深水立式清管球發(fā)射和接收裝置的研制與應(yīng)用

石磊，蘇鋒，張飛，陳卓，孫雪梅

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

隨著我國(guó)油氣資源的開發(fā)逐步走向深水和邊際油氣田，水下生產(chǎn)系統(tǒng)已得到了廣泛應(yīng)用，水下生產(chǎn)系統(tǒng)將是今后海洋油氣開發(fā)生產(chǎn)的關(guān)鍵[1]。水下清管球發(fā)射和接收裝置(pig launcher and receiver,PLR)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)預(yù)調(diào)試和定期清管過(guò)程中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備，其關(guān)鍵技術(shù)掌握在國(guó)外公司手中。通過(guò)自主攻關(guān)，研制出一種適用于深水的立式PLR，已成功應(yīng)用于我國(guó)南海某深水氣田開發(fā)項(xiàng)目，應(yīng)用水深達(dá)到了800 m。

1 PLR的結(jié)構(gòu)型式及設(shè)計(jì)要求

深水PLR按照結(jié)構(gòu)型式通?？梢苑殖?種：①立式PLR，又叫“I”型PLR，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單，是深水PLR的首選，但清管球數(shù)量多時(shí)，其結(jié)構(gòu)太長(zhǎng)，運(yùn)輸和安裝困難，且存在清管球在重力的作用下自動(dòng)移動(dòng)的問(wèn)題；②水平PLR，其筒體上有一個(gè)90°的彎管，又叫“L”型PLR，其特點(diǎn)是可以比較方便地穿過(guò)連接器的安裝工具，但存在彎矩大、對(duì)中困難的問(wèn)題；③立式結(jié)構(gòu)，其筒體上有2個(gè)90°彎管，又叫“U”型PLR，其結(jié)構(gòu)型式最為復(fù)雜，存在卡球的風(fēng)險(xiǎn)，適用于清管球數(shù)量比較多的工況。

PLR作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)預(yù)調(diào)試過(guò)程中使用的臨時(shí)設(shè)備，內(nèi)部介質(zhì)通常為處理過(guò)的海水和乙二醇(MEG)，通常應(yīng)滿足下列設(shè)計(jì)要求：①應(yīng)具備可以發(fā)射和接收清管球的功能，并適用于注水、清管、測(cè)徑、水壓測(cè)試、除水和管道干燥等工況；②由于是臨時(shí)設(shè)備，其設(shè)計(jì)壽命可考慮為3年，其中水下使用1年；③適用于深水水下作業(yè)的要求，支持水下的無(wú)潛操作，確保ROV的可操作性；④筒體外部需要涂漆，并使用ROV在水下易于觀察和識(shí)別的顏色，內(nèi)部不需要涂漆，整個(gè)結(jié)構(gòu)上可以不設(shè)置犧牲陽(yáng)極；⑤應(yīng)設(shè)置保護(hù)框架，確保水下快速接頭、水下閥門、注水/排水管道得到充分保護(hù)；⑥保護(hù)框架上應(yīng)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)牡觞c(diǎn)，提供安全的、水平的提升，滿足在運(yùn)輸船上和水下操作期間吊裝的需要。

2 立式PLR的基本組成和設(shè)計(jì)要點(diǎn)

水下立式PLR通常由筒體、注水/排水管線和保護(hù)框架3部分組成，PLR三維模型見圖1。

圖1 立式PLR三維模型

2.1 筒體

筒體是水下PLR的主體部分，用來(lái)發(fā)射或接收清管球。筒體尾部安裝有端蓋法蘭，為了便于拆卸，通常采用水下卡蘭，用來(lái)裝入和取出清管球。筒體的內(nèi)徑通常應(yīng)該與PLET、水下管匯的主管一致。筒體的長(zhǎng)度取決于發(fā)射或接收清管球的長(zhǎng)度和數(shù)量。

2.2 保護(hù)框架

保護(hù)框架由結(jié)構(gòu)管道焊接而成，應(yīng)能承受運(yùn)輸和安裝過(guò)程中的意外載荷，結(jié)構(gòu)管道可以作為ROV的抓手，方便ROV在水下對(duì)閥門、擋球器等設(shè)備的操作。保護(hù)框架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮PLR安裝和回收過(guò)程中，水下連接器對(duì)安裝工具的要求。如果連接器的對(duì)接需要使用安裝工具，就需要加長(zhǎng)與筒體連接的注水/排水管道，使保護(hù)結(jié)構(gòu)處于連接器安裝工具的外部。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)PLR和水下連接器的安裝工具進(jìn)行干涉檢查。見圖2。

圖2 PLR與水下連接器安裝工具

2.3 水下快速接頭插座

PLR注水/排水管道端部連接有水下快速接頭的插座，快速接頭連接在清管試壓支持船舶的軟管上。準(zhǔn)備清管作業(yè)前，由ROV將快速接頭插到PLR上的接頭插座上，實(shí)現(xiàn)壓力源與注水/排水管道的連接。水下快速接頭的尺寸應(yīng)與注水/排水管道的尺寸一致，需要通過(guò)工藝計(jì)算，綜合考慮清管球移動(dòng)的距離和速度等因素來(lái)確定。

2.4 水下?lián)跚蚱?/h3>

立式PLR存在預(yù)裝清管球因?yàn)樽灾囟袈涞娘L(fēng)險(xiǎn)，因此，在靠近水下連接器的一段設(shè)置有水下?lián)跚蚱?，擋球器?nèi)部有能夠伸縮的擋條，可以插入到筒體內(nèi)部。水下?lián)跚蚱骺捎蒖OV操作，在清管球發(fā)射前，將擋條從筒體內(nèi)部縮回去，從而使清管球可以通過(guò)筒體進(jìn)入到需要清理的海底管道。

2.5 水下卡蘭

水下卡蘭由對(duì)接接頭、盲板、卡箍、密封圈、螺栓和螺母組成。其只需要4根螺栓緊固，與普通法蘭相比，可以大幅減少法蘭拆卸和緊固的時(shí)間。每片盲板上開有2個(gè)1/2 in的螺紋孔，陸地測(cè)試時(shí)用來(lái)注水和排氣。

為了保證清管球能夠按照設(shè)計(jì)的順序依次發(fā)射出去，需要確保清管球在筒體中處于設(shè)計(jì)的位置，不能發(fā)生移動(dòng)。第一個(gè)球的位置通過(guò)水下?lián)跚蚱鱽?lái)控制，最后一個(gè)球的位置也需要控制，此時(shí)需要在水下卡蘭上焊接一根檔桿，見圖3。確保每個(gè)球都處于設(shè)計(jì)位置，并正常地發(fā)射或接收。

圖3 PLR筒體尾部檔桿設(shè)計(jì)示意

2.6 水下連接器

水下連接器用來(lái)將PLR與PLET或水下管匯等水下生產(chǎn)設(shè)施連接，其分為立式連接器和水平連接器。立式PLR上使用的是立式連接器，深水立式連接器主要有卡爪式和卡箍式兩種結(jié)構(gòu)型式。如果水下PLR上使用的是卡爪式水下連接器，則在設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要考慮連接器安裝工具的影響。如果PLR上使用的是卡箍式水下連接器，則保護(hù)框架的設(shè)計(jì)可以不受連接器安裝工具的影響。

2.7 水下球閥

通過(guò)對(duì)閥門的操作和控制來(lái)實(shí)現(xiàn)PLR按設(shè)計(jì)順序發(fā)射或接收清管球的功能。為了節(jié)約工程費(fèi)用，水下PLR上使用的水下球閥可采用水下臨時(shí)閥門，均勻布置在注水/排水管道上。為了方便ROV的操作，通常將閥門的操作設(shè)計(jì)為搖桿形式，以節(jié)省采辦費(fèi)用。對(duì)于4.5 in和6.0 in的小管徑PLR，由于管道內(nèi)徑尺寸小，為了防止卡球，通常選擇的清管球的長(zhǎng)度也較短。但此時(shí)可能存在水下閥門的寬度比單個(gè)清管球尺寸大的問(wèn)題，為了保證其結(jié)構(gòu)型式完整，避免閥門間干涉，采取交錯(cuò)布置方式，見圖4。

圖4 水下閥門的交錯(cuò)布置示意

2.8 標(biāo)識(shí)

水下PLR上應(yīng)設(shè)置標(biāo)識(shí)，以方便ROV操作。標(biāo)識(shí)應(yīng)按照GB/T 21412.8[2]的要求，用字母高度標(biāo)出清晰的標(biāo)記名稱，采用黑色文字。

2.9 運(yùn)輸?shù)浊?/h3>

為了便于PLR的在船上的運(yùn)輸和在海底的存放，通常還需要給PLR設(shè)計(jì)一個(gè)底橇。

3 PLR的材料要求

PLR筒體和注入/排水管道的材料可分別采用API 5L PSL2 X65 SMLS和ASTM A106 Gr B。如果海底管道或者與PLR對(duì)接的PLET或水下管匯等設(shè)備上使用的是CRA材料，為了防止鐵銹對(duì)CRA材料的污染，則建議PLR筒體也采用CRA材料。

水下卡蘭本體材質(zhì)為ASTM A694 F65，密封圈和的材質(zhì)為AISI 4130。螺栓螺母的材質(zhì)為ASTM A320-L7/A194-Gr.7，表面有PTFE涂層。螺栓螺母考慮100%的余量，密封圈考慮200%的余量。水下閥門的主密封材質(zhì)為PEEK，閥體的材質(zhì)為ASTM A29 4130，球體和閥桿材質(zhì)為ASTM A705 17-4 PH，不需要堆焊和碳化物涂層。

水下PLR保護(hù)框架應(yīng)按照AWS D1.1中適用材料規(guī)范和等級(jí)的要求進(jìn)行測(cè)試。結(jié)構(gòu)鋼材料的測(cè)試至少應(yīng)包括：①化學(xué)成分分析；②根據(jù)ASTM A370[3]在室溫下進(jìn)行的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度的拉伸試驗(yàn)。對(duì)所有在水下PLR中使用的材料應(yīng)建立材料可追溯性程序。

4 PLR的制造、焊接和檢驗(yàn)要求

PLR筒體和注水/排水管道的制造應(yīng)符合ASME B31.8[4]的相關(guān)要求，焊接和無(wú)損檢測(cè)應(yīng)符合ASME第IX卷[5]或API 1104[6]的相關(guān)要求。保護(hù)框架的制造、焊接和檢驗(yàn)應(yīng)滿足AWS D1.1/1.1M[7]的相關(guān)要求。保護(hù)框架無(wú)損檢測(cè)的范圍如下：角焊縫和部分焊透焊縫應(yīng)進(jìn)行100%磁粉和目視焊縫；全熔透焊縫應(yīng)進(jìn)行100%的磁粉和目視檢驗(yàn)，所有承載的全焊透焊縫應(yīng)進(jìn)行100%的超聲波檢測(cè)。經(jīng)業(yè)主批準(zhǔn)，超聲波檢測(cè)可由射線檢驗(yàn)代替。吊點(diǎn)應(yīng)根據(jù)DNVGL-ST-N001[8]、DNV2.7-1[9]或DNV2.7-3[10](視情況而定)進(jìn)行非破壞性負(fù)載測(cè)試。

5 PLR的測(cè)試要求

水下PLR制造和檢驗(yàn)完成之后，應(yīng)進(jìn)行工廠接收測(cè)試(FAT)和擴(kuò)展工廠接收測(cè)試(EFAT)，在進(jìn)行任何測(cè)試之前，所有的測(cè)試程序應(yīng)得到業(yè)主的批準(zhǔn)。

5.1 工廠接收測(cè)試

5.1.1 外觀檢查

外觀檢查的主要內(nèi)容有：①PLR管道的內(nèi)部和外部焊縫；②PLR外觀是否有明顯的劃痕、擦傷、變形或破損等；③測(cè)量PLR尺寸是否與設(shè)計(jì)文件一致，尺寸偏差是否滿足要求；④PLR相關(guān)標(biāo)識(shí)、涂漆等是否符合設(shè)計(jì)文件要求。

5.1.2 定位檢查及尺寸測(cè)量

定位檢查和尺寸測(cè)量的主要內(nèi)容有：①檢查管匯內(nèi)相關(guān)設(shè)備(閥門、擋球器等)的位置是否符合設(shè)計(jì)文件要求，如方位、朝向等；②測(cè)量PLR內(nèi)相關(guān)設(shè)備的定位尺寸是否滿足設(shè)計(jì)文件的要求，定位誤差是否在設(shè)計(jì)文件許可范圍內(nèi)；③測(cè)量PLR內(nèi)相關(guān)設(shè)備的水平度、高度等是否滿足設(shè)計(jì)文件的要求；④測(cè)量PLR保護(hù)框架等結(jié)構(gòu)相關(guān)尺寸是否滿足設(shè)計(jì)文件要求。

5.1.3 干涉檢查

干涉檢查的主要內(nèi)容有：①所有零部件是否存在干涉，尤其是運(yùn)動(dòng)零部件，如水下閥門的搖臂、水下?lián)跚蚱鞯纳炜s等；②干涉檢查包括但不限于以下內(nèi)容：保護(hù)框架、管道、水下閥門、水下?lián)跚蚱?、水下卡蘭、卸扣、索具等。

5.1.4 沖洗

沖洗試驗(yàn)應(yīng)使用淡水，沖洗應(yīng)該用高壓水壓試驗(yàn)泵進(jìn)行，直到清洗干凈為止。當(dāng)流體從管道中流出后，應(yīng)進(jìn)行檢查，以確定PLR中的碎片數(shù)量。

5.1.5 測(cè)徑

應(yīng)制作1個(gè)測(cè)量板，由2個(gè)10 mm厚的鋁板組成。板材的最小內(nèi)徑應(yīng)為最小內(nèi)管道直徑的96%，每個(gè)板材上都有1個(gè)45°的倒角，且面朝同一方向。2個(gè)極板之間應(yīng)該用1根長(zhǎng)度至少為1.5倍公稱內(nèi)徑的剛性桿隔開。測(cè)徑測(cè)試應(yīng)保證讓測(cè)徑板順利通過(guò)PLR筒體，而測(cè)徑板不受到損壞。

5.1.6 水壓測(cè)試

PLR筒體和注水/排水的水壓試驗(yàn)應(yīng)按照ASME B31.8進(jìn)行，試驗(yàn)壓力為管道設(shè)計(jì)壓力的1.25倍。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：①在試驗(yàn)期間，充分考慮溫度變化的影響后，壓力變化不得超過(guò)試驗(yàn)壓力的±1%；②試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間應(yīng)在試驗(yàn)壓力達(dá)到并穩(wěn)定后開始，保持時(shí)間至少2 h，設(shè)備和壓力監(jiān)測(cè)應(yīng)與壓力源隔離，如有需要，外部表面應(yīng)徹底干燥；③試驗(yàn)過(guò)程中不得有明顯的泄漏。對(duì)于單個(gè)部件，如水下閥門、水下快速接頭和水下連接器等，應(yīng)在供應(yīng)商工廠進(jìn)行FAT測(cè)試，測(cè)試壓力應(yīng)為該設(shè)備設(shè)計(jì)壓力的1.5倍或更高。

5.1.7 通球測(cè)試

PLR應(yīng)進(jìn)行通球，以確保所有清管球均能順利發(fā)射和接收，包括以下試驗(yàn)：①清管球的正常裝入和取出；②注水/排水管線上水下球閥的操作與清管球的發(fā)射和接收相配合。典型的測(cè)試步驟和要求：①準(zhǔn)備好PLR，并在PLR筒體中預(yù)裝最多可以發(fā)射的清管球；②將注水泵與PLR連接；③打開和關(guān)閉PLR注水/排水管線上的特定閥門；④然后按照預(yù)調(diào)試程序操作閥門，將所有清管球逐個(gè)發(fā)射出去；⑤取出所有的清管球。

5.1.8 稱重和重心測(cè)試

PLR的稱重測(cè)試應(yīng)在完全組裝、油漆和干燥的條件下進(jìn)行，2次稱重的結(jié)果應(yīng)在彼此1%的范圍內(nèi)。稱重試驗(yàn)完成后，應(yīng)在PLR結(jié)構(gòu)上標(biāo)出重心的實(shí)際位置。最終重量為2次稱重結(jié)果的平均值。理論和實(shí)際重心值之間的偏差不應(yīng)超過(guò)任何方向上的吊點(diǎn)距離的2.5%，這種差異必須得到業(yè)主批準(zhǔn)。

5.2 擴(kuò)展工廠接收測(cè)試

5.2.1 ROV接近檢查

利用ROV或ROV模型模擬其操作路徑，是否滿足操作空間的需求。ROV應(yīng)能夠閱讀筒體上的標(biāo)識(shí)(即閥門編號(hào)、閥門開啟或關(guān)閉位置等)，所有操作的部位是否有合適的ROV手柄。是否有足夠的空間來(lái)操作所有必需的部件(如閥門、水下?lián)跚蚱鳌⑺驴焖俳宇^插座等)。

5.2.2 ROV操作測(cè)試

利用ROV或ROV模型模擬PLR在水下所有可能完成的相關(guān)操作。如閥門的開關(guān)操作，快速接頭的插拔，水下連接器及其安裝工具的操作等相關(guān)動(dòng)作。

5.2.3 水下連接器測(cè)試

水下連接器的測(cè)試應(yīng)包括：①HUB和連接器之間的界面測(cè)試；②連接器和安裝工具之間的界面測(cè)試；③ROV對(duì)連接器安裝工具的可操作性；④水下連接器和試壓封頭之間的泄漏測(cè)試。

5.2.4 電連續(xù)性測(cè)試

如果PLR的腐蝕控制設(shè)置了陰極保護(hù)系統(tǒng)，則應(yīng)檢查所有機(jī)械連接部件之間的電連續(xù)性，且接收電阻應(yīng)小于或等于0.1 Ω。

5.2.5 底橇的配合測(cè)試

PLR與運(yùn)輸?shù)浊恋慕涌谠囼?yàn)，確保底橇的尺寸和鎖緊機(jī)構(gòu)適合PLR。