何鑫，姬興達，王康，張皓，王焱(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引言

當前，三維技術能力的應用已經(jīng)涉及到很多大型復雜裝配體中，但對于水下產(chǎn)品大型復雜裝配體的建模仍缺乏經(jīng)驗，并且在水下產(chǎn)品的三維設計過程中，結構和總體、機械兩條線并行，專業(yè)接口容易出錯，效率低，以往模型的重用度不高，三維建模的規(guī)范性不高，標準化系列化不足，維模型和圖紙未能綁定驅動，模型修改之后，還需要進一步導出CAD 修改，設計效率低。

以當前水下產(chǎn)品的項目要求為例，當項目水深突破1 500 m 時，一般要求30 年免維護，并且工藝管線、液控/化學注入超雙小管工作量大，小管加設、施工、測試往往缺乏經(jīng)驗，缺少施工、測試專用設備。業(yè)主供貨材料(CPI)種類繁多，有時會多達24 大類，超過2.3 萬件材料，且沒有相關使用經(jīng)驗，還會存在對業(yè)主方的文件體系和要求不熟悉的情況。面對項目工期短、任務重的情況，如何能夠合理利用水下產(chǎn)品三維技術，擴展應用場景，解決應用過程中的關鍵技術問題，是目前需要解決的主要問題[1-2]。

1 三維技術概要

三維模型是三維一體化出圖的基礎。只有高準確度、高精細度、高完成度的三維模型才能滿足后續(xù)工作的需求(例如：工程圖繪制、料單統(tǒng)計、干涉檢查、重量中心提取、電纜布線等工作)。圖層是數(shù)據(jù)組織和管理的基本單位，對空間數(shù)據(jù)進行分層是對數(shù)據(jù)管理的重要內(nèi)容，分層管理便于數(shù)據(jù)處理和分析，在圖層支持下，地圖編輯、制圖綜合、專題制圖會更加方便、準確、迅速，在三維設計平臺上完成工程圖繪制，可以讓設計人員在編輯三維模型時所做的每處更改，自動更新到相關聯(lián)的視圖、圖紙和工程圖中。疊置分析是三維空間技術常用的方法之一，圖層疊置分析是指多個圖層在空間上進行疊加產(chǎn)生新圖層，并對新圖層進行計算分析，產(chǎn)生用戶需要的結果或回答用戶提出的問題。圖層疊置分析需要兩個或兩個以上圖層參與，涉及到邏輯并、邏輯交、邏輯差的運算。因此設計人員無須手工重新編輯工程圖紙，從而降低發(fā)生錯誤的可能性，極大地提高了工作效率。在三維設計平臺上完成料單的統(tǒng)計，具有快速、清晰、簡易、模型聯(lián)動的特點。設計人員無須進行機械式的統(tǒng)計工作，統(tǒng)計出來的數(shù)據(jù)也會隨著產(chǎn)品設計的變化而變化，極大地提高了工作效率[3]。

以某管匯的三維模型建立工作為例，在應用三維技術完成模型建立后，以此為基礎，可以提升水下產(chǎn)品大型裝配體的建模技術能力，完成突破三維模型到二維工程圖的轉化能力，完成水下產(chǎn)品企業(yè)庫搭建，并且運用Visualize 完成渲染圖，包括中心管匯效果圖，總體布置效果圖等，并完成PDM 功能的搭建與應用[4]。

2 三維模型解決途徑

模塊化：對于常用的水下產(chǎn)品，做成塊或者基型產(chǎn)品進行保存，項目需用時，按需求調(diào)用，采用“拼積木”的方式進行搭建即可；

參數(shù)化：對于同種類型的水下產(chǎn)品或者零部件，在做設計時充分考慮參數(shù)化驅動，在需要修改時，只需要修改關鍵的驅動參數(shù)，就能生成新的產(chǎn)品或者零部件；

自動化：對于標準件庫或者外購件庫、實現(xiàn)分類收集管理，項目需用時，直接調(diào)用即可自動生成[5]。

三維模型問題的主要解決途徑主要包括：標準化三維模型、標準化零件庫、標準化設計庫、標準化文件等。

標準化三維模型：PLET(固定式、滑移式、折疊式)、PLEM、帶壓開孔結構、PLR(立式、水平)、法蘭保護器、HDM、EDB、MQC；標準化零件庫：標準件庫、外購件庫、廠標件庫、模塊庫；標準化設計庫：素材庫、材料庫、注釋庫、焊件截面庫；標準化文件：零部件命名規(guī)則、工程圖繪制方法、焊件截面設計方法。

3 案例分析

某30-88 水下中心管匯是A 公司承擔的帶控制系統(tǒng)的管匯，該中心管匯設計水深2 000 m，應用水深670 m，中心管匯將實現(xiàn)與8 口水下采油樹的連接，具有SCM、SRM、連接器、水下閥門、電液飛線、多相流量計等整套設備，管匯重量超220 t，整體結構的設計非常緊湊，集成度非常高，制造、測試難度較大。

3.1 項目困難

該項目水深突破1 500 m，是公司第一個自主開發(fā)的深水項目，A 公司首次全面開展帶控制系統(tǒng)中心管匯的制造、測試工作，當前面臨的主要困難包括：(1)項目對于技術、質量、采辦、安全、過程控制要求嚴格；(2)項目工作量大、工期緊；(3)超雙小管的長度突破10 km，潔凈度要求高，安裝和測試難度大；(4)缺乏各方面相關經(jīng)驗。

另外，在管匯結構建造難點，主要包括：(1) 管匯結構：次結構數(shù)量占比約 50%(對結構制造流程和防腐有很大的影響)；(2) 尺寸精度控制嚴格，關鍵尺寸需使用全站儀測量和控制；(3) ROV 面板需要等離子切割，以保證儀控管線定位的準確性；(4)焊縫多為全熔透焊接；加大了檢驗的難度和工作量。

3.2 三維模擬的主要內(nèi)容

基于三維技術的水下產(chǎn)品模型設計，三維模型可以詳細地說明水下產(chǎn)品所涉及的材料、功能、建造、技術要求等所需要的資料信息。三維建模的方法能有效重構出領域內(nèi)專家的知識及知識的運用，為水下產(chǎn)品的設計提供了重要手段，將水下產(chǎn)品的信息內(nèi)容、采用規(guī)則的形式存于知識庫，作為三維設計的主要依據(jù)。主要包括四個方面：安裝階段，頂部操作，前后左右四個面操作，連接器操作。安裝階段是指卸扣拆除、向柱安裝拆除。頂部操作是指閥門操作、SCM/EDB 艙蓋打開。前后左右四個面操作是指閥門操作、電飛線操作、CIMV 操作。連接器操作是指垂直連接器(VCS)操作、臍帶纜連接器(HCS)操作。

3.3 解決的關鍵技術

針對當前存在的諸多困難，A 公司克服利用三維建模，解決了該項目在建設過程中的關鍵技術[6-8]，主要包括：(1)深水管匯尺寸控制技術。提前規(guī)劃管匯關鍵尺寸(94 個關鍵尺寸)，提前對尺寸控制點進行技術交底，施工人員和QC 人員根據(jù)精度控制需要開展工作，整個流程完成閉環(huán)控制。(2)深水管匯核心設備/部件安裝技術。翻譯整理核心設備/部件管理程序(含保管、存儲、搬運、維護、使用等)，通過培訓/交底的方式傳遞給施工方/項目管理/質控人員，并且解讀CPI 程序、圖紙和操維手冊，開展多次技術澄清會、培訓交流、技術交底，確保內(nèi)容傳達到位。(3)深水管匯工藝管線總裝技術。包括：管線預制、安裝定位主管閥門、安裝主管線及管件、安裝定位支管閥門、安裝支管管線及管件、頂板及連接器總裝、剩余結構桿件總裝及補漆等。(4) 化學注入/ 液控tubing 管線制造相關技術。化學注入/液控tubing 管線分段設計技術?；瘜W注入/液控tubing 管線冷彎技術：攻克化學注入/液控tubing 管的連續(xù)自動冷彎技術，并開發(fā)了100°過彎冷彎工藝，通過了第三方(DNV.GL) 的認證?；瘜W注入/液控tubing 管線清潔技術：tubing 管線預制及總裝階段，通過設置獨立加工區(qū)域、人員培訓、管線端部保護、工機具使用、吹掃等措施，有效保障了管線內(nèi)部清潔度；化學注入/ 液控tubing 管線焊接技術：開發(fā)了25Cr 超雙tubing 管線焊接工藝；化學注入/ 液控tubing 管線現(xiàn)場組裝技術：確立了tubing 管線的施工順序安排、分區(qū)組裝技術。(5)深水管匯核心設備/部件測試技術。包括固定端、邏輯帽、長期壓力帽、保護帽、沖洗帽在內(nèi)的系列產(chǎn)品的測試技術，SCM、EDB、電飛線等控制模塊的測試技術，水下液控閥門、水平多孔連接器、水下蓄能器等產(chǎn)品的測試技術。(6)化學注入/液控tubing 管線高效沖洗技術。根據(jù)計算確定沖洗流量需求，考慮溫度、管徑、黏度等因素，結合測試實際，總結確定沖洗時間，在最優(yōu)的時間內(nèi)達到清潔效果，清潔度要求：液控系統(tǒng)達到6 級，化學藥劑系統(tǒng)達到8 級。(7) 深水管匯制造及運輸程序。包括：建造程序、吊裝程序、焊接程序、彎管程序、涂裝程序、運輸和裝船程序等。(8)深水管匯測試方案。編制了中心管匯測試方案確定了沖洗、通球、壓力測試、tubing 沖洗及試壓、閥門功能等FAT 測試內(nèi)容，明確了測試接收標準，確定了裝配、壓力帽、連接器、通訊、ROV 接口及通道測試等EFAT/SIT 測試內(nèi)容，明確了測試接收標準。(9) 深水管匯質量控制體系。包括：ITP、尺寸控制程序、無損檢測程序等，建立了MQC、HCS、VCS等產(chǎn)品拆卸的完整材料追溯體系，建立了水下產(chǎn)品風險控制制度，推動建立水下產(chǎn)品質量案例制度。

3.4 功能測試

(1) 結構FAT。分為管匯模塊結構FAT 和吸力樁結構FAT(可穿插在其他活動中進行)，測試內(nèi)容包括：關鍵尺寸檢查；標識檢查確認；拖曳點檢查；陽極位置/類型/數(shù)量檢查確認；螺栓扭矩&電連續(xù)性確認；密閉空間泄流孔確認；牛眼調(diào)平；ROV 抓手位置檢查；卸扣適配檢查；緩沖器軟著陸檢查；SCM，HR 插頭和EDB 艙蓋測試；羅經(jīng)支架界面測試；ROV 套筒界面檢查/ 西部管匯閥門；MQC、EFL 方向及裝配檢查；重量、重心測量。(2)管線FAT。分為大管線FAT 和小管線FAT。(3) eFAT。驗證控制系統(tǒng)工作是否正常。電纜連續(xù)性/絕緣/電阻測試；光纜測試；水下控制模塊(SCM)接口檢查/ 軟件；啟動/ 傳感器測試/ 電力測試/ 隔離閥測試等；EDB 接口檢查/ 界面測試/ 通訊測試等；液壓控制閥門操作；壓力溫度傳感器(PT/PTT)通信測試；自動清管球探測器(APD)通信測試；化學藥劑注入計量閥(CIMV) 功能測試。(4) SIT。驗證水下ROV 可操作性

3.5 主要成效

首次實現(xiàn)了大于600 m 帶控制系統(tǒng)水下中心管匯的工程應用，實現(xiàn)了1 500 m 水深帶控制系統(tǒng)水下中心管匯的批量工程應用。包括：形成了帶控制系統(tǒng)復雜深水管匯的施工工藝流程、確定了帶控制系統(tǒng)復雜深水管匯工藝管線總裝技術，掌握了帶控制系統(tǒng)復雜深水管匯尺寸控制技術、帶控制系統(tǒng)復雜深水管匯核心設備/部件安裝技術、化學注入/液控tubing 管線分段設計技術、冷彎技術、清潔技術、焊接技術、現(xiàn)場組裝技術、帶控制系統(tǒng)復雜深水管匯核心設備/部件測試技術、化學注入/液控tubing 管線高效沖洗技術，形成了一套完整的帶控制系統(tǒng)復雜深水管匯測試流程。跟蹤并了解復雜帶控制系統(tǒng)深水管匯的擴展工廠接收測試(EFAT) 及系統(tǒng)集成測試(SIT) 技術，為后續(xù)自主完成相關測試工作奠定了基礎。掌握了工程化垂直連接器(VCS)、水平多孔連接器(HCS)散供后廠內(nèi)組裝及出廠測試(FAT)技術。形成了一套完整的帶控制系統(tǒng)復雜深水管匯制造及運輸程序、帶控制系統(tǒng)復雜深水管匯測試方案，建立了帶控制系統(tǒng)復雜深水管匯的質量控制體系，研制配套了一系列深水管匯制造、測試所需的關鍵設備及工裝，并且培養(yǎng)了一批水下生產(chǎn)設施制造、測試實施團隊。

4 結語

本文運用三維技術，分析水下產(chǎn)品在設計、施工等階段的關鍵技術，以三維模型，解決水下產(chǎn)品在全流程過程中的多個關鍵問題，加強水下產(chǎn)品今后的可靠性，并且建模的成果可以重復使用，并且在今后的運用過程中，不斷修正結構，確保設計要求符合現(xiàn)場實際情況。同時，技術的應用可以更加明確水下中心管匯制造、程序和流程，確定主框架整體預制，先設備、次管件、后調(diào)整段、對稱施焊的焊接工序，除了以上應用成效之外，提升水下產(chǎn)品的三維技術能力，還可以用于其他方面的技術成果提煉，包括：完善水下中心管匯的施工工藝。優(yōu)化工藝管線和控制管線的加工設計方法、管匯整體框架反造、翻身的制造工藝，更好地保證了焊接的質量，減小了焊接變形。

掌握中心管匯尺寸控制標準。建立了水下管匯“結構-長度”尺寸公差表；建立焊接后“直線度、平面度、平行度”尺寸公差表；識別管匯關鍵尺寸，掌握了全站儀全程測量技術，保證了中心管匯的建造精度。

掌握水下中心管匯核心部件安裝技術。建立了核心部件管理程序(含保管、存儲、搬運、維護、使用等)；確立核心部件安裝精度控制技術；建立核心部件全過程質量控制體系。