深水壓力試驗中水下設(shè)備壓力設(shè)計

張 飛，李 剛，石 磊，曹 永

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

壓力試驗是保障深水水下設(shè)施及海底管道強度、密封可靠性的重要手段。安裝后的水下設(shè)施與海底管道通常作為一個整體進行壓力試驗，其試驗壓力、水壓時間依據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范確定。海底管道設(shè)計規(guī)范主要包括DNVGL ST F101—2017《Submarine Pipeline Systems》［1］、API RP 1111—2015 《Design，Construction,Operation,and Maintenance of Offshore Hydrocarbon Pipel-ines （Limit State Design）》［2］、ASME B31.4—2016《Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids》［3］、ASME B31.8—2016《Gas Transmission and Distribution Piping System》［4］等。應(yīng)用這些標準確定海底管道水壓試驗的壓力時，應(yīng)考慮海底管道水壓試驗對水下設(shè)施的影響。在淺水應(yīng)用條件下，海底管道的水壓試驗對水下設(shè)施的影響可以忽略。文中對深水條件下海底管道系統(tǒng)受立管中液柱高差產(chǎn)生的壓力影響進行探討。

1 水下設(shè)施受壓條件分析

海底管道系統(tǒng)中，管內(nèi)液柱高度和管外海水靜水壓力可以平衡，不會因水深而引起超壓，而水下設(shè)施則不一定。水下設(shè)施一般由1個或多個水下設(shè)備、管道以及結(jié)構(gòu)組成，某些水下設(shè)備含有多道密封或具有圈閉空間，內(nèi)部壓力和外部海水靜水壓力作用不在同一部件上，無法平衡內(nèi)外部壓力，因此需要結(jié)合最大內(nèi)部壓力進行設(shè)計。設(shè)計過程中涉及的水下設(shè)備部件包括水下閥門［5-6］的閥桿密封組件和 O型密封圈（圖 1）、水下連接器［7］的金屬密封和O型密封圈（圖2）以及壓力傳感器的隔膜等。常見水下設(shè)備工廠水壓試驗壓力條件包括，①水下閥門的閥座密封測試壓力為1.1倍額定工作壓力。②水下閥門的閥體水壓試驗壓力為1.5倍額定工作壓力（閥門半開狀態(tài)）。③水下連接器的工廠水壓試驗壓力一般為1.5倍額定工作壓力。

圖1 水下閥門的閥桿和閥蓋密封

圖2 水下連接器的密封構(gòu)造

水下設(shè)備與水下設(shè)施集成為一體進行水壓試驗 （包括水下設(shè)施的工廠測試）。無法平衡內(nèi)、外部壓力而且水壓試驗壓力超過上述規(guī)定壓力的水下設(shè)備，需要進行單獨評定和測試。例如，水下閥門在全開啟或全關(guān)閉狀態(tài)下的測試壓力不要超過1.1倍額定工作壓力，半開狀態(tài)下最大不要超過1.5倍額定工作壓力。但是半開狀態(tài)閥座和球體只是部分接觸，對閥座彈簧推力有影響，該狀態(tài)持續(xù)時間不宜過長，工廠測試時間一般小于4 h。有些設(shè)備廠家會要求設(shè)備安裝后的試驗壓力不能超過額定工作壓力，所以在設(shè)備采購中需要結(jié)合工程實際條件與廠家澄清和明確相關(guān)的要求。

2 海底管道系統(tǒng)深水壓差效應(yīng)

按照 API 17TR11—2015《Pressure Effects on Subsea Hardware during Flowline Pressure Testing in Deep Water》［8］中的定義，深水海底管道壓力試驗中水下設(shè)備額定工作壓力（RWP）為按照規(guī)范要求的設(shè)備標準壓力系列，絕對額定工作壓力（RWPa）為只考慮內(nèi)壓的設(shè)備或材料的額定工作壓力，壓差額定工作壓力（RWPd）為考慮內(nèi)、外壓差后的設(shè)備或材料的額定工作壓力。壓差額定工作壓力主要適用于內(nèi)、外壓差能夠平衡并且可承受更高內(nèi)部壓力的設(shè)備或材料。API 17TR11—2015介紹了5種深水壓力試驗下的水下設(shè)備壓差效應(yīng)情況。

2.1 情況1

水下試驗壓力等于或小于絕對額定工作壓力。通常情況下，情況1的使用條件是設(shè)計時需要遵守的，對設(shè)備和材料不會有損害，不需要特別的評定工作。

2.2 情況2

水下試驗壓力大于RWPa但小于等于RWPd。由于超過了RWPa，使用者或操作方需要咨詢設(shè)備廠家以確認該壓力不會對設(shè)備的部件產(chǎn)生影響。尤其是針對所闡述的應(yīng)用場合，對于水下閥門等設(shè)備可能會要求廠家對相應(yīng)部件進行適應(yīng)性設(shè)計和測試，并完成評定。

2.3 情況3

水下試驗壓力大于RWPd但小于等于1.5倍RWPa。這種情況下，水壓試驗壓力大于壓差額定壓力但是小于設(shè)備的工廠接收試驗 （FAT）的壓力，通常為1.25倍或1.5倍RWPa，和情況2一樣，使用者或操作方需要咨詢設(shè)備廠家以確認該壓力不會對設(shè)備的部件產(chǎn)生影響，對于水下閥門等設(shè)備可能會要求廠家對相應(yīng)部件進行適應(yīng)性設(shè)計和測試，并完成評定。對于水下閥門，如果確實需要壓力試驗至1.5倍RWPa，可以考慮將閥門半開，使閥體承受較大的試驗壓力，但是不建議超過閥門的FAT殼體試驗壓力（1.5倍額定工作壓力）和試驗時間（比如4 h）。有些設(shè)備廠家可能建議水壓試驗在FAT試驗壓力的基礎(chǔ)上留出一定余量即可，比如不超過90%的FAT試驗壓力，但是針對這一點還沒有形成統(tǒng)一的標準要求。

2.4 情況4

水下試驗壓力大于1.5倍RWPa但小于等于1.5倍RWPd。除非特殊情況，不要出現(xiàn)水壓試驗壓力大于1.5倍RWPa，否則應(yīng)進行評估、設(shè)計以及評定測試，尤其是針對多道密封構(gòu)件、承受圈閉壓力部件的設(shè)備。評定測試時需要精確模擬水下試驗時設(shè)備部件所承受的最大內(nèi)部壓力和外部壓力，以及能夠涵蓋水壓試驗實際打壓的時間和試驗次數(shù)。模擬測試結(jié)束后還應(yīng)對部件進行性能試驗 （比如，API 6A—2010 《Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment》［9］性能等級PR2），以驗證部件的使用性能是否滿足設(shè)計要求。

API 17TR12—2015 《Consideration of External Pressure in the Design and Pressure Rating of Subsea Equipment》［10］針對上述情況下的設(shè)備設(shè)計進行了闡述，具體見第4節(jié)內(nèi)容。

2.5 情況5

水下試驗壓力大于1.5倍RWPd。此情況應(yīng)該盡量避免。設(shè)備部件在1.5倍RWPd的峰值應(yīng)力應(yīng)已接近材料的屈服應(yīng)力，且海上水壓試驗一般比FAT的保壓時間長得多，這種高應(yīng)力且長時間承壓情況很可能造成設(shè)備的損壞。

2.6 應(yīng)用建議

對于新建的海底管道和水下設(shè)施，如果能夠?qū)⑸钏５坠艿篮蜕钏⒐苡行Ц綦x，比如立管底部基盤或管端水下設(shè)施PLET［11］上有合適的壓力等級的隔離閥門，可按API 17TR11—2015中的建議分別對海底管道和立管進行單獨試壓，這樣海底管道部分就不用考慮內(nèi)部水柱水深靜水壓力的影響，但需要注意立管底部的隔離閥是否超過閥門的額定工作壓力。對于舊的或長期存儲的水下設(shè)施，則應(yīng)進行單獨的評估。

3 外壓作用下水下設(shè)備評估

深水壓力試驗的水下設(shè)備壓力設(shè)計實際上是設(shè)備承受外壓情況下的一個典型情況。對于一般情況，API 17TR12—2015為承受外壓情況下的設(shè)備評估給出了推薦做法，見圖3［10］。圖3中，DAWP表示深度調(diào)節(jié)工作壓力，SWD表示指定的水深，DWP表示工作壓力壓差。

圖3 外壓作用下水下設(shè)備設(shè)計評估流程圖

外壓作用下水下設(shè)備主要評估過程包括，①全面了解系統(tǒng)/設(shè)備的運行和功能特性。②進行危險識別/風(fēng)險評估。③確定設(shè)備類別，包括承壓設(shè)備、帶圈閉壓力的承壓設(shè)備、控壓設(shè)備。④有限元分析(FEA)。⑤采用馮米塞斯應(yīng)力，更準確地預(yù)測應(yīng)力狀態(tài)。⑥為保護下列情況而進行的核查，包括局部失效/局部應(yīng)力集中、棘輪效應(yīng)的影響。⑦FEA結(jié)果(應(yīng)力)應(yīng)符合適用的設(shè)計規(guī)范。⑧在高壓艙中測試或用測試夾具模擬外部壓力。⑨對于不適合進行高壓測試的大型部件，可以通過ASME VV-10—2006 《Guide for Verification and Validation in Computational Solid Mechanics》［12］進行 FEA 驗證。⑩FAT 符合產(chǎn)品規(guī)范。

4 南海某深水氣田項目水壓試驗設(shè)計考慮

4.1 立管系統(tǒng)布局［13］

南海某氣田項目采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)進行開發(fā)，應(yīng)用水深1 300～1 550 m，屬于典型的深水開發(fā)項目。水下設(shè)施和上部依托設(shè)備通過1條直徑45.72 cm（18 英寸）的立管（所在水深 1 367 m）連接為一體。立管采用鋼懸鏈線立管（SCR），底部設(shè)有1個海底管道終端設(shè)施PLET。該氣田海底管道和立管系統(tǒng)的設(shè)計壓力為21.3 MPa,整個系統(tǒng)布局見圖4。

圖4 南海某氣田立管系統(tǒng)布局示圖

4.2 立管水下設(shè)備壓力設(shè)計［14-16］

4.2.1 按淺水項目

水下閥門和連接器的額定工作壓力主要依據(jù)為海底管道的設(shè)計壓力pd。已知pd=21.3 MPa，則水壓試驗壓力pt=1.25pd=26.63 MPa。根據(jù)計算結(jié)果選擇額定工作壓力為34.5 MPa（5 000 psi）的水下閥門和連接器即可滿足要求，且還有一定的余量。

4.2.2 按深水項目

水面上部壓力測試入口的水壓試驗壓力pt=1.25pd=26.63 MPa。水深產(chǎn)生的液柱壓力ph=ρgh。其中，試驗介質(zhì)密度 ρ=1.025 kg/m3，重力系數(shù)g=9.8 N/kg，水深h=1 367 m。帶入數(shù)值計算，得到ph=13.73 MPa。水下設(shè)施內(nèi)部的試驗壓力 pt+ph=26.63+13.73=40.36（MPa）。

可以看出，在這個水深條件下，水下設(shè)備的試驗壓力超過了 34.5 MPa（5 000 psi）。按照API 6A—2010劃分的額定壓力等級 （3 000 psi、5 000 psi、10 000 psi、15 000 psi 等），需要選擇 10 000 psi（69 MPa）這一級才能滿足要求，與40.36 MPa的設(shè)計壓力相比余量較大。

經(jīng)過和各制造廠家充分溝通，廠家擁有51.75 MPa（7 500 psi）額定壓力等級的成熟產(chǎn)品（之前經(jīng)過完整的評定測試并有供貨業(yè)績），所以從安全和經(jīng)濟性兩方面綜合考慮，最后將立管PLET上的閥門和連接器的額定工作壓力等級確定為 51.75 MPa（7 500 psi）。

5 結(jié)語

深水條件下的海底管道系統(tǒng)水壓試驗中，立管中液柱高差會對水下設(shè)施承受外壓的定量產(chǎn)生影響。水下設(shè)備承受的內(nèi)、外壓力不能簡單抵消。對于含有多道密封或具有圈閉空間的水下設(shè)備，內(nèi)部壓力和外部海水靜水壓力并不作用在同一部件上，無法平衡內(nèi)、外部壓力，需要結(jié)合最大內(nèi)部壓力進行設(shè)計。對于API 17TR11—2015中說明的5種不同的深水壓力試驗水下設(shè)備壓差效應(yīng)情況，通常情況1的使用條件是需要遵守的，否則可能會對設(shè)備造成損害，需要咨詢設(shè)備廠家的正式意見，或者結(jié)合具體應(yīng)用條件進行專門的評定和測試。

深水開發(fā)在國內(nèi)還處于起步階段，國內(nèi)的設(shè)備生產(chǎn)廠家不應(yīng)只關(guān)注設(shè)備本身，還應(yīng)關(guān)注深水工程實施中的具體問題。工程設(shè)計方也需對水下設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點和限制條件深入研究，二者應(yīng)有機結(jié)合。