǔ)層為模塊化設(shè)計仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫與基礎(chǔ)開發(fā)環(huán)境。數(shù)據(jù)庫分為場景開發(fā)數(shù)據(jù)庫與設(shè)計信息數(shù)據(jù)庫，場景開發(fā)數(shù)據(jù)庫用于對仿真系統(tǒng)開發(fā)場景、算法程序的管理，設(shè)計信息數(shù)據(jù)庫包含水下管匯總體設(shè)計信息、管匯單元部件三維模型及三維模型的屬性信息。

(2)功能層包括管匯總體設(shè)計方案、單元部件模塊化設(shè)計、管匯總體裝配、場景可視化漫游四大模塊。管匯總體設(shè)計方案模塊的功能為針對目標(biāo)油氣田輸入典型參數(shù)條件，基于水下管匯總體布置原則，系統(tǒng)進行算法決策，推薦水下管匯總體布置最優(yōu)方案，為設(shè)計人員提供設(shè)計指導(dǎo)與建議。單元部件模塊化設(shè)計的功能為針對所劃分的水下管匯各模塊進行參數(shù)設(shè)計，與傳統(tǒng)二維設(shè)計所不同的是，該模塊根據(jù)所設(shè)計的參數(shù)條件，直接調(diào)用模型庫中對應(yīng)的三維模型，模型庫包含不同廠家、不同尺寸、不同型號的三維模型，大大簡化了設(shè)計效率。管匯總體裝配模塊基于自動布局算法與自動避障算法實現(xiàn)管匯單元部件的快速裝配，并可實現(xiàn)三維模型的信息數(shù)據(jù)顯示，如對應(yīng)的供貨商、尺寸、重量、價格等信息。

(3)交互層為通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備場景可視化，呈現(xiàn)逼真的三維效果和虛擬環(huán)境的實時交互[26]。基于PC端可實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的人機交互、水下管匯設(shè)計效果展示、設(shè)計參數(shù)的傳輸，通過HTC Vive設(shè)備與系統(tǒng)場景信息連接，實現(xiàn)水下管匯作業(yè)場景的多視角漫游，給設(shè)計人員以高度的沉浸感。

2.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

水下管匯模塊化設(shè)計仿真系統(tǒng)設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 設(shè)計流程

2.2.1 模型數(shù)據(jù)庫

水下管匯模塊化設(shè)計仿真系統(tǒng)存在大量模型，不同模塊或相同模塊需求不同的設(shè)備均需建立不同模型，以水下閥門為例，國外內(nèi)不同廠商生產(chǎn)的閥門外觀、尺寸等信息不同，同一廠商生產(chǎn)的閥門也有眾多尺寸之分，因此需要建立大量的三維模型來支撐仿真系統(tǒng)的運行。三維模型的建立采用Solidworks完成，為實現(xiàn)模型對實物的高還原度，模型建立完成后采用3ds Max進行貼圖紋理處理。由于系統(tǒng)中模型庫較為龐大，為避免系統(tǒng)運行時造成電腦負(fù)荷過大，保證系統(tǒng)的流暢運行，需對建立的三維模型進行減面處理，消除面與面之間產(chǎn)生的大量冗余，以液飛線接口為例，原始模型與優(yōu)化后模型結(jié)果如圖4所示，優(yōu)化前模型的點數(shù)為420 417、面數(shù)為840 858，在Unity3D會占用大量電腦性能，在不影響模型外觀的原則下進行優(yōu)化，優(yōu)化后模型的點數(shù)與面數(shù)減小了98%。模型經(jīng)3ds Max減面處理、格式轉(zhuǎn)換后以FBX格式導(dǎo)入Unity 3D開發(fā)三維模型數(shù)據(jù)庫，通過預(yù)制體(Prefab)的實例化技術(shù)，用戶點擊模型按鍵可生成相匹配的三維文件。

圖4 模型減面處理

2.2.2 壁厚計算

管線壁厚根據(jù)ASME B31.8與DNV兩種計算準(zhǔn)則提供的壁厚計算公式來計算，ASEM的壁厚計算公式如下：

tm=t+c

(1)

(2)

其中，σ為管道材料的屈服強度，單位為MPa；F為容許環(huán)向應(yīng)力設(shè)計系數(shù)，對于管道取0.72；P為設(shè)計內(nèi)壓，單位為MPa；D為管道外徑，單位為mm；t為最小計算壁厚，單位為mm；c為腐蝕余量，一般取3～6，單位為mm，tm為實際壁厚，單位為mm。

對規(guī)范中的壁厚計算公式使用C#語言進行算法程序編寫，采用UGUI進行仿真系統(tǒng)人機交互界面的開發(fā)，可以手動選擇管道材料并輸入水深、設(shè)計壓力、管道外徑和腐蝕裕量，然后進行壁厚計算，同時對設(shè)計壓力提供MPa、bar、psi三種單位的輸入模式，對管道外徑提供in和mm的單位選擇，點擊計算即可顯示兩種計算準(zhǔn)則的計算結(jié)果，系統(tǒng)將計算出的結(jié)果自動圓整至規(guī)范中與計算結(jié)果相近的管線尺寸。壁厚計算功能如圖5所示。

圖5 壁厚計算

2.2.3 模塊化設(shè)計及智能裝配

以某油田所使用的水下管匯為例，對水下管匯模塊化設(shè)計仿真系統(tǒng)進行測試實驗。10井槽單回路水下管匯，管匯整體尺寸為15.3 m×5.1 m×5.1 m，主管?54 mm，支管?152.4 mm，含有MEG管線，該管匯在整體布置時，在主管道軸線方向上，支管、支管連接器和主管連接器保持對稱布置，連接方式為水平連接，所有閥門的執(zhí)行機構(gòu)朝上，包含控制模塊。

水下管匯按照主管、支管、服務(wù)管線、機電儀設(shè)備、框架、蓋板、接頭的順序進行模塊化設(shè)計，其中主管設(shè)計頁面包含主管球閥與主管連接器的設(shè)計，支管設(shè)計頁面包含支管閘閥與支管連接器的設(shè)計。對于主管和支管、提供長度、外徑、間距、布局類型等設(shè)計選擇，對支管和主管進行長度和位置改變時，連接器、閥門等部件也會進行相應(yīng)的變化，防止模型干涉和結(jié)構(gòu)不合理。

閘閥、球閥、連接器等采取智能裝配，輸入設(shè)計參數(shù)后，系統(tǒng)讀取參數(shù)并調(diào)用三維模型，采用實例化技術(shù)生成模型體，依據(jù)輸入的典型油氣田條件，自動將模型裝配到基于三維最優(yōu)布置方案進行決策的最優(yōu)安裝位置。水下管匯的部件模型設(shè)置不同的裝配接口和標(biāo)簽，只有可以進行裝配的兩個部件模型才會觸發(fā)裝配算法，部件會生成在裝配算法觸發(fā)范圍內(nèi)的位置，此時模型會根據(jù)裝配算法對標(biāo)簽進行識別，可裝配時算法會將部件裝配到管匯上，從而達(dá)到智能裝配的效果。

控制模塊屬于機電儀設(shè)備，對機電儀設(shè)備，在工程實際中主要考慮在管線內(nèi)部空間進行放置，所以此部分采用拖動安裝，拖動機電儀的過程中會對路徑上的模型進行碰撞，模擬真實的安裝位置。在改變管線或者框架時，觸碰到的機電儀設(shè)備會進行自適應(yīng)位置移動。

設(shè)計人員也可對已安裝完的部件進行自主布局，自主布局即設(shè)計人員可對已設(shè)計完成的水下管匯布局進行更改調(diào)整、對管匯中的設(shè)備部件從模型庫中選擇其他類型進行替換。為提高設(shè)計效率，軟件可進行視圖的快速切換，鼠標(biāo)點擊模型，可對選中部件進行高亮顯示與設(shè)備信息顯示，顯示內(nèi)容有管道尺寸、長度、設(shè)備位置信息、尺寸信息等。測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)測試結(jié)果

2.2.4 數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化

完成管匯設(shè)計后，在數(shù)據(jù)分析界面對管線壁厚、管線長度、球閥、閘閥、多相流量計、水下連接器、水下控制模塊等設(shè)備元件的重量、價格信息(可以在面板上自主定義)進行數(shù)據(jù)調(diào)用，形成管匯的重量和價格分類統(tǒng)計圖。犧牲陽極、tubing管等部分在設(shè)計中忽略的部分，根據(jù)實際工程確定經(jīng)驗系數(shù)，犧牲陽極塊一般取水下管匯整體重量的5%～10%，tubing管取3%。

在進行數(shù)據(jù)分析后(見圖7)可以選擇管匯優(yōu)化，會對已經(jīng)設(shè)計完成的管匯按照減小投資、體積和重量的方向，在該管匯能夠正常工作的情況下進行優(yōu)化，通過總投資、總重量的數(shù)據(jù)對比來進行判定管匯優(yōu)化程度，在頁面中將會顯示優(yōu)化方法以及優(yōu)化后的重量價格。根據(jù)工程經(jīng)驗，設(shè)計軟件數(shù)據(jù)分析得出的總重量與實際管匯的重量的偏差在30%以內(nèi)是較為合理的。

圖7 數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化

3 結(jié)束語

該文提出一種水下管匯模塊化設(shè)計理念，基于Unity 3D開發(fā)了水下管匯三維模型數(shù)據(jù)庫與水下管匯模塊化設(shè)計仿真系統(tǒng)，解決了以二維設(shè)計手段為主導(dǎo)致的設(shè)計效率低、設(shè)計結(jié)果無法動態(tài)顯示等問題，實現(xiàn)了水下管匯的模塊化設(shè)計、智能化裝配、數(shù)據(jù)分析及設(shè)計優(yōu)化、設(shè)計可視化。針對水下管匯模塊化設(shè)計技術(shù)的研究，不但有助于推動國內(nèi)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展，而且對油氣產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有重要推動作用。在今后的研究中，將進一步完善水下管匯優(yōu)化策略，增加管匯內(nèi)部小管線的設(shè)計，進一步貼近工程實際。