水下管匯設(shè)計(jì)驗(yàn)證衡準(zhǔn)及關(guān)鍵技術(shù)

中國(guó)船級(jí)社 萬(wàn) 波 楊清峽 王 泓 海洋石油工程股份有限公司 琚選擇 中國(guó)石油大學(xué) 李育房

海洋石油工程特別是深水作業(yè)平臺(tái)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程。除從外觀上能看到的巨大的外殼、復(fù)雜的甲板機(jī)械設(shè)備外，還有一個(gè)重要的組成部分就是水下生產(chǎn)系統(tǒng)。其專業(yè)性強(qiáng)、技術(shù)含量高、可靠性要求高，是深水開(kāi)發(fā)方案中非常重要的系統(tǒng)，也是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的領(lǐng)域。

水下管匯是一種由金屬制造的大型設(shè)備，主要由管道和閥門(mén)組成，其技術(shù)十分復(fù)雜。深水管匯可以將不同井口產(chǎn)出的油氣輸送到一條單獨(dú)的管線中，也可對(duì)不同的井口進(jìn)行注水、注氣和注化學(xué)藥劑等工作。

目前，ISO13628-15標(biāo)準(zhǔn)是專門(mén)針對(duì)水下連接系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，一般來(lái)說(shuō)，ISO13628-1以及其等效標(biāo)準(zhǔn)API17A和GB/T21412.1中對(duì)水下設(shè)備的一般要求都要考慮，尤其是安裝、實(shí)驗(yàn)與拆除部分；同時(shí)管路的設(shè)計(jì)還應(yīng)參照ASME B31.3、ASME B31.8標(biāo)準(zhǔn)；焊接采用AWS D1.1/D1.1M標(biāo)準(zhǔn)；電氣及電 纜 參 照IEC60885、IEC60811、IEC60794等標(biāo)準(zhǔn)。

從主性能、主功能的實(shí)現(xiàn)及安全的角度，結(jié)合水下安裝、測(cè)試、維護(hù)的特點(diǎn)，水下管匯設(shè)計(jì)驗(yàn)證的關(guān)鍵要點(diǎn)歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）水下管匯的整體性能和功能驗(yàn)證；

（2）保證水下管匯的強(qiáng)度和密封性的設(shè)計(jì)、材料及防腐要求，以保證水下管匯的基本性能要求；

（3）水下管匯的安裝工具的功能要求，包括ROV 操作介面（interface）的要求；

（4）制造過(guò)程中關(guān)鍵點(diǎn)的質(zhì)量控制。

水下管匯設(shè)計(jì)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)

水下管匯是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分。除水下管匯外，水下生產(chǎn)系統(tǒng)還主要包括：水下采油樹(shù)、跨接管、臍帶纜、水下終端、控制系統(tǒng)、海底管線以及管線終端。水下生產(chǎn)系統(tǒng)如圖1所示。依據(jù)ISO13628-15水下管匯的定義如下：由管匯連接器，分支管和閥門(mén)組成的系統(tǒng)，用于水下油氣的集輸，可對(duì)不同的井口進(jìn)行注水、注氣和注化學(xué)藥劑等工作。典型的水下管匯如圖2所示。

圖1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)Fig.1 Subsea production systems

圖2 水下管匯Fig.2 Subsea Manifold

水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較為全面的是API6A、API 17系 列 標(biāo) 準(zhǔn)、ISO13628系 列 標(biāo)準(zhǔn)和NORSK標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)采用了ISO13628系列標(biāo)準(zhǔn)而制定了GB/T 21412系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)可分為兩部分，一部分是水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體要求標(biāo)準(zhǔn)，如API17A、ISO13628-1和GB/T21412.1標(biāo)準(zhǔn)；另一部分是水下生產(chǎn)系統(tǒng)各個(gè)部分的標(biāo)準(zhǔn)。

水下管匯是水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的一部分，是與其他設(shè)備共同完成采油、注入等生產(chǎn)任務(wù)的。所以，水下管匯設(shè)計(jì)驗(yàn)證，可參考的標(biāo)準(zhǔn)除了管匯的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ISO13628-15外，還應(yīng)結(jié)合水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的其他標(biāo)準(zhǔn)，如ROV操作介面要求，水下接頭等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)?？蓞⒖嫉臉?biāo)準(zhǔn)主要如表1所示。

表1 水下管匯設(shè)計(jì)驗(yàn)證參考標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Reference standard for design veri fi cation of subsea manifold

性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)（PVT）

性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)一般應(yīng)驗(yàn)證水下管匯在額定的壓力、溫度和材料級(jí)別相適應(yīng)的試驗(yàn)流體中的條件下，其性能符合設(shè)計(jì)及其適用規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的要求，包括承載能力、操作力或操作扭矩的驗(yàn)證 。

ISO13628-15標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有給出水下管匯的性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)程序，其性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可參照API 6A附 錄F、ISO13628-4 5.1.7、ISO10423附錄F[12]及等效的國(guó)標(biāo)GB/T21412.4 5.1.7[13]、GB/T 22513-2008附錄E[14]。通過(guò)對(duì)比分析，并結(jié)合水下管匯的特點(diǎn)總結(jié)出水下管匯性能驗(yàn)證試驗(yàn)（PVT）主要包括管匯本體在室溫下的靜水壓力試驗(yàn)、室溫下的氣壓試驗(yàn)、閥的性能鑒定試驗(yàn)、操作性能試驗(yàn)等。

1. 靜水壓實(shí)驗(yàn)和氣壓實(shí)驗(yàn)

接受準(zhǔn)則:

1） 室溫下的靜水壓試驗(yàn)：

室溫下的靜水壓試驗(yàn)，在規(guī)定的試驗(yàn)保壓期間無(wú)可見(jiàn)泄漏，應(yīng)予驗(yàn)收。保壓期間壓力測(cè)量裝置上觀測(cè)到的壓力變化，應(yīng)小于試驗(yàn)壓力的5%或3.45MPa（500psi），擇其小者。

2） 室溫下的氣壓試驗(yàn)：

在性能鑒定試驗(yàn)前，應(yīng)滿足所有生產(chǎn)試驗(yàn)要求。室溫下的氣壓試驗(yàn)，若無(wú)可見(jiàn)連續(xù)氣泡，應(yīng)予驗(yàn)收。若觀測(cè)到泄漏，則在大氣壓下觀測(cè)得到的泄漏量，在規(guī)定的保壓期間應(yīng)小于表API 6A附錄F.1的規(guī)定。

試驗(yàn)壓力:

參考ISO10423標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于水下管匯，本體靜水壓力試驗(yàn)壓力最低應(yīng)為額定工作壓力的1.5倍；氣壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力應(yīng)等于設(shè)備的額定工作壓力。

2. 靜水壓力循環(huán)試驗(yàn)

接受準(zhǔn)則:

1）通過(guò)前后兩次的標(biāo)準(zhǔn)靜水壓（或氣壓，如適用）試驗(yàn)，來(lái)檢驗(yàn)經(jīng)過(guò)靜水壓循環(huán)之后的承壓完整性。

2）標(biāo)準(zhǔn)靜水壓（或氣壓，如適用）試驗(yàn)：參考靜水壓試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn)接受準(zhǔn)則。

試驗(yàn)壓力:

1）靜水壓循環(huán)壓力：額定工作壓力。

2）標(biāo)準(zhǔn)靜水壓（或氣壓，如適用）試驗(yàn)壓力：參考靜水壓試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn)。

循環(huán)次數(shù):

對(duì)于靜水壓力循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)，ISO13628-15標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有明確給出，可以參照ISO13628-4標(biāo)準(zhǔn)中水下井口和采油樹(shù)的最低測(cè)試要求，見(jiàn)下表2。

表2 水下井口和采油樹(shù)壓力循環(huán)試驗(yàn)要求Table1 Test requirements of pressure cycling test for subsea wellhead and tree equipment

從表2可知，水下管匯壓力循環(huán)試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)可定為200次。

3. 閥的性能鑒定試驗(yàn)

閥的性能鑒定試驗(yàn)包括：室溫下的開(kāi)啟/關(guān)閉循環(huán)動(dòng)態(tài)壓力試驗(yàn)、室溫下的低壓閥座試驗(yàn)、最高/最低溫度下的開(kāi)啟/關(guān)閉循環(huán)動(dòng)態(tài)氣壓試驗(yàn)、最高/最低溫度下低壓閥座試驗(yàn)、封存流體兼容性、操作力或扭矩、壓力/溫度循環(huán)。

工廠驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)（FAT）

水下管匯的功能及性能試驗(yàn)，一般原則是在陸上盡可能地模擬出水下所有工況過(guò)程，主要水下設(shè)備的試驗(yàn)大綱應(yīng)進(jìn)行批準(zhǔn)。設(shè)備的單個(gè)部件及組裝件，以及設(shè)備之間、設(shè)備與工具之間的接口配合，應(yīng)符合規(guī)定的要求，并通過(guò)工廠驗(yàn)收試驗(yàn)（FAT）予以驗(yàn)證。

水下管匯的測(cè)試內(nèi)容主要包括功能測(cè)試、組件壓力測(cè)試、和ROV操作介面測(cè)試。

工廠接收試驗(yàn)應(yīng)根據(jù)ISO13628-15 6 Validation and verification of design進(jìn)行。

工廠驗(yàn)收試驗(yàn)一般涵蓋以下項(xiàng)目：

（1）各個(gè)部件測(cè)試；

（2）可能時(shí)用真實(shí)的水下設(shè)備和工具進(jìn)行組裝配合和功能測(cè)試；

（3）可能時(shí)用真實(shí)的水下設(shè)備和工具進(jìn)行接口檢查；

（4）互換性測(cè)試；

（5）液壓試驗(yàn)：

a）包括操作壓力下的閥密封測(cè)試；

b） 確認(rèn)管線準(zhǔn)則要求；

c）持續(xù)時(shí)間可根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，如果沒(méi)有規(guī)定，推薦1小時(shí)；

d） 包括密封試驗(yàn)和端口封閉。

根據(jù)ISO13628-15以及相關(guān)水下生產(chǎn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，水下管匯FAT測(cè)試工藝程序如圖3所示。

系統(tǒng)完整性實(shí)驗(yàn)（SIT）

1. 一般要求

圖3 水下管匯FAT測(cè)試工藝程序Fig.3 Subsea manifold FAT procedure

試驗(yàn)的目的是為了在陸上模擬所有可能在海上進(jìn)行的操作，并在一定的程度上驗(yàn)證所有永久安裝于海底的相關(guān)的設(shè)備/系統(tǒng)。

系統(tǒng)完整性試驗(yàn)應(yīng)根據(jù)ISO13628-15 6 Validation and verification of design 6.2.3 System integration testing進(jìn)行。

系統(tǒng)完整性試驗(yàn)一般包括：

（1）部件和子系統(tǒng)完整性試驗(yàn)和記錄；

（2）最終功能試驗(yàn)和記錄，包括孔測(cè)試和泄漏試驗(yàn)；

（3）最終的電控和液壓控制接口功能試驗(yàn)和記錄；

（4）所有連接部件和模塊的方向和引導(dǎo)配合測(cè)試和記錄；

（5）模擬實(shí)際安裝、干預(yù)和產(chǎn)品模式操作，以確認(rèn)和優(yōu)化相關(guān)程序和規(guī)格書(shū)；

（6）在實(shí)際中可能遇到的特殊條件包括極端惡劣條件下操作，以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)、工具和程序中的任何不足；

（7）在相關(guān)實(shí)際條件下進(jìn)行操作，關(guān)停操作，以提供諸如響應(yīng)時(shí)間之類的系統(tǒng)數(shù)據(jù)；

（8）安裝、裝配試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)備可以按程序進(jìn)行裝配（必要時(shí)在濕的條件下），并完成其功能；

（9） 用適合的流體和滑油裝填，按規(guī)格進(jìn)行清潔、防護(hù)和包裝。

（10） 相關(guān)水下結(jié)構(gòu)之間的連接試驗(yàn)：

① 利用ROV操作工具，對(duì)水下連接器的連接、鎖緊及拆卸功能進(jìn)行功能完整性測(cè)試；

② 測(cè)試密封圈更換功能、轂清潔功能。

（11） 修井控制系統(tǒng)對(duì)管匯/基盤(pán)的功能試驗(yàn)；

（12） 控制箱的運(yùn)行和復(fù)位；

（13） 臍帶纜（液壓/化學(xué)注入管線和電連接）的連接試驗(yàn)；

（14） 管匯系統(tǒng)重裝后的公差檢查；

（15） 通球試驗(yàn)。

2. ROV與安裝工具介入（Interface）試驗(yàn)

ROV功能及可接近性試驗(yàn):

大型管匯的ROV操作閥門(mén)眾多，所以ROV介入測(cè)試非常重要。

要求所有ROV工具應(yīng)在水下管匯的ROV介面上進(jìn)行測(cè)試，ROV及其機(jī)械臂與安裝工具鄰近結(jié)構(gòu)、管路無(wú)碰撞，并能實(shí)現(xiàn)其預(yù)定功能。

依據(jù)技術(shù)規(guī)格書(shū)的要求進(jìn)行的系統(tǒng)完整性試驗(yàn)，主要有（但不限于）：

（1）ROV與管匯ROV操作面板的接口試驗(yàn)；同時(shí)測(cè)試閥門(mén)位置指示器能否正確指示；

（2） 管匯上收發(fā)器的下放試驗(yàn)；

（3） 管匯的吊裝試驗(yàn)；

（4） 下放/安裝工具接口試驗(yàn)；

（5）支撐與保護(hù)結(jié)構(gòu)的展開(kāi)與收起。

ROV停靠及可接近性試驗(yàn):

（1）該測(cè)試可用與水下機(jī)器人一樣尺寸的模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)，目的是為了檢查水下機(jī)器人能在水下順利固定在設(shè)備上；

（2）所有水下機(jī)器人固定梁的都應(yīng)進(jìn)行該試驗(yàn)。

結(jié)論

1. 水下管匯作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)重要組成部分，其整體性能和功能設(shè)計(jì)驗(yàn)證是保證管匯性能和功能實(shí)現(xiàn)的必要過(guò)程，以使由于設(shè)計(jì)缺陷、制造過(guò)程質(zhì)量控制缺陷、測(cè)試不到位等導(dǎo)致的設(shè)備質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

2. 本文依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程經(jīng)驗(yàn)，從水下管匯設(shè)計(jì)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)、PVT、FAT、SIT四個(gè)方面給出較為詳細(xì)、完整的設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法，為將來(lái)標(biāo)準(zhǔn)解釋和制訂完善適合國(guó)產(chǎn)化的標(biāo)準(zhǔn)提供了技術(shù)參考。

3. CCS可提供的服務(wù)：

（1）水下生產(chǎn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)審查；

（2）產(chǎn)品的原型試驗(yàn)鑒定；

（3）水下生產(chǎn)設(shè)備、控制設(shè)備、分離設(shè)備、增壓設(shè)備鑒證檢驗(yàn)：

制造過(guò)程檢驗(yàn)；工廠/出廠試驗(yàn)（FAT）；延伸工廠試驗(yàn)（EFAT）；系統(tǒng)完整性試驗(yàn)（SIT）；場(chǎng)地接收試驗(yàn)（SAT）；安裝與回收等。

4. 客戶獲益：

（1）水下生產(chǎn)系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)與設(shè)備符合我國(guó)主管機(jī)關(guān)（國(guó)家安監(jiān)生產(chǎn)監(jiān)督總局）的相應(yīng)要求；整個(gè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)獲得CCS簽發(fā)的符合證書(shū)。

（2） 水下生產(chǎn)設(shè)備、控制設(shè)備、分離設(shè)備、增壓設(shè)備等產(chǎn)品獲得CCS簽發(fā)的“海上固定設(shè)施產(chǎn)品檢驗(yàn)證書(shū)”。

（3）新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)獲得CCS的認(rèn)可。