深水立管標(biāo)準(zhǔn)體系分析

譚 越，石 云，連 華，吳 煒

1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028

2.中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司，北京 100007

深水立管是深海油氣田開(kāi)發(fā)的必備設(shè)施，惡劣的深海服役工況和復(fù)雜的作業(yè)因素對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度、塑性、韌性、疲勞性能、耐蝕性、抗壓潰性能以及幾何尺寸精度等提出更高要求。深水立管在墨西哥灣、北海和西非等油氣田資源豐富的海域廣泛應(yīng)用。在過(guò)去的十幾年里，立管技術(shù)取得了工作水深從300 m 到2 500 m 的進(jìn)步，水深的增加，使得立管的設(shè)計(jì)和制造更加復(fù)雜[1-3]。國(guó)外大型石油公司，如道達(dá)爾、殼牌等，一般都有符合其自身實(shí)際情況的立管管材性能指標(biāo)、焊接及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)體系，相應(yīng)的生產(chǎn)廠家也有較為完善的試驗(yàn)、制造體系。

我國(guó)深水油氣開(kāi)發(fā)起步較晚，至今還沒(méi)有鋼懸鏈線式、頂端張力式以及混合式立管應(yīng)用業(yè)績(jī)，近些年也開(kāi)展了許多研究，具備了一定的設(shè)計(jì)和管材制造能力，立管關(guān)鍵材料和部件（例如TTR連接器和應(yīng)力節(jié)點(diǎn)等） 均依賴進(jìn)口。對(duì)于柔性立管，國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于南海的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油系統(tǒng)（FPSO），目前也全部是進(jìn)口產(chǎn)品。因此，自主創(chuàng)新研究并建立標(biāo)準(zhǔn)體系是推進(jìn)深水立管國(guó)產(chǎn)化的必由之路。

1 立管簡(jiǎn)介

海洋立管系統(tǒng)是指連接水面上浮式平臺(tái)和水下設(shè)施的傳送流體的導(dǎo)管，一般有高壓油氣或氣流通過(guò)，外部承受波浪、海流荷載的作用。從功能上分為鉆井立管和生產(chǎn)立管兩大類；從結(jié)構(gòu)形式上又分為頂端張力式（TTR）、鋼懸鏈線式（SCR）、柔性式（Flexible Riser） 和混合式立管（Hybrid Riser） 等幾種類型[4]，如圖1 所示。立管形式直接關(guān)系到浮式平臺(tái)的選型，甚至?xí)绊懹蜌馓镩_(kāi)發(fā)方案的確定[5]。

立管必須足以承受內(nèi)壓以及安裝和作業(yè)過(guò)程中的其他荷載，如安裝工具產(chǎn)生的高度集中荷載。材料的選擇要考慮立管尺寸、制造方法、油氣生產(chǎn)速度、注入的化學(xué)藥劑等因素，必須保證在沖蝕和腐蝕條件下的使用壽命；在深水項(xiàng)目中還需面對(duì)高靜水壓力、管徑、重量等主要難點(diǎn)[6-8]。因此，立管的設(shè)計(jì)和制造有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

2 標(biāo)準(zhǔn)體系梳理

2.1 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO） 中，立管標(biāo)準(zhǔn)主要由石油、石化和天然氣工業(yè)用材料、設(shè)備和海上結(jié)構(gòu)技術(shù)委員會(huì)下的兩個(gè)分委會(huì)（SC2 管道傳輸系統(tǒng)分委會(huì)和SC4 鉆井和生產(chǎn)系統(tǒng)分委會(huì)） 負(fù)責(zé)編制和發(fā)布。

ISO 系列標(biāo)準(zhǔn)更多的是整體性、綱領(lǐng)性的要求，以及描述性的相關(guān)定義和簡(jiǎn)單分類，沒(méi)有細(xì)化規(guī)范[9]，表1 列出與立管相關(guān)的ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[10]。

表1 立管相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

2.2 美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)

石油工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化起源于美國(guó)，因此由美國(guó)石油學(xué)會(huì)（API） 制定的很多標(biāo)準(zhǔn)在世界范圍內(nèi)占據(jù)著主導(dǎo)地位。API 標(biāo)準(zhǔn)體系更新及時(shí)，基于墨西哥灣海上油氣田開(kāi)發(fā)的工程經(jīng)驗(yàn)，發(fā)布了涉及立管的標(biāo)準(zhǔn)有10 余項(xiàng)，包括標(biāo)準(zhǔn)（Std）、推薦做法（RP）、規(guī)范（Spec）、技術(shù)報(bào)告（TR）等類型[11]，部分標(biāo)準(zhǔn)被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采用，見(jiàn)表2[12]。

API 油田設(shè)備和材料標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（CSOEM— Committee on standardization of oilfield equipment and materials） 沒(méi)有立管的分委會(huì)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)涉及海上結(jié)構(gòu)（SC2—Subcommittee on offshore structures）、水下生產(chǎn)系統(tǒng)（SC17—Subsea Production Systems）和鉆井控制設(shè)備 （SC16 — Drilling well control equipment） 三個(gè)分委會(huì)，彼此的側(cè)重各不相同。其中SC2 主要針對(duì)立管結(jié)構(gòu)，SC16 著重鉆井立管系統(tǒng)，SC17 則為柔性管道以及完井和修井立管系統(tǒng)[13]。

2.3 國(guó)際船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)

船級(jí)社的主要業(yè)務(wù)是入級(jí)和檢驗(yàn)，同時(shí)也是建立和維護(hù)海洋工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的重要機(jī)構(gòu)，其標(biāo)準(zhǔn)體系由公約、法規(guī)、規(guī)則、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、指南等共同構(gòu)成[14]。世界上大多數(shù)著名船級(jí)社都參加了國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS），IACS 以促進(jìn)海上安全標(biāo)準(zhǔn)的提高為目標(biāo)，并與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO） 有著緊密聯(lián)系。

表2 美國(guó)石油學(xué)會(huì)的立管標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1 挪威船級(jí)社相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

挪威船級(jí)社（DNV GL） 的標(biāo)準(zhǔn)系列是建立在長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)和研究工作上，代表了挪威乃至歐洲在北海油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中設(shè)計(jì)和施工的技術(shù)成果。在與德國(guó)勞氏船級(jí)社（GL） 合并后，整合了DNV、GL 和Noble Denton 的深厚專業(yè)知識(shí)，進(jìn)一步奠定了全球領(lǐng)先地位。DNV GL 與立管相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要分為以下幾類[15]：

（1） 入級(jí)規(guī)范（RU—Rules for classification）

（2） 入級(jí)指南（CG—Class guidelines）

（3） 服務(wù)規(guī)范（SE—Offshore Service Specifications）

（4） 海工標(biāo)準(zhǔn)（OS—Offshore Standards）

（5） 推薦做法（RP—RecommendedPractices）

（6） 標(biāo)準(zhǔn) （ST — Standard）

基于上述的標(biāo)準(zhǔn)體系，涵蓋了立管本體和關(guān)鍵部件，如立管絞車在OS-E301 中，立管補(bǔ)償和張緊系統(tǒng)在OS-E201 中，詳見(jiàn)表3。

表3 挪威船級(jí)社的立管標(biāo)準(zhǔn)

2.3.2 美國(guó)船級(jí)社相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)船級(jí)社（ABS） 與立管相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)具有較高的集成度[16]，包括各種不同的立管形式，覆蓋從設(shè)計(jì)、分析、制造、安裝、監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、維護(hù)、維修、退役的全生命周期。2017 年針對(duì)立管推出或更新了三部標(biāo)準(zhǔn)，其中的“Subsea Hybrid Riser Systems”是第一部混合式立管標(biāo)準(zhǔn)，反映了海洋工程界的最新技術(shù)成果，見(jiàn)表4。

表4 美國(guó)船級(jí)社的立管標(biāo)準(zhǔn)

2.4 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中與立管相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量較少，基本上是等同采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表5。最早的一部國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20661—2006 目前國(guó)內(nèi)仍在使用，而所采標(biāo)的 ISO 10420:1994 已廢止，并于2007 年被ISO 13628-11:2007 代替。

表5 立管國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

2.5 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)立管相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要由石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)海洋石油工程專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（TC355/SC17） 組織發(fā)布[17]，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)類似，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量少，也是采取等同采用國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的方式，見(jiàn)表6。

表6 立管行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

從表6 可知，行標(biāo)SY/T 7059—2016 等同采用的RP 2RD:2006 Design of risers for floating production systems （FPSs） and tension-legplatforms（TLPs），其最新版本為 STD 2RD：2013 Dynamic risers for floating production systems，名稱已更改且在API 標(biāo)準(zhǔn)體系中已由推薦做法（RP） 變更為標(biāo)準(zhǔn)（STD）。

3 結(jié)論

立管是高附加值的海洋工程產(chǎn)品，長(zhǎng)期由國(guó)外少數(shù)制造商供貨，存在采購(gòu)成本高、供貨周期長(zhǎng)、售后服務(wù)不及時(shí)等問(wèn)題，在一定程度上制約了深水油氣田的開(kāi)發(fā)。立管是海洋工程中最重要也是最薄弱的環(huán)節(jié)之一[18]，自主標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)是實(shí)現(xiàn)深水立管國(guó)產(chǎn)化的必經(jīng)之路。本文以深水立管的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為重點(diǎn)進(jìn)行梳理，針對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)內(nèi)已有標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，結(jié)合我國(guó)南海流花油田群、陵水氣田等設(shè)計(jì)和應(yīng)用深水立管的經(jīng)驗(yàn)，提出標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的建議：

（1） 與立管相關(guān)的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量較少，內(nèi)容基本上是等同采用國(guó)際或國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，與所采標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)相比，發(fā)布晚，更新慢。

（2） 南海海洋環(huán)境條件惡劣，尤其是存在臺(tái)風(fēng)和內(nèi)孤立波（簡(jiǎn)稱內(nèi)波）[19]。內(nèi)波是我國(guó)南海海域的一種奇特自然現(xiàn)象，直接影響我國(guó)南海深水油氣田開(kāi)發(fā)工程模式和平臺(tái)選型[20]，但從上述國(guó)外各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)立管的相關(guān)規(guī)定內(nèi)容可以看出，都未考慮內(nèi)波的影響[21]。

（3） 國(guó)內(nèi)目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)僅針對(duì)立管的設(shè)計(jì)，而對(duì)于立管的制造、檢驗(yàn)、監(jiān)測(cè)、維修以及配套的關(guān)鍵部件等均沒(méi)有涉及，今后標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作，要與“國(guó)產(chǎn)化”緊密結(jié)合，以標(biāo)準(zhǔn)來(lái)推動(dòng)國(guó)產(chǎn)化，擺脫被國(guó)外長(zhǎng)期壟斷的現(xiàn)狀。

（4） 建議以國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)作為借鑒和參考，主要技術(shù)指標(biāo)均按照國(guó)際先進(jìn)水平確定，根據(jù)我國(guó)海域的環(huán)境條件以及國(guó)內(nèi)制造廠商的能力等因素，獨(dú)立編制立管相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（5） 深水立管的管材國(guó)產(chǎn)化是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要從標(biāo)準(zhǔn)制訂、疲勞等試驗(yàn)?zāi)芰Φ慕?、管材制造檢驗(yàn)?zāi)芰Φ冗M(jìn)行全方位的研究，建議標(biāo)準(zhǔn)的編制采取設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)單位聯(lián)合制訂的形式，以制造單位為編制主體。

（6） 能源行業(yè)海洋深水石油工程標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（NEA/TC28） 是在國(guó)家能源局的領(lǐng)導(dǎo)下，負(fù)責(zé)在海洋深水工程和裝備等領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作，建議今后新的深水立管標(biāo)準(zhǔn)全部納入其標(biāo)準(zhǔn)體系，同時(shí)推動(dòng)國(guó)內(nèi)船級(jí)社對(duì)產(chǎn)品認(rèn)證的相關(guān)文件出臺(tái)。