分離式水下基盤的研制及應(yīng)用

石 磊，李文年

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452 2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067

0 引言

我國已在南海開發(fā)超過1 500 m水深的油氣田，這標(biāo)志著我國的海洋油氣開發(fā)邁向了深水和超深水[1]。世界上已經(jīng)投產(chǎn)的深水和超深水油氣田，其主要開發(fā)模式是通過水下井口回接的方式進(jìn)行開采。水下基盤（PLET，Pipeline End Term ination）是海底連接系統(tǒng)的一個重要組成部分[2]。

目前，我國水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計、建造和安裝尚處于起步階段，工程經(jīng)驗缺乏，技術(shù)儲備較少，同國外相比存在很大差距，這一現(xiàn)狀影響了我國深海油氣資源的開發(fā)[3-5]。本文介紹的一種分離式水下基盤已在我國南海某海上油田成功應(yīng)用，對今后水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計、建造和安裝以及相關(guān)科研可起到積極的推動作用。

1 分離式水下基盤設(shè)計方案概述

我國南海某海上油田原有1座海上平臺和1艘FPSO。由于油田儲量發(fā)生了較大變化，原有平臺無法滿足油田的開發(fā)需要，因此需要在原有基礎(chǔ)上，對該油田進(jìn)行調(diào)整開發(fā)。在該油田的調(diào)整開發(fā)項目中，新建了1座平臺，同時新建了1條直徑305mm（12 in）的海底管道，將新建平臺生產(chǎn)的含水15%的原油，與老平臺生產(chǎn)的原油匯總后輸送至FPSO做進(jìn)一步處理。為了將新平臺和老平臺的輸送介質(zhì)匯合，需要增加一座水下基盤。

水下基盤的結(jié)構(gòu)形式主要有以下3種：

（1）集成式。防沉板尺寸較小時，可以將管件、支撐結(jié)構(gòu)和防沉板做成一個整體。

（2）折疊式。將防沉板設(shè)計為可折疊以減小面積，放置于海底后打開增大面積以滿足承載力的要求。

（3）分離式。防沉板與其上部結(jié)構(gòu)分開制造，分開安裝，即先將防沉板安裝到海底，再安裝其上部結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 分離式水下基盤結(jié)構(gòu)示意

在本項目中，由于新建水下基盤需要與原有老海管在海底連接，考慮到海底安裝和水下法蘭連接的方便性，決定將水下基盤設(shè)計為分離式。水下基盤管道部分由海底閥門、水下三通、海底法蘭和海管短節(jié)焊接而成，本文將這部分的組合體定義為WYE橇體，在WYE橇體底部需要放置防沉板起支撐作用。圖1為新建防沉板和WYE橇體的結(jié)構(gòu)示意。

防沉板和WYE橇體分開制造，安裝時先將防沉板安裝到設(shè)計位置，然后再將WYE橇體放置到防沉板上面。通過調(diào)整WYE橇體在防沉板上的位置，來實現(xiàn)其與老海管的連接，防沉板和WYE橇體之間的間隙使用沙袋來調(diào)平。

同時，為了防止WYE橇體在防沉板上滑動，在WYE橇體和老海管之間增加了膨脹彎。將WYE橇體連同膨脹彎一起做模擬計算分析，海管的膨脹量已經(jīng)由新加的膨脹彎吸收，WYE橇體在沒有外力作用時不太可能滑移到防沉板外。

2 防沉板和WYE橇體的設(shè)計

2.1 防沉板的設(shè)計

防沉板屬永久性基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，要求主體能夠支撐坐落在它上面的結(jié)構(gòu)載荷而不發(fā)生破壞。本項目防沉板的設(shè)計承載能力為200 kN，包括水下三通、海底閥門、法蘭、連接管道和陽極的重量。防沉板結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循的主要標(biāo)準(zhǔn)為APIRP 2A（2007）和AISC Spec.S335（2005）。在防沉板的設(shè)計過程中，主要考慮了在位分析、穩(wěn)性分析、吊裝分析、與海底碰撞分析和吊點校核等內(nèi)容。新建防沉板的三維模型如圖2所示，其長度為4.2m，寬度為4.5m。

圖2 新建防沉板三維模型

2.1.1 在位分析

防沉板的在位分析主要包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)性分析。

（1）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

防沉板在海底的重力為64.36 kN（考慮浮力），水下三通重力為24.53 kN，海底閥門重力為51.01 kN，海底法蘭重力為6.47 kN，連接海管重力為6.33 kN，防沉板陽極重力為9.81 kN，安全系數(shù)均取1.1。三通底部沙袋重力為98.10 kN，安全系數(shù)取1.2。因此考慮安全系數(shù)后的總重力為296.48 kN，根據(jù)計算，防沉板的最大UC值（即防沉板的最大應(yīng)力值與材料的屈服強(qiáng)度的比值）為0.62，該防沉板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

（2）穩(wěn)性分析

穩(wěn)性分析需要考慮海底的土壤數(shù)據(jù)和百年一遇的環(huán)境數(shù)據(jù)。經(jīng)計算該防沉板的最小滑動阻力為2 510 kN，由海流所產(chǎn)生的水平力和摩擦力為59.73 kN，因此安全系數(shù)為42（允許安全系數(shù)為1.5）。分別根據(jù)靜態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)和百年一遇環(huán)境數(shù)據(jù)計算出的防沉板的最小方位安全系數(shù)分別為14.65和12.62，而允許的最小安全系數(shù)分別為2.0和1.5。通過上述分析可以看出，該防沉板的穩(wěn)定性滿足要求。

2.1.2 吊裝分析為了確保防沉板能承受吊裝工況下的載荷，防沉板的吊裝分析按APIRP 2A-WSD標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。在防沉板上設(shè)計了4處吊點，吊點位置見圖2。防沉板的自重為71.48 kN，其陽極重力為9.81 kN，安全系數(shù)取1.1，動載系數(shù)取2.0，因此吊裝的總重力為178.84 kN。經(jīng)計算吊裝過程中防沉板的最大UC值為0.07。

2.1.3 與海底碰撞分析

為了確保防沉板能承受與海底的碰撞，防沉板與海底碰撞分析按APIRP 2A-WSD標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。主要考慮的載荷有防沉板的自重、陽極的重力和地面載荷，安全系數(shù)取1.1，海底土壤的承載能力為332.3 kN/m2（整個防沉板下部土壤的承載力為5 981.4 kN）。經(jīng)計算防沉板與海底泥面接觸時的最大UC值為0.96，該防沉板能夠承受與海底的碰撞。

2.2 WYE橇體的設(shè)計

WYE橇體由2臺海底閥門、1座水下三通、3片海底法蘭和海管短節(jié)（袖管）焊接而成，其組成后的具體結(jié)構(gòu)和尺寸如圖3所示。

圖3 新建WYE橇體

2.2.1 主要設(shè)計參數(shù)

WYE橇體的主要設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 WYE橇體主要設(shè)計參數(shù)

2.2.2 海底閥門

海底閥門主要技術(shù)要求如下：

（1）閥門類型：球閥；型式：Trunnion固定耳軸式。

（2） 尺寸：直徑305 mm（12 in）；壓力等級：ANSI900LB。

（3）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：API6D SS；閥門制造等級：API 17D PSL 3。

（4） 閥體材質(zhì)：ASTM A694 F65；閥芯材質(zhì)：ASTM A182 F316L。（5） ROV接口標(biāo)準(zhǔn)：ISO 13628-8；ROV接口等級：Class4；ROV接口方式：水平。

2.2.3 水下三通

水下三通采用水平配置的Y型不對稱結(jié)構(gòu)，這樣可以減小它的尺寸和重力，降低它的重心位置。其主要技術(shù)要求如下：

（1） 材質(zhì)：ASTM A694 F65，或者可與API 5L X65（PSL2）管材焊接的鋼材。

（2）壓力等級：ANSI900LB。

（3）滿足單向通球，且出廠前需完成通球試驗。

2.2.4 海底法蘭

在WYE橇體上使用的法蘭有兩種形式，分別為焊頸法蘭和旋轉(zhuǎn)法蘭。它們的主要技術(shù)要求如下：

（1）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：ASMEB16.5。

（2） 尺寸：直徑305 mm（12 in）；端面型式：RTJ；材質(zhì)：ASTM A694 F65；壓力等級：ANSI 900LB。

（3）焊接坡口外徑：323.9mm；壁厚：12.7mm。

2.2.5 閥門和三通袖管為了保證閥門和三通與海管的焊接性能，并減少袖管焊接對閥門和三通的損傷，要求閥門和三通出廠時袖管長度均為600mm，以保證袖管與海管（API5LX65）焊接時不會影響到閥體本身的焊接熱影響區(qū)，且由袖管焊接產(chǎn)生并傳導(dǎo)至閥體本身的熱量不至于導(dǎo)致閥門軟密封的破壞。袖管規(guī)格為D 323.9mm×12.7mm，材質(zhì)為APIPSL2 X65，袖管坡口型式須符合MSS SP-44 Figure2。

2.3 水下防腐

2.3.1 防沉板的防腐

防沉板的防腐設(shè)計主要采取如下兩種途徑：

（1）采用陰極保護(hù)。在防沉板上設(shè)置了3塊陽極，陽極型號為GB/T 4948-2002中A11E-1。

（2）使用3層防護(hù)涂層。底漆使用紅色的環(huán)氧底漆，厚度為50μm，第二層為灰色的環(huán)氧玻璃鱗片，厚度為500μm；面漆為黃色的環(huán)氧玻璃鱗片，厚度為450μm。

2.3.2 WYE橇體的防腐

閥門防腐涂層為環(huán)氧酚醛樹脂（Epoxy Phenolic），水下三通和法蘭要求外涂FBE（Fusion Bond Epoxy），在袖管與袖管及袖管與法蘭連接的焊縫處需要涂環(huán)氧底漆，并包裹熱收縮帶。

2.4 ROV介入要求

防沉板和WYE橇體的設(shè)計考慮了從安裝、操作及回收等各階段ROV水下介入的要求，包括水下作業(yè)空間、水下作業(yè)穩(wěn)定性、水下作業(yè)可視性以及水下作業(yè)可操作性等。ROV介入要求的設(shè)計遵循API17H和ISO 13628-8規(guī)范。

3 防沉板和WYE橇體的制造及測試

3.1 制造

防沉板主體鋼板的厚度為12mm，材質(zhì)為Q235B，型鋼為H400×200×8×13，材質(zhì)也為Q235B，材料均須滿足GB/T 700-2006的要求。WYE橇體的制造必須遵循DNV-OS-F101標(biāo)準(zhǔn)，所有的焊接程序必須遵循AWSD1.1標(biāo)準(zhǔn)。所有的焊接應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照檢驗程序檢驗，外觀、超聲波或其他類型的檢驗結(jié)果應(yīng)符合驗收標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 測試

由于水下生產(chǎn)設(shè)施高投入、高風(fēng)險的特點，任何一個環(huán)節(jié)的失效都會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生重大的影響，所以在設(shè)備安裝使用前一定要通過標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格測試。WYE橇體在陸地建造階段主要進(jìn)行下列測試工作。

3.2.1 清管、測徑和水壓試驗

（1）清管。清管需要使用帶鋼刷的清管球來完成，其主要目的是將袖管和法蘭中的鐵銹、焊渣和異物等清理干凈，以防這些東西對海底閥門、水下三通及油田生產(chǎn)設(shè)施造成破壞。

（2）測徑。測徑需要使用測徑板來完成，其主要目的是檢測袖管焊接后的橢圓度和內(nèi)徑等是否滿足設(shè)計規(guī)格書和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。

（3）水壓試驗。海底閥門、水下三通和海底法蘭在出廠前已完成水下試驗，其主要目的是檢驗袖管連接處焊縫的強(qiáng)度和嚴(yán)密性。水壓試驗要求承受1.25倍的設(shè)計壓力并保持6 h。

3.2.2 電火花測試需要使用電火花測試儀來完成，其主要目的是檢驗熱收縮帶的包裹質(zhì)量是否符合要求。

3.2.3 陸地開閥測試

海底閥門是水下生產(chǎn)設(shè)施中的關(guān)鍵部件，為了保證WYE橇體安裝到水下后能正常工作，同時弄清楚每臺閥門開啟和關(guān)閉時需要使用的力矩和旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。在陸地進(jìn)行了海底閥門的開閉試驗，并邀請第三方對整個試驗過程和WYE橇體安裝前閥門開閉狀態(tài)進(jìn)行了見證和確認(rèn)。

除陸地建造測試外，防沉板和WYE橇體安裝就位后，在海底還需要進(jìn)行水壓和通球試驗，確保新建防沉板和WYE橇體能夠滿足油田正常生產(chǎn)的要求。

4 防沉板和WYE橇體的安裝

4.1 船舶資源和安裝工具

防沉板和WYE橇體安裝所需的船舶資源和安裝工具如下：

（1）飽和潛水支持船（DSV，Diving Support Vessel）、飽和潛水設(shè)備和人員。

（2）定位系統(tǒng)。

（3） ROV（Remotely Operated Vehicle）。

（4）吊裝索具。

（5）牛眼和電羅經(jīng)等測量工具。

（6）浮袋、手扳葫蘆和液壓拉伸器等輔助工具。

4.2 海上安裝

4.2.1 安裝精度

防沉板在水平方向安裝角度在參考方向上不得超過±5°，位置在參考點一側(cè)半徑為500mm的半圓。WYE橇體在防沉板上就位后，要確保閥門下至少有兩根支撐梁，法蘭應(yīng)懸在防沉板外面。具體要求如圖4所示。

圖4 防沉板安裝精度要求

4.2.2 安裝步驟

防沉板和WYE橇體采用DSV進(jìn)行安裝，先通過DSV將它們運輸至現(xiàn)場，然后再利用DSV的吊機(jī)將其下放至海底安裝位置，主要安裝步驟簡述如下：

（1）進(jìn)行預(yù)調(diào)查、打點定位，清除海底障礙物，對防沉板安裝位置進(jìn)行海床平整處理。

（2）連接吊裝索具，DSV吊機(jī)下放防沉板至海底，ROV全程監(jiān)視下放過程。

（3）潛水員調(diào)整并測量防沉板的安裝位置及坐標(biāo)，確定安裝精度滿足要求。

（4）連接吊裝索具，利用DSV下放WYE橇體至海底，ROV全程監(jiān)視下放過程。

（5）潛水員調(diào)整WYE橇體在防沉板上的位置和角度，確認(rèn)滿足要求。

（6）在防沉板和WYE橇體之間放置灌漿袋，然后拆除并回收吊裝索具，安裝工作完成。

5 結(jié)束語

本文介紹的這種分離式水下基盤的結(jié)構(gòu)形式比較簡單，但使用效果非常理想，建議在今后水下基盤的設(shè)計、建造和安裝過程中注意以下幾個方面：

（1）設(shè)計方案對后續(xù)的采辦、建造和安裝等環(huán)節(jié)有很大影響，因此設(shè)計方案需要與建造和安裝等相關(guān)方提前溝通。

（2）陸地建造、檢驗和測試等工作一定要按照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格執(zhí)行。

（3）海上安裝前，盡可能分析和優(yōu)化施工方案和資源，要有應(yīng)對突發(fā)事件的解決預(yù)案。

[1]郭磊，段夢蘭，李婷婷，等.自適應(yīng)海底管線膨脹位移的管道終端設(shè)計及計算[J].石油礦場機(jī)械，2012，41（4）：25-30.

[2]譚越，石云，劉明.管道終端及防沉板基礎(chǔ)分析[J].海洋石油，2011，31（3）：93-96.

[3]王定亞，王進(jìn)全.淺談我國海洋石油裝備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].石油機(jī)械，2009，37（9）：136-139.

[4]王瑋，孫麗萍，白勇.水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)[J].中國海洋平臺，2009，24（6）：41-45.

[5]李清平.我國海洋深水油氣開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)[J].中國海上油氣，2006，18（2）：130-133.