水下油氣生產(chǎn)管匯測試技術(shù)與實(shí)踐

吳露，安維崢，馬強(qiáng)

（中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028）

我國水下生產(chǎn)系統(tǒng)核心設(shè)備長期依賴進(jìn)口，核心設(shè)備均被國外幾家公司壟斷，價(jià)格昂貴，供貨周期長，且售后服務(wù)無法得到充分保障，這在一定程度上制約了我國深水油氣田的開發(fā)[1]，特別是如果國外公司對核心產(chǎn)品進(jìn)行封鎖，將極大影響我國油氣資源的供應(yīng)。

水下油氣生產(chǎn)管匯作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計(jì)及安裝等技術(shù)面臨著極大挑戰(zhàn)。我國先后在中國南海的流花油田、陸豐油田、惠州油田、荔灣氣田、崖城氣田等水下開發(fā)項(xiàng)目中成功應(yīng)用了水下管匯[2]，在與國外公司的合作中積累了管匯設(shè)計(jì)及安裝經(jīng)驗(yàn)。在隨后文昌氣田水下開發(fā)項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化簡易水下管匯的成功應(yīng)用。但在某些油氣田項(xiàng)目中所使用的水下復(fù)雜管匯的設(shè)計(jì)技術(shù)還缺少相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，隨著我國深水油氣田的開發(fā)，特別是邊際油氣田的開發(fā)，急需降低水下生產(chǎn)系統(tǒng)成本，迫切需要取得水下復(fù)雜管匯設(shè)備國產(chǎn)化的技術(shù)突破。

通過重大科研項(xiàng)目技術(shù)攻關(guān)，研制了一臺(tái)適用于水深1500m海域的水下復(fù)雜管匯國產(chǎn)化工程樣機(jī)（見圖1），實(shí)現(xiàn)集成了包括水下液控閥門、水下控制模塊、水下多相流量計(jì)等多個(gè)國產(chǎn)化核心設(shè)備。本文主要針對國產(chǎn)化研制的水下管匯測試技術(shù)進(jìn)行研究，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐步驟進(jìn)行詳細(xì)分析，以利于掌握水下管匯的試驗(yàn)內(nèi)容及方法。

1 水下管匯測試分類

水下管匯出廠前需要分別開展工廠接收測試（Factory Acceptance Test，即FAT）和拓展工廠接收測試（Extended Factory Acceptance Test，即EFAT）。

圖1 水下復(fù)雜管匯工程樣機(jī)

水下管匯的工廠接收測試（FAT）也稱出廠試驗(yàn)，是指在出廠前需要進(jìn)行的用以驗(yàn)證管匯的建造是否符合設(shè)計(jì)要求、管匯的各組成部件是否滿足相應(yīng)功能要求的檢驗(yàn)。水下管匯的擴(kuò)展工廠接收測試（EFAT）是指在管匯的FAT完成后，對管匯與外部相連接的部件（如連接器）等，進(jìn)行安裝及可靠性的測試[3-5]。同時(shí)，通過這些外部連接作業(yè)，可以對ROV的工作界面及ROV工具的作業(yè)界面進(jìn)行相關(guān)的驗(yàn)證。工廠接收測試是管匯測試的基礎(chǔ)，只有完成此項(xiàng)測試并合格后才可以進(jìn)行擴(kuò)展工廠接收測試。

2 水下管匯主要測試內(nèi)容及流程

2.1 外觀檢測

檢查管匯的各部件組裝及整體結(jié)構(gòu)完整性是否符合要求，以便為下一步的管匯測試做好準(zhǔn)備。主要包括閥門及管道周圍結(jié)構(gòu)的操作空間；裝配管帽的管道連接器接口部位墊片是否有損傷或劃痕；外接面板上的所有標(biāo)識(shí)及標(biāo)記（如閥門名稱和開關(guān)標(biāo)識(shí)、電液飛頭位置標(biāo)識(shí)等）；管道走向是否正確及管路支撐和卡子是否牢固等。

2.2 清管及通球測試

清管及通球測試的目的在于清除主管道內(nèi)焊渣和雜物，并檢測主管道的過球性能及通徑。測試前為保證清管及通球過程順利進(jìn)行，應(yīng)完成如下工作：主管道上所有焊道已焊接完畢，并通過無損檢測；閥門處于全開狀態(tài)，并拆除主管道溫壓傳感器；主管道連接器hub端完成安裝；注水等測試設(shè)備完成調(diào)試。

2.2.1 清管器選型

使用直板測徑清管器進(jìn)行主管道清管及測徑。測試前，應(yīng)對清管器的每個(gè)測徑直板相隔90°測量兩處數(shù)值，確保清管器的外徑符合公差要求（一般過盈量大于最小內(nèi)徑的3%）。

2.2.2 測試流程

清管及通球示意見圖2，現(xiàn)場裝球及通球別見圖3及圖4。主要步驟如下：

(1)先使用壓縮空氣對工藝管道系統(tǒng)的分支管道吹掃，將焊渣及雜質(zhì)吹至主管道，以便集中清理，見圖5；

(2)將1號(hào)、2號(hào)水平連接器端法蘭拆開，將收球管箍、收球筒固定在2號(hào)Hub端上；

(3)將清管球推進(jìn)1號(hào)端管道內(nèi)，安裝1號(hào)端密封法蘭，將水泵出水管線連接在密封法蘭進(jìn)水口上；

(4)啟動(dòng)注水泵，向1號(hào)端主管道內(nèi)注水，觀察記錄水壓和2號(hào)端出口情況；

(5)清管球從2號(hào)端沖出后，停止注水泵，將清管球從收球網(wǎng)內(nèi)取出，對外觀進(jìn)行核實(shí)并記錄。

圖2 清管及通球示意圖

圖3 直板清管球裝球

圖4 現(xiàn)場清管及通球

2.3 水壓測試

水壓測試主要檢測水下管匯的管道系統(tǒng)焊接部位有無滲漏，驗(yàn)證管道系統(tǒng)的密封和承壓強(qiáng)度、溫壓傳感器功能，以及水下管匯閥門和連接器的密封性能。通常水壓試驗(yàn)采用淡水作為試驗(yàn)介質(zhì)，在進(jìn)行水壓試驗(yàn)的同時(shí)，進(jìn)行溫壓一體傳 感器的測試，保證溫壓一體傳感器的數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)功能正常運(yùn)行。

圖5 水下管匯吹掃示意圖

2.3.1 測試要求及標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)ASME B31.8標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[6]，工藝管道水壓試驗(yàn)壓力應(yīng)為1.25倍設(shè)計(jì)壓力，保壓時(shí)間為8h。當(dāng)滿足下述指標(biāo)時(shí)，壓力試驗(yàn)合格：

(1)系統(tǒng)無泄漏、滲漏或永久變形等現(xiàn)象，穩(wěn)壓期間，試驗(yàn)壓力的波動(dòng)范圍在±5%以內(nèi)；(2)保壓8h期間，系統(tǒng)壓力不小于試驗(yàn)壓力，試驗(yàn)可接受壓力波動(dòng)在±1%范圍內(nèi)；(3)連接器和管道閥門閥體密封性能良好，且無泄漏現(xiàn)象發(fā)生。

2.3.2 測試主要步驟

水下管匯的靜水壓測試示意見圖6，測試主要步驟如下：

(1)打開閥門至半開。一般水壓測試要將水下管匯上所有的閥門打開至半開狀態(tài)，使得閥門中腔充滿流體，便于檢測判斷。(2)管道注水。將水平連接器2號(hào)端安裝盲板法蘭封死，高處的排氣閥門打開放氣；使用注水泵向主管道管內(nèi)注水，當(dāng)氣體排凈，排氣閥開始跑水時(shí)，關(guān)閉高處的排氣閥。同時(shí)將注水球閥關(guān)閉，最后拆除注水管線。當(dāng)排氣口的出水形成連續(xù)性水柱時(shí)，管線內(nèi)的空氣基本已排空。(3)連接打壓設(shè)備。將高壓泵管線與高壓集成艙連接，并將高壓集成艙外輸注水管線與1號(hào)端法蘭球閥連接。(4)增壓。增壓期間，增壓步幅應(yīng)為1000psi左右，待每個(gè)壓力增幅穩(wěn)住后，再行增壓。當(dāng)壓力達(dá)到測試壓力50%時(shí)，穩(wěn)壓一小時(shí)，檢查是否有泄漏，確定壓力無泄漏后，繼續(xù)增壓。增壓期間，壓力應(yīng)以每分鐘最大0.1MPa的速度遞增，直至達(dá)到95%的試驗(yàn)壓力，最后5%試驗(yàn)壓力應(yīng)以每分鐘低于0.1MPa的速度遞增，直至試驗(yàn)壓力。壓力達(dá)到測試壓力95%時(shí)，穩(wěn)壓半個(gè)小時(shí)；如果在穩(wěn)壓期間產(chǎn)生了大于±0.5%的壓力變化，則應(yīng)延長試驗(yàn)時(shí)間直至一個(gè)可接受的壓力變化范圍。繼續(xù)增壓直到測試壓力。在系統(tǒng)保壓計(jì)時(shí)開始之前，應(yīng)等待一段時(shí)間，以確認(rèn)系統(tǒng)溫度和壓力已穩(wěn)定。如出現(xiàn)壓力異常升高，應(yīng)停止加壓或保壓，必要時(shí)，打開閥門進(jìn)行泄壓。(5)保壓。壓力穩(wěn)定后，保壓至少8h。保壓期間，壓力變化不超過±1%。當(dāng)系統(tǒng)試驗(yàn)體積少于5000m3，壓力維持期可以縮短，但最短不能少于4h。如果在測試階段結(jié)束時(shí)管道沒能保持指定的測試壓力，應(yīng)重新測試，或者繼續(xù)進(jìn)行一段附加時(shí)間的測試。(6)泄壓。泄壓時(shí)，應(yīng)對降壓速率進(jìn)行控制，通常以不超過每分鐘0.1MPa的速率泄壓。

管道壓力試驗(yàn)完成以后應(yīng)緩慢泄壓，打開1號(hào)端法蘭，進(jìn)行清管，以防殘?jiān)?、有機(jī)物等在試驗(yàn)后停留在管道里。

2.4液壓控制回路壓力測試和沖洗

水下管匯的液壓控制管線系統(tǒng)包括液壓動(dòng)力單元（簡稱HPU）到水下控制模塊（簡稱SCM）的供油管路及SCM到閥門的液壓控制管路。依據(jù)ISO13628-1和ISO13628-6，應(yīng)通過清潔總成和沖洗的方式對整個(gè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行清潔，并進(jìn)行壓力測試。

2.4.1 HPU調(diào)試及沖洗

HPU的作用是對管匯的液壓系統(tǒng)進(jìn)行清潔、沖洗，并能為管匯上的液控設(shè)施提供動(dòng)力，見圖7。HPU設(shè)備的沖洗能力應(yīng)滿足NAS1638-6級(jí)清潔度要求，且內(nèi)部過濾器為冗余設(shè)計(jì)，可以在不暫停沖洗功能的狀態(tài)下對濾芯進(jìn)行更換，以節(jié)省沖洗時(shí)間。所選HPU的規(guī)格為最高壓力5000psi，所用沖洗壓力3-5MPa，沖洗流量40L/min。

圖6 管道靜水試壓示意圖

圖7 液壓動(dòng)力單元（HPU）

2.4.2 壓力測試

對水下管匯所有液壓控制管線進(jìn)行壓力試驗(yàn)，驗(yàn)證是否滿足壓力要求。試驗(yàn)時(shí)，因SCM與閥門已完成出廠測試，故應(yīng)避開SCM和閥門的液壓管線，將管匯上的液壓管線組成管線回路，連接到HPU進(jìn)行試壓。一般穩(wěn)壓后保壓15min，如有泄漏，查找原因并再次進(jìn)行壓力測試，直至無泄壓即通過。

2.4.3 液壓管線沖洗

圖8 便攜式粒子計(jì)數(shù)器

SCM與閥門出廠時(shí)液壓管線已完成并達(dá)到清洗要求，故清洗時(shí)繞過SCM設(shè)備和閥門設(shè)備，將HPU與管匯液壓管路連接成為一個(gè)閉路清洗。從HPU內(nèi)部的放油口采集液壓液的樣品，使用粒子計(jì)數(shù)器檢測沖洗結(jié)果（見圖8）。如果未能達(dá)到清潔度標(biāo)準(zhǔn)中的要求，則繼續(xù)重復(fù)沖洗，并根據(jù)情況更換回油濾清器濾芯，直至滿足清潔度標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 導(dǎo)電性測試

為了保證水下管匯結(jié)構(gòu)框架上的犧牲陽極為管匯上的所有部件提供陰極保護(hù)，以滿足水下防腐的需要，應(yīng)進(jìn)行導(dǎo)電性測試。要求陽極與各部件之間有良好的導(dǎo)電連接。導(dǎo)電性測試的電阻容許值應(yīng)小于等于0.1Ω。對于不能滿足標(biāo)準(zhǔn)的元件，應(yīng)采用接地母線形式或建立其他電連接（如點(diǎn)焊、星形墊圈）形式，然后再進(jìn)行復(fù)測。

2.6 集成設(shè)備的功能性測試

本項(xiàng)目水下管匯集成的關(guān)鍵設(shè)備包括水下液控閥門、水下控制模塊（即SCM）、水下多相流量計(jì)、水下連接器等國產(chǎn)化設(shè)施。測試管匯集成設(shè)備及其之間的功能性，主要包括球閥及閘閥的開啟關(guān)閉測試和扭矩開關(guān)測試；連接器的安裝及密封件替換測試；SCM的下放安裝及回收測試；SCM與水下閥門的液壓開關(guān)控制測試；SCM與多相流量計(jì)的信號(hào)通訊測試等。

2.7 ROV操作性測試

通過使用Dummy ROV現(xiàn)場驗(yàn)證ROV實(shí)際運(yùn)動(dòng)線路和可操作空間性，并進(jìn)行ROV及其工具操作的功能測試。包括Dummy ROV輔助進(jìn)行的連接器、閥門、SCM的操作測試等。

圖9 水下控制模塊下方安裝測試

圖10 Dummy ROV模擬現(xiàn)場操作

3 結(jié)語

水下管匯FAT測試主要包括外觀檢測、清管及通球測試、水壓測試、液壓管路測試、導(dǎo)電性測試、集成設(shè)備的功能性測試、ROV操作性測試等。通過國產(chǎn)化復(fù)雜水下管匯工程樣機(jī)的測試技術(shù)研究及實(shí)踐分析，掌握了水下管匯的主要測試內(nèi)容、測試方法及測試步驟，并提供了水下管匯的實(shí)踐測試經(jīng)驗(yàn)，為國內(nèi)深水項(xiàng)目水下產(chǎn)品國產(chǎn)化實(shí)踐提供良好的技術(shù)基礎(chǔ)，有助于推進(jìn)國產(chǎn)化水下復(fù)雜管匯在我國深水海域油氣田開發(fā)中的應(yīng)用。