水下管匯工廠驗(yàn)收測(cè)試(FAT)關(guān)鍵技術(shù)研究

陳 欣，肖德明，趙瑞云，趙曉磊，單曉亮

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 引 言

隨著水下油氣田的研發(fā)不斷向深水領(lǐng)域拓展，水下生產(chǎn)系統(tǒng)以其高效、低成本的優(yōu)勢(shì)成為深水油田和氣田的熱門開發(fā)方式。深水水下管匯與水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體布局中的其他水下設(shè)備相連接，完成水下產(chǎn)物集輸分配，在所有水下生產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用。水下管匯在國(guó)外已經(jīng)比較完備，并完成過多次建設(shè)工程的運(yùn)行檢查。而我國(guó)由于深水油氣田開發(fā)設(shè)計(jì)發(fā)展得相對(duì)較晚，對(duì)于復(fù)雜管匯的設(shè)計(jì)尚處于開發(fā)環(huán)節(jié)，但在施工、測(cè)試和裝配技術(shù)方面已經(jīng)具備了一定的經(jīng)驗(yàn)。

水下管匯工廠項(xiàng)目驗(yàn)收測(cè)試(FAT)是在水下管匯組裝完成后完成的一項(xiàng)相對(duì)全面的試驗(yàn)工作，驗(yàn)證管匯作用的一致性和實(shí)際運(yùn)行的穩(wěn)定性。FAT測(cè)試可以確保水下管匯滿足設(shè)計(jì)方案要求，保證機(jī)械設(shè)備的可靠運(yùn)行。

1 我國(guó)水下管匯系統(tǒng)生產(chǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀

長(zhǎng)期以來，我國(guó)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的核心機(jī)械設(shè)備嚴(yán)重依賴進(jìn)口，其中核心關(guān)鍵設(shè)施被多家海外公司壟斷，價(jià)格相對(duì)昂貴，交貨期長(zhǎng)，尤其售后維修服務(wù)無法得到充分保障，在一定程度上制約了水下生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展。在我國(guó)深水油氣田的開發(fā)設(shè)計(jì)方面，海外公司對(duì)重點(diǎn)設(shè)備長(zhǎng)期進(jìn)行的技術(shù)保密，極大地影響了我國(guó)的天然氣資源開采和供應(yīng)。

目前，我國(guó)在水下生產(chǎn)管匯設(shè)備的設(shè)計(jì)和裝配方面仍面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的主要設(shè)備，我國(guó)已在陵水氣田、流花油氣田、陸豐油氣田、惠州油氣田、荔灣氣田、崖城氣田等南海新水體開發(fā)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中成功使用水下管匯設(shè)備，通過上述項(xiàng)目與海外公司合作，在設(shè)計(jì)方案及組裝方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。2019年10月22日文昌氣田項(xiàng)目中，國(guó)產(chǎn)簡(jiǎn)易型水下管匯順利通過測(cè)試投入使用。但是，當(dāng)時(shí)我國(guó)對(duì)于一些新建油氣田項(xiàng)目中需要使用的復(fù)雜水下管匯的制造還缺乏相關(guān)的工作經(jīng)驗(yàn)。隨著我國(guó)深水油田的開發(fā)設(shè)計(jì)不斷推進(jìn)，特別是邊界油田的開發(fā)設(shè)計(jì)需求日益增多，迫切需要降低水下生產(chǎn)系統(tǒng)的成本，因此急需解決水中復(fù)雜管道設(shè)備產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)改進(jìn)。

現(xiàn)階段，我國(guó)在文昌氣田水下管匯簡(jiǎn)易系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過科研課題技術(shù)攻關(guān)，研制了適用于1 500 m水位的復(fù)雜下水管匯的國(guó)產(chǎn)化工程設(shè)備。此外，陵水氣田項(xiàng)目作為中國(guó)海油獨(dú)立勘探開發(fā)的重點(diǎn)項(xiàng)目，是中國(guó)第一個(gè)自主運(yùn)營(yíng)的1 500 m超深水氣田開發(fā)項(xiàng)目。2021年6月25日交付的水下中心管匯是陵水氣田項(xiàng)目水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，如圖1所示。與陸上生產(chǎn)系統(tǒng)相比，水下生產(chǎn)系統(tǒng)集成度更高，專業(yè)性更強(qiáng)，技術(shù)難度更大。經(jīng)過艱難的技術(shù)攻關(guān)，該管匯的制造和測(cè)試部分工作于國(guó)內(nèi)完成，表明我國(guó)已在深水油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)自主創(chuàng)新和核心設(shè)備自主研制方面取得了一系列成就，為深水油氣田開發(fā)模式提供了裝備技術(shù)保障，為水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展鋪墊了可持續(xù)發(fā)展之路。

圖1 用于1500 m水深的水下管匯

本文的主要研究目的是對(duì)國(guó)內(nèi)廠家開發(fā)的水下管匯檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行科學(xué)研究，并對(duì)水下及海洋工況現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐活動(dòng)的進(jìn)行深入分析，以幫助掌握水下管匯檢測(cè)內(nèi)容和水下管匯的相關(guān)方法。

2 水下管匯系統(tǒng)測(cè)試的簡(jiǎn)要分類

在出廠前，水下管匯必須分別進(jìn)行工廠驗(yàn)收測(cè)試(FAT)、擴(kuò)展工廠驗(yàn)收測(cè)試(EFAT)和系統(tǒng)集成測(cè)試(SIT)。水下管匯的出廠驗(yàn)收試驗(yàn)(FAT)也稱為工廠試驗(yàn)，是指在發(fā)貨前驗(yàn)證是否已完成水下管匯的建造和裝配，并驗(yàn)證管匯的各個(gè)部件是否滿足相應(yīng)的檢測(cè)功能要求，以及管匯系統(tǒng)的制造是否符合設(shè)計(jì)方案的要求。水下管匯擴(kuò)展工廠驗(yàn)收測(cè)試(EFAT)是指對(duì)管匯在進(jìn)行FAT測(cè)試后再進(jìn)行電氣類測(cè)試。系統(tǒng)集成測(cè)試(SIT)對(duì)連接管匯與外部結(jié)構(gòu)的部件(如連接器)進(jìn)行組裝和操作測(cè)試。同時(shí)，根據(jù)對(duì)外連接工作，可以在ROV運(yùn)行界面和ROV專用工具工作界面進(jìn)行相應(yīng)的認(rèn)證。FAT階段是管匯檢驗(yàn)的基礎(chǔ)。只有進(jìn)行了檢驗(yàn)并達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，才能確保進(jìn)行水下生產(chǎn)系統(tǒng)的驗(yàn)收檢驗(yàn)。

3 水下管匯測(cè)試的主要流程及內(nèi)容

工廠驗(yàn)收測(cè)試(FAT)主要包括結(jié)構(gòu)測(cè)試和管線測(cè)試。管線分為主管線和小管線。主管線指工藝管線，又稱生產(chǎn)管線，如圖2所示。小管線指控制和化學(xué)藥劑管線，例如，連接SCM的油泵管路、MEG注入管線，如圖3所示。管線類測(cè)試流程為：小管線沖洗、水壓測(cè)試；主管線沖洗、通球試驗(yàn)、水壓測(cè)試；閥門測(cè)試。

圖2 水下管匯主管線

圖3 水下管匯小管線

3.1 結(jié)構(gòu)測(cè)試

檢查管匯各部件的裝配和整體結(jié)構(gòu)一致性是否符合規(guī)定，為下次檢查管匯系統(tǒng)做好充分準(zhǔn)備。此外，結(jié)構(gòu)測(cè)試主要包括外觀檢查、尺寸檢查、防腐檢查，以及稱重測(cè)試。

外觀檢查包括：關(guān)鍵包括閘閥及管線周邊結(jié)構(gòu)完工狀態(tài)；安裝管帽的管接頭承口處的墊片是否損壞或劃傷；外部控制面板上的所有標(biāo)志(如閘閥名稱和開關(guān)標(biāo)志、頭標(biāo)等)和管匯水下標(biāo)識(shí)；管道走向是否與圖紙一致，管道支撐點(diǎn)、扣件是否牢固；泄流孔檢查；密封面保護(hù)。

尺寸檢查包括：質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告；管匯外觀尺寸；結(jié)構(gòu)、管線、設(shè)備關(guān)鍵尺寸。

防腐檢查包括：陽極檢查和電連續(xù)性檢查。為了更好地保證管匯結(jié)構(gòu)在水中的防腐要求，可以通過安裝陽極及連接電導(dǎo)線對(duì)管匯上的部件進(jìn)行陰極保護(hù)。在測(cè)試中應(yīng)核實(shí)陽極的數(shù)量及位置，還應(yīng)進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)試。各部件與結(jié)構(gòu)之間應(yīng)具有良好的電氣連接。電導(dǎo)檢測(cè)電阻的允許值不應(yīng)大于0.1 Ω。對(duì)于不符合規(guī)格的元件，應(yīng)選擇接地母線方式或其他電氣連接方式(如焊接、星形密封圈)，然后進(jìn)行復(fù)測(cè)。

3.2 沖洗及通球測(cè)試

沖洗和通球測(cè)試的意義在于清除主管中的焊渣和污垢，檢查主管的過球特性和管徑。為保證檢驗(yàn)前沖洗、過球全過程的順利進(jìn)行，應(yīng)做好以下工作：主管上的所有焊縫均已按無損檢測(cè)技術(shù)焊接完成；打開閘閥，拆下主管的溫度和壓力傳感器；安裝主管連接器的輪轂端；調(diào)整注水等測(cè)試和檢查工作。

3.2.1 清管器

使用直板管徑清管器進(jìn)行主管管清管和測(cè)徑。測(cè)試前解決清管器每塊直板之間90°間隔精確測(cè)量2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值的問題，確保清管器直徑滿足公差要求(一般過盈量超過最小內(nèi)徑的3%)。應(yīng)在清管器的后端安裝通徑規(guī)，通徑規(guī)直徑應(yīng)為管道最小標(biāo)稱內(nèi)徑(包括包層公差)的97%。

清管器應(yīng)設(shè)計(jì)為雙向運(yùn)行，但在試驗(yàn)中只能在一個(gè)方向上進(jìn)行，以驗(yàn)證管道內(nèi)徑，并檢查是否存在妨礙正常清管操作的障礙物。從管匯大口徑管線中取出清管器后，應(yīng)檢查其物理損壞情況。

3.2.2 測(cè)試流程

沖洗及通球測(cè)試主要步驟如下：

(1)先使用壓縮空氣對(duì)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。使用壓縮空氣進(jìn)行掃吹時(shí)，空氣沖擊壓力不得超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力。

(2)進(jìn)行沖洗。小管線的清洗應(yīng)在45 min后取樣一次(正向30 min，反向15 min)檢查清潔度驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。從系統(tǒng)中經(jīng)取樣點(diǎn)應(yīng)排出至少0.5 L的液體，沖洗流量應(yīng)大于4001雷諾數(shù)，系統(tǒng)溫度符合要求。最終沖洗時(shí)，應(yīng)取3個(gè)連續(xù)樣品進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)于液壓管路，應(yīng)使用液壓油作為沖洗液，檢查清潔度達(dá)到SAE AS4059 6級(jí)(B-F)。對(duì)于非液壓管線，應(yīng)使用90% MEG+10%水作為沖洗液。檢查清潔度達(dá)到SAE AS4059 8級(jí)(B-F)。

(3)進(jìn)行清管器試驗(yàn)。具體步驟：所有閥門應(yīng)處于全開位置；為保證清管器路徑暢通，必須進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查管道內(nèi)無異物；裝入清管器；檢查清管器上的儀表板。清管器回路測(cè)試應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行。

3.3 水壓測(cè)試

試壓的關(guān)鍵是在水中檢查管道系統(tǒng)的管道系統(tǒng)部件的焊接位置是否有泄漏，驗(yàn)證管道系統(tǒng)的密封性和耐壓性，溫度和壓力傳感器的性能以及管匯閥門和連接器在水中的密封特性。一般而言，壓力測(cè)試中選擇淡水作為實(shí)驗(yàn)物質(zhì)。

3.3.1 測(cè)試要求及標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)管線內(nèi)不同介質(zhì)，選擇相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。當(dāng)介質(zhì)為氣體時(shí)，依據(jù)ASME B31.8標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，工藝管道水壓試驗(yàn)壓力應(yīng)為1.25倍設(shè)計(jì)壓力。當(dāng)介質(zhì)為液體時(shí)，依據(jù)ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，工藝管道水壓試驗(yàn)壓力應(yīng)為1.5倍設(shè)計(jì)壓力。測(cè)試保壓時(shí)間為2 h。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2 h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。

3.3.2 測(cè)試主要步驟

水下管匯進(jìn)行的水壓測(cè)試主要步驟如下：

(1)調(diào)整閥門打開狀態(tài)：一般在主管線試壓中，應(yīng)將水下管匯上的球閥處于半開位置，閘閥處于全開位置，在小管線試壓中，將所有閥門保持在全開位置，使閘閥內(nèi)充滿液體，有利于檢查判別。

(2)管道注水：使用注水泵將管路注滿水。當(dāng)出氣口的水產(chǎn)生連續(xù)的水流時(shí)，管道內(nèi)的氣體基本排出。

(3)連接試壓泵。

(4)增壓：將壓力從0 Bar緩慢增加至測(cè)試壓力，分25%、50%、75%的步驟，直至增加至測(cè)試壓力。在每個(gè)壓力階段，應(yīng)給予足夠的時(shí)間以穩(wěn)定壓力(大約10 min)，明確無泄漏后，再次增加工作壓力。在增加期間，工作壓力應(yīng)以每分鐘 0.1 MPa 的速度增加，直到達(dá)到實(shí)驗(yàn)工作壓力的 95%，最后 5% 的實(shí)驗(yàn)壓力應(yīng)以每分鐘小于 0.1 MPa 的速度增加。等待一段時(shí)間后進(jìn)行壓力測(cè)試，確保系統(tǒng)軟件的環(huán)境溫度和工作壓力已經(jīng)穩(wěn)定。如果工作壓力出現(xiàn)異常升高，應(yīng)終止充氣或試壓，必要時(shí)打開閘閥泄壓。

(5)壓力測(cè)試：工作壓力穩(wěn)定后，試壓時(shí)間至少為2 h。

(6)泄壓：打開壓力泵隔離閥，并分50%和30%的測(cè)試壓力值將壓力緩慢排放至環(huán)境壓力(每個(gè)階段約3 min)。當(dāng)壓力下降時(shí)，應(yīng)控制降壓的速度。一般應(yīng)以每分鐘不超過0.1 MPa的速度泄壓。

3.4 閥門測(cè)試

閥門測(cè)試主要包括差壓測(cè)試和功能測(cè)試。

3.4.1 閥門差壓測(cè)試

在水壓試驗(yàn)中，如果在規(guī)定的15 min保壓期間閥門兩側(cè)未發(fā)生可見泄漏，則進(jìn)行閥門差壓試驗(yàn)。在試驗(yàn)期間，應(yīng)滿足要求：應(yīng)在環(huán)境壓力下進(jìn)行閥門操作；壓力應(yīng)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力的1.0倍；試驗(yàn)過程中的壓降不得超過試驗(yàn)區(qū)域溫度變化引起的每小時(shí)3%；試壓過程無可見泄漏或滲出。

測(cè)試步驟為：

(1)將高壓軟管正確地連接至測(cè)試蓋。

(2)用測(cè)試介質(zhì)填充管路。

(3)將壓力從0 Bar緩慢增加至測(cè)試壓力，分25%、50%、75%的步驟，最后增加至測(cè)試壓力。在每個(gè)壓力階段，應(yīng)給予足夠的時(shí)間以穩(wěn)定壓力(大約10 min)。壓力穩(wěn)定后，保持15 min。應(yīng)確保在整個(gè)試驗(yàn)過程中，壓力未降至試驗(yàn)壓力值以下，且壓力降不超過每小時(shí)試驗(yàn)壓力的3%。試驗(yàn)15 min后，如果在所有管路上未觀察到可見泄漏，則打開壓力泵隔離閥，并分階段將壓力緩慢排放至試驗(yàn)壓力值的50%和30%。

差壓試驗(yàn)必須考慮保持期間的壓力變化，例如溫度變化，在壓力保持恒定之前，應(yīng)考慮進(jìn)行必要的修正，以達(dá)到最大壓力。相關(guān)量的計(jì)算公式如下：

式中：s為壁厚；r為內(nèi)部管道半徑(與s的單位相同)；V為管線的內(nèi)部體積；ΔV為計(jì)算體積(與V的單位相同)ΔP為試驗(yàn)期間的壓降；ν為壁厚的泊松比；E為管壁材料的楊氏模量(與ΔP的單位相同)；β為試驗(yàn)介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)；α為管道材料的熱膨脹系數(shù)；ΔT為試驗(yàn)期間試驗(yàn)介質(zhì)的溫度變化；A=1/K，K為試驗(yàn)介質(zhì)的體積模量(與ΔP的單位相同)

3.4.2 閥門功能測(cè)試

壓力測(cè)試和閥門差壓測(cè)試成功后，還應(yīng)進(jìn)行閥門功能測(cè)試。測(cè)試步驟為：

(1)開始功能測(cè)試前，確保所有閥門處于關(guān)閉位置。

(2)功能測(cè)試期間，閘門/閥球上的壓差應(yīng)為零。

(3)當(dāng)向操作裝置施加液壓時(shí)，不得進(jìn)行操作。

(4)使用ROV扭矩工具操作閥門打開/關(guān)閉。

(5)記錄操作閥門所需的實(shí)際壓力。

4 結(jié)束語

水下管匯FAT測(cè)試的關(guān)鍵包括結(jié)構(gòu)檢查、沖洗及通球測(cè)試、水壓測(cè)試、閥門測(cè)試等。本文通過對(duì)國(guó)產(chǎn)復(fù)雜水下管匯工程項(xiàng)目樣機(jī)的檢測(cè)分析和實(shí)踐，掌握了水下管匯的具體檢測(cè)內(nèi)容、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試程序，展示了水下管匯的運(yùn)行和檢驗(yàn)工作經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)深水新項(xiàng)目水下商品國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造實(shí)踐活動(dòng)提供優(yōu)良新技術(shù)，有利于推動(dòng)國(guó)產(chǎn)水下復(fù)雜管匯在我國(guó)深水油田開發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。