海管終端連接裝置設(shè)計(jì)研究

吳旭維, 李 晉, 楊士明, 韓 旭, 趙周林

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452 )

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海管終端連接裝置設(shè)計(jì)研究

吳旭維, 李 晉, 楊士明, 韓 旭, 趙周林

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452 )

該文對水下海管終端連接裝置進(jìn)行研究，自主設(shè)計(jì)并建造了一種展翼式海管終端連接裝置，同時(shí)在我國南海300 m水深某油田得到實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了水下系統(tǒng)管道連接領(lǐng)域的國產(chǎn)化。結(jié)合此裝置積累的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)介紹其設(shè)計(jì)和建造過程中主要考慮的問題和解決方法，對今后類似項(xiàng)目有一定的借鑒作用。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)；海管終端連接裝置；海管；接頭

0 引言

近年來，隨著陸上和近海油氣資源的日益枯竭，油氣田開發(fā)逐步從近海走向深水領(lǐng)域。使用水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)深水油氣田，可以避免建造昂貴的海上采油平臺，節(jié)省大量建設(shè)投資，而且水下生產(chǎn)系統(tǒng)受天氣影響較小，可靠性強(qiáng)，因此成為開采邊際油氣田和深水油氣田的關(guān)鍵技術(shù)。水下生產(chǎn)系統(tǒng)在國外經(jīng)過了大量的工程項(xiàng)目實(shí)踐檢驗(yàn)，對于3 000 m水深以內(nèi)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造、安裝技術(shù)已經(jīng)比較成熟。我國深水油氣田開發(fā)起步較晚，水下生產(chǎn)系統(tǒng)還處于起步階段，在應(yīng)用方面缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，這一現(xiàn)狀影響了我國深海油氣資源的開發(fā)。因此開展水下生產(chǎn)技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)水下生產(chǎn)設(shè)施國產(chǎn)化對我國適應(yīng)未來深水油氣田的開發(fā)是十分必要的。

1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)

我國南海某油田的水下生產(chǎn)系統(tǒng)如圖1所示，由井口、采油樹、水下管匯、海管終端連接裝置(Pipeline End Terminal，簡稱PLET)、臍帶纜終端分配裝置、跨接管、海管及臍帶纜等構(gòu)成。多個(gè)井口油氣通過跨接管與水下管匯匯集后，再由跨接管與海管終端連接裝置相連，最終輸送到接收終端，而控制信號、動力源及化學(xué)藥劑等通過臍帶纜與臍帶纜終端分配裝置輸送至各個(gè)控制點(diǎn)和注入口。

圖1 典型的水下生產(chǎn)系統(tǒng)

2 海管終端連接裝置

海管終端連接裝置(PLET)與跨接管一起用于連接海管與水下管匯，一般情況下立式連接較臥式連接簡單經(jīng)濟(jì)。圖2為國外某公司的PLET模型，圖3為我國首個(gè)自主設(shè)計(jì)和建造的PLET，并在南海某油田中實(shí)現(xiàn)了首次國產(chǎn)化應(yīng)用。如圖3所示，該P(yáng)LET接頭為國外公司提供，用以連接跨接管，因PLET在鋪管過程中需要通過鋪管船上的流水作業(yè)線，因此設(shè)計(jì)成可拆卸展翼式。PLET入水后浮子鉤連接浮筒以保持其在水中平衡，留尾鉤連接留尾繩以控制其平緩下降著床，下降至海底一段距離后，在ROV(水下機(jī)器人)的操控下，使其順利展翼并最終平穩(wěn)地坐落在預(yù)設(shè)著床位置，為海管連接做好準(zhǔn)備。

圖2 國外某公司PLET 圖3 南海某油田PLET

3 工藝與設(shè)計(jì)要求

3.1 總體要求

海洋石油行業(yè)具有高風(fēng)險(xiǎn)、高投入、高回報(bào)的特點(diǎn)，要求水下設(shè)施滿足3R要求(Reliability可靠性，Redundancy冗余性，Retrievability可回收性)，因此對PLET的設(shè)計(jì)、選材、制造、檢驗(yàn)和功能測試等提出了更高的要求。PLET主體采用ISO13628或API 17《水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與操作》設(shè)計(jì)，其中海管部分采用DNV-OS-F101 《海底管線系統(tǒng)》設(shè)計(jì)，同時(shí)還要滿足國內(nèi)相關(guān)法律法規(guī)的要求。設(shè)計(jì)過程中除考慮管內(nèi)介質(zhì)對結(jié)構(gòu)的影響外，還要考慮外部洋流、漁網(wǎng)拖拽、拋錨撞擊等生命周期內(nèi)的所有外部因素對結(jié)構(gòu)的影響。

3.2 基礎(chǔ)要求

考慮PLET著床位置的土壤松軟情況、海床地勢平坦程度等因素，采用防沉板扎入海底的方式進(jìn)行作業(yè)。防沉板設(shè)計(jì)成上部為普通帶孔鋼板，以承載PLET，防止其下沉，使其能夠在防沉板上相對滑動，以抵消海管伸縮對其產(chǎn)生的軸向負(fù)載，洋流對其產(chǎn)生的橫向負(fù)載，彎矩對基礎(chǔ)的不均勻沉降。防沉板下部設(shè)置成可扎入海床的型鋼以固定于海床之上。

3.3 安裝要求

在安裝至最后一段海管時(shí)，預(yù)先下放海管至海底，以最大限度釋放長距離鋪管所引起的過大扭矩和軸向位移，否則會導(dǎo)致PLET著床位置定位偏差和結(jié)構(gòu)額外負(fù)載過大，在內(nèi)部介質(zhì)和外部洋流等因素共同作用下發(fā)生強(qiáng)度失效、過大傾斜、甚至傾覆。

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

為清管需要，PLET內(nèi)的海管需與外部海管材料和壁厚保持一致，然而其受力情況卻比海管復(fù)雜得多，因此對于浮子鉤和留尾鉤的作用點(diǎn)附近進(jìn)行局部應(yīng)力分析，該部位采用整體鍛件以保證強(qiáng)度，而海管主體則通過展翼結(jié)構(gòu)來支撐，以克服外部因素對其影響。PLET其他部分作為輔助結(jié)構(gòu)，除了考慮結(jié)構(gòu)自重、著床沖擊、洋流、腐蝕等因素的影響外，還要預(yù)留足夠的空間為ROV對PLET進(jìn)行水下測試與操作，因此PLET不應(yīng)設(shè)計(jì)得太緊湊。

4 建造與測試要求

4.1 PLET制造難點(diǎn)

PLET的著床精度直接影響海管連接的難易程度，水下安裝的成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于陸地安裝，因此為降低水下安裝難度，應(yīng)盡可能提高陸地建造精度。然而PLET大多數(shù)零部件為焊接形式，且存在大量運(yùn)動副，如果對精度提出過高要求，不但增加了建造成本，而且結(jié)構(gòu)可靠性往往也會降低。因此，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和可靠性的基礎(chǔ)上，制造PLET的最大難點(diǎn)在于焊接件的變形控制和展翼著床精度控制。

4.2 焊接件的變形控制

PLET結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可拆卸式，存在很多管插管結(jié)構(gòu)，如圖4所示。這種管插管結(jié)構(gòu)一直是鋼結(jié)構(gòu)工程中一個(gè)難點(diǎn)，懸臂管長度越長，兩管間隙越小，制造難度越大。組對時(shí)，預(yù)先使懸臂小管插入大管，間隙內(nèi)均布1 mm～3 mm間隙片，其值等于大小管間隙，5組懸臂管同時(shí)采用小電流氬弧焊對稱焊接，焊接完成后，加溫焊縫以釋放應(yīng)力，待焊縫冷卻后，移除間隙片和小管，進(jìn)行試拆和試裝，對局部卡住的部分進(jìn)行打磨處理，最終使得所有管插管結(jié)構(gòu)能夠自由插入。

圖4 多懸臂管插管結(jié)構(gòu)

4.3 展翼著床精度控制

圖5 展翼誤差分析

PLET著床展翼主要控制點(diǎn)為著床位置精度和PLET接頭豎直度。著床位置精度由鋪管方法控制，精度一般控制在米級，接頭豎直度由防沉板水平度和PLET接頭垂直度控制。防沉板水平度在水下控制較難，因此豎直度控制的最有效方法是把PLET展翼著床后接頭的垂直度控制在0.5°范圍內(nèi)。如圖5所示，該P(yáng)LET存在14處管插管結(jié)構(gòu)，24處轉(zhuǎn)動副，8處移動副。誤差主要由運(yùn)動副間隙誤差、結(jié)構(gòu)件長度誤差、展翼角度誤差、焊接變形誤差等累計(jì)而成，其中運(yùn)動副間隙誤差和焊接變形誤差占主要地位。間隙越大，可靠性越好，但著床精度越低，因此為同時(shí)保證可靠性和精度，以小熱輸入、對稱焊接來控制變形、減小誤差，以工廠展翼后調(diào)節(jié)翼尾插入深度、調(diào)平翼尾滑板的方法來補(bǔ)償運(yùn)動副間隙誤差，最終把PLET接頭的垂直度控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

4.4 試驗(yàn)和測試要求

PLET制造過程中和完成后需要做各種強(qiáng)度試驗(yàn)和性能測試，以驗(yàn)證其能夠滿足3R要求。當(dāng)主結(jié)構(gòu)海管焊接完成后，做通徑試驗(yàn)以確保該段海管內(nèi)部無過大焊瘤，可以滿足后續(xù)水下清管作業(yè)要求；通徑試驗(yàn)完成后對海管段進(jìn)行水壓試驗(yàn)，驗(yàn)證其滿足強(qiáng)度要求；整個(gè)結(jié)構(gòu)完成之后，需模擬海上安裝工況，做翼尾插入翼根可靠性測試，做展翼測試，做浮子鉤和留尾鉤轉(zhuǎn)向測試，模擬ROV機(jī)械手對PLET進(jìn)行水下操控測試。

5 結(jié)論

盡管PLET走出了水下系統(tǒng)國產(chǎn)化的第一步，但不難發(fā)現(xiàn)離完全國產(chǎn)化還有很多路要走。在所有水下對接裝置中，包括PLET、JUMPER等，海管對接接頭作為其核心部件尚沒有能力國產(chǎn)化，仍然處于攻關(guān)階段。然而，國內(nèi)某些高校也對海管連接器進(jìn)行了很多理論研究工作，制成了各種實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室水池模擬實(shí)驗(yàn)，取得了很大的進(jìn)步，但一直沒有經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用的檢驗(yàn)。今后各水下油氣田業(yè)主應(yīng)考慮首先以備用方案使用國產(chǎn)設(shè)備，直至完全推廣，為PLET完全國產(chǎn)化提供。

[1] 中海石油研究中心.深水工程手冊[M].北京：中海石油研究中心，2010.

[2] 王建文，王春升，楊思明. 流花4-1油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體布置設(shè)計(jì)[J]. 中國造船，2011，64(A01):172-178.

[3] ISO 13628-15.Petroleum and natural gas industries -Design and operation of subsea production systems Part 15 ：Subsea structures and manifolds[S].2005.

[4] 譚越，劉明. 水下生產(chǎn)系統(tǒng)防沉板基礎(chǔ)分析[J].船海工程，2012.41(04):133-141.

[5] 桑運(yùn)水,王希華,趙富國,張子國.海底管道懸空隱患成因及防治[J].中國造船，2004，57(A01):408-412.

[6] 胡茂宏,顧永維,王宇臣.ROV碰撞對防沉板式水下生產(chǎn)系統(tǒng)承載能力的影響[J].中國造船，2012，65(A01):40-45.

[7] 何寧，吳旭維. 水下管道法蘭連接扳手系統(tǒng)的仿真研究[J].機(jī)械工程師，2011，43(5):47-50.

The Research on Subsea Pipeline End Terminal

WU Xu-wei, LI Jin, YANG Shi-ming, HAN Xu, ZHAO Zhou-lin

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd， Tianjin 300452， China)

Researched on the subsea pipeline end terminal(PLET), independently designed and constructed a type of PLET with spread wings, and has been applied in an oilfields of 300m water depth in the South China Sea , and domestically applied in subsea pipe connection field of subsea production system(SPS). Then, Combined with the actual experiences, specially introduced the main problems and it’s resolvents in design and fabrication process, and given a useful reference in similar further project.

SPS; PLET; subsea pipeline; connector

2014-01-15

吳旭維(1982-)，男，工程師。

1001-4500(2015)03-0007-04

P75

A