水下管匯模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)與仿真系統(tǒng)研究

郭鴻飛，顧繼俊*，柳依何，安維崢，馬 強(qiáng)，孟 堯

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

0 引 言

中國(guó)水下生產(chǎn)系統(tǒng)[1]技術(shù)研究起步相對(duì)較晚，長(zhǎng)期以來(lái)，水下生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備多依賴進(jìn)口，極大地限制了海洋油氣開(kāi)發(fā)事業(yè)的發(fā)展[2]。水下管匯[3-6]主要用于匯集各水下井口開(kāi)采的油氣，優(yōu)化海底布局并減少水下輸送管和海洋立管的使用數(shù)量，作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計(jì)技術(shù)面臨著極大挑戰(zhàn)。吳露等[7]通過(guò)對(duì)水下生產(chǎn)管匯的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合適用于1 500米水深的國(guó)產(chǎn)化水下管匯工程樣機(jī)，分析水下管匯的主要測(cè)試內(nèi)容、測(cè)試方法及測(cè)試步驟。孟獻(xiàn)等[8]研制了水下管匯垂直連接器樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試試驗(yàn)，使設(shè)計(jì)要求得到充分驗(yàn)證。孫雪梅[9]結(jié)合水下管匯的功能需求、結(jié)構(gòu)組成、結(jié)構(gòu)計(jì)算等，對(duì)水下管匯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了概述。孟憲武等[10]對(duì)水下管匯關(guān)鍵設(shè)備選型、管道布置原則和管道應(yīng)力分析進(jìn)行研究，總結(jié)出通用方法，使水下管匯管道布置工作流程化。石磊等[11]對(duì)500米水深級(jí)水下管匯的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究和分析，并介紹了深水水下管匯的設(shè)計(jì)方法和內(nèi)容。

目前，模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)在海洋工程領(lǐng)域已有較多應(yīng)用，王國(guó)富等[12]針對(duì)海洋油氣平臺(tái)模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究，基于總體建造方案將整個(gè)平臺(tái)拆分為多個(gè)獨(dú)立模塊，提升了建造效率并降低了工程成本。凌軒等[13]提出一種低成本、模塊化的水下機(jī)器人，并對(duì)機(jī)器人模塊化框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于模塊化技術(shù)可快速構(gòu)建應(yīng)用于不同場(chǎng)合的水下機(jī)器人。目前，水下管匯的設(shè)計(jì)模式仍以二維設(shè)計(jì)為主，由于水下管匯中管線及機(jī)電儀設(shè)備的數(shù)量和種類較多，使得水下管匯的設(shè)計(jì)任務(wù)十分繁重，且效率較低。引入全新的模塊化設(shè)計(jì)理念，可顯著提高設(shè)計(jì)效率并為水下管匯國(guó)產(chǎn)化研究提供技術(shù)支持。

針對(duì)水下管匯模塊化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，該文采用Solidworks建立不同廠家、不同規(guī)格型號(hào)的水下管匯及單元設(shè)備三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)及信息數(shù)據(jù)庫(kù)，基于Unity 3D開(kāi)發(fā)水下管匯模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水下管匯設(shè)計(jì)過(guò)程的可視化、數(shù)字化與智能化。

1 水下管匯模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)

1.1 模塊劃分

模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)[14-16]是要把所設(shè)計(jì)的水下管匯中用以實(shí)現(xiàn)類似功能的單元進(jìn)行歸并、整合，使其形成若干個(gè)按照結(jié)構(gòu)、功能相對(duì)獨(dú)立的模塊[17-18]，最后將這些模塊進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。因此，模塊化設(shè)計(jì)的核心是模塊的劃分與組合。水下管匯的主要構(gòu)件包括：管線與閥門組件、連接系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)框架和防腐等[19]，因此將水下管匯各模塊進(jìn)行劃分，如圖1所示。

圖1 水下管匯模塊劃分

1.2 水下管匯設(shè)計(jì)原則

水下管匯總體設(shè)計(jì)既要符合API 17P和ISO13628-15[20]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的要求，也要滿足實(shí)際油氣田的總體要求。滿足工藝要求，確保管匯的重心布置合理，便于海上安裝；水下管匯的安裝、維護(hù)等水下作業(yè)基本依靠ROV(水下機(jī)器人)完成，所以應(yīng)十分重視管匯上的部件，如閥門、連接器、控制系統(tǒng)、陽(yáng)極塊等的布局、標(biāo)記，便于ROV的水下檢查、安裝、連接、更換、維護(hù)[21]。

1.2.1 管線模塊

水下管匯除滿足開(kāi)采的油氣功能外，還需滿足清管功能[22]。管線的布局決定了水下管匯的總體尺寸與重量，故管線布置時(shí)應(yīng)盡量緊湊，管線系統(tǒng)的布置主要滿足以下原則：

(1)滿足流動(dòng)安全保障要求；

(2)考慮水下連接器安裝工具尺寸與操作空間問(wèn)題，滿足連接器的安裝需求；

(3)滿足水下閥門安裝與操作的需求，預(yù)留操作空間；

(4)滿足主管道清管需求，為方便清管作業(yè)，彎管半徑通常為5D(管道直徑)，若無(wú)清管要求，可采用3D彎頭(管道直徑)；

(5)滿足不同水下生產(chǎn)設(shè)施之間的不同角度的跨接需求；

(6)雙主管管匯的兩根主管之間最小距離為10D(管道直徑)，同時(shí)還需預(yù)留出支管的連接位置，閥門和傳感器的安裝空間。

1.2.2 閥門模塊

水下閥門[23]是水下管匯的關(guān)鍵部件，其可靠性是保證水下管匯安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素，水下閥門的選擇與安裝位置至關(guān)重要。水下閥門安裝在管線系統(tǒng)里，用于控制生產(chǎn)和注射流體。

水下閥門按照閥體種類可分為球閥與閘閥。按照驅(qū)動(dòng)方式可分為ROV驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、ROV液壓雙驅(qū)動(dòng)[24]三種類型。水下閥門的選擇與布置應(yīng)滿足以下原則：

(1)水下管匯上的閥門應(yīng)與采油樹(shù)上閥門的磅級(jí)保持一致；

(2)水下管匯主管一般有清管要求，球閥相對(duì)于閘閥更便于清管操作；

(3)水下管匯閥門，應(yīng)首先考慮將閥門與管道焊接來(lái)減少泄露途徑；

(4)為方便閥門和支管的總體布置及ROV的操作，閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)朝上。

1.2.3 連接器模塊

水下連接器的主要功能是將水下管匯(PLEM)、水下管道終端(PLET)、水下采油樹(shù)等設(shè)施高效連接[25]。目前水下生產(chǎn)系統(tǒng)的主流連接形式主要為卡爪式與卡箍式兩種。按照連接方式的不同，水下連接器分為水平連接器與垂直連接器。水下連接器的選擇主要考慮以下因素：

(1)淺水范圍內(nèi)水平連接與垂直連接均可采用，水深超過(guò)1 000米時(shí)，實(shí)際工程中更傾向于采用操作方便的垂直連接；

(2)對(duì)于流動(dòng)保障要求較高的油田，采用水平連接比垂直連接可更有效地避免水合物的生成，有利于流動(dòng)保障；

(3)水下連接器連接方式的確定，需要考慮油田后期對(duì)于水下生產(chǎn)設(shè)施維護(hù)和回收的可能性與頻度；

(4)在漁業(yè)活動(dòng)頻繁地區(qū)，漁民拖網(wǎng)作業(yè)對(duì)水下生產(chǎn)設(shè)施的干擾性較大，故此區(qū)域的油氣田多采用水平連接方式，便于對(duì)水下設(shè)施安裝保護(hù)結(jié)構(gòu)。

1.2.4 結(jié)構(gòu)模塊

水下管匯結(jié)構(gòu)框架是管匯的主體結(jié)構(gòu)，主要功能是為管線、閥門、連接器、控制模塊等提供支撐和保護(hù)。管匯結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì)需考慮在吊裝、下放和海底在位生產(chǎn)等一系列工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)需考慮設(shè)計(jì)是否能滿足管匯的安裝、操作和維修要求，在漁業(yè)活動(dòng)頻繁的地區(qū)或船舶系泊區(qū)，還需注意防漁網(wǎng)拖掛和重物的墜落沖擊。

2 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)框架

水下管匯模塊化設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)框架如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)分為基礎(chǔ)層、功能層、交互層。

圖2 系統(tǒng)框架

(1)基礎(chǔ)層為模塊化設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)與基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)環(huán)境。數(shù)據(jù)庫(kù)分為場(chǎng)景開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)與設(shè)計(jì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，場(chǎng)景開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)用于對(duì)仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)場(chǎng)景、算法程序的管理，設(shè)計(jì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)包含水下管匯總體設(shè)計(jì)信息、管匯單元部件三維模型及三維模型的屬性信息。

(2)功能層包括管匯總體設(shè)計(jì)方案、單元部件模塊化設(shè)計(jì)、管匯總體裝配、場(chǎng)景可視化漫游四大模塊。管匯總體設(shè)計(jì)方案模塊的功能為針對(duì)目標(biāo)油氣田輸入典型參數(shù)條件，基于水下管匯總體布置原則，系統(tǒng)進(jìn)行算法決策，推薦水下管匯總體布置最優(yōu)方案，為設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)與建議。單元部件模塊化設(shè)計(jì)的功能為針對(duì)所劃分的水下管匯各模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)所不同的是，該模塊根據(jù)所設(shè)計(jì)的參數(shù)條件，直接調(diào)用模型庫(kù)中對(duì)應(yīng)的三維模型，模型庫(kù)包含不同廠家、不同尺寸、不同型號(hào)的三維模型，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)效率。管匯總體裝配模塊基于自動(dòng)布局算法與自動(dòng)避障算法實(shí)現(xiàn)管匯單元部件的快速裝配，并可實(shí)現(xiàn)三維模型的信息數(shù)據(jù)顯示，如對(duì)應(yīng)的供貨商、尺寸、重量、價(jià)格等信息。

(3)交互層為通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備場(chǎng)景可視化，呈現(xiàn)逼真的三維效果和虛擬環(huán)境的實(shí)時(shí)交互[26]。基于PC端可實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的人機(jī)交互、水下管匯設(shè)計(jì)效果展示、設(shè)計(jì)參數(shù)的傳輸，通過(guò)HTC Vive設(shè)備與系統(tǒng)場(chǎng)景信息連接，實(shí)現(xiàn)水下管匯作業(yè)場(chǎng)景的多視角漫游，給設(shè)計(jì)人員以高度的沉浸感。

2.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

水下管匯模塊化設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 設(shè)計(jì)流程

2.2.1 模型數(shù)據(jù)庫(kù)

水下管匯模塊化設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)存在大量模型，不同模塊或相同模塊需求不同的設(shè)備均需建立不同模型，以水下閥門為例，國(guó)外內(nèi)不同廠商生產(chǎn)的閥門外觀、尺寸等信息不同，同一廠商生產(chǎn)的閥門也有眾多尺寸之分，因此需要建立大量的三維模型來(lái)支撐仿真系統(tǒng)的運(yùn)行。三維模型的建立采用Solidworks完成，為實(shí)現(xiàn)模型對(duì)實(shí)物的高還原度，模型建立完成后采用3ds Max進(jìn)行貼圖紋理處理。由于系統(tǒng)中模型庫(kù)較為龐大，為避免系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)造成電腦負(fù)荷過(guò)大，保證系統(tǒng)的流暢運(yùn)行，需對(duì)建立的三維模型進(jìn)行減面處理，消除面與面之間產(chǎn)生的大量冗余，以液飛線接口為例，原始模型與優(yōu)化后模型結(jié)果如圖4所示，優(yōu)化前模型的點(diǎn)數(shù)為420 417、面數(shù)為840 858，在Unity3D會(huì)占用大量電腦性能，在不影響模型外觀的原則下進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后模型的點(diǎn)數(shù)與面數(shù)減小了98%。模型經(jīng)3ds Max減面處理、格式轉(zhuǎn)換后以FBX格式導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D開(kāi)發(fā)三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)預(yù)制體(Prefab)的實(shí)例化技術(shù)，用戶點(diǎn)擊模型按鍵可生成相匹配的三維文件。

圖4 模型減面處理

2.2.2 壁厚計(jì)算

管線壁厚根據(jù)ASME B31.8與DNV兩種計(jì)算準(zhǔn)則提供的壁厚計(jì)算公式來(lái)計(jì)算，ASEM的壁厚計(jì)算公式如下：

tm=t+c

(1)

(2)

其中，σ為管道材料的屈服強(qiáng)度，單位為MPa；F為容許環(huán)向應(yīng)力設(shè)計(jì)系數(shù)，對(duì)于管道取0.72；P為設(shè)計(jì)內(nèi)壓，單位為MPa；D為管道外徑，單位為mm；t為最小計(jì)算壁厚，單位為mm；c為腐蝕余量，一般取3～6，單位為mm，tm為實(shí)際壁厚，單位為mm。

對(duì)規(guī)范中的壁厚計(jì)算公式使用C#語(yǔ)言進(jìn)行算法程序編寫(xiě)，采用UGUI進(jìn)行仿真系統(tǒng)人機(jī)交互界面的開(kāi)發(fā)，可以手動(dòng)選擇管道材料并輸入水深、設(shè)計(jì)壓力、管道外徑和腐蝕裕量，然后進(jìn)行壁厚計(jì)算，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)壓力提供MPa、bar、psi三種單位的輸入模式，對(duì)管道外徑提供in和mm的單位選擇，點(diǎn)擊計(jì)算即可顯示兩種計(jì)算準(zhǔn)則的計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)將計(jì)算出的結(jié)果自動(dòng)圓整至規(guī)范中與計(jì)算結(jié)果相近的管線尺寸。壁厚計(jì)算功能如圖5所示。

圖5 壁厚計(jì)算

2.2.3 模塊化設(shè)計(jì)及智能裝配

以某油田所使用的水下管匯為例，對(duì)水下管匯模塊化設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。10井槽單回路水下管匯，管匯整體尺寸為15.3 m×5.1 m×5.1 m，主管?54 mm，支管?152.4 mm，含有MEG管線，該管匯在整體布置時(shí)，在主管道軸線方向上，支管、支管連接器和主管連接器保持對(duì)稱布置，連接方式為水平連接，所有閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)朝上，包含控制模塊。

水下管匯按照主管、支管、服務(wù)管線、機(jī)電儀設(shè)備、框架、蓋板、接頭的順序進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，其中主管設(shè)計(jì)頁(yè)面包含主管球閥與主管連接器的設(shè)計(jì)，支管設(shè)計(jì)頁(yè)面包含支管閘閥與支管連接器的設(shè)計(jì)。對(duì)于主管和支管、提供長(zhǎng)度、外徑、間距、布局類型等設(shè)計(jì)選擇，對(duì)支管和主管進(jìn)行長(zhǎng)度和位置改變時(shí)，連接器、閥門等部件也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的變化，防止模型干涉和結(jié)構(gòu)不合理。

閘閥、球閥、連接器等采取智能裝配，輸入設(shè)計(jì)參數(shù)后，系統(tǒng)讀取參數(shù)并調(diào)用三維模型，采用實(shí)例化技術(shù)生成模型體，依據(jù)輸入的典型油氣田條件，自動(dòng)將模型裝配到基于三維最優(yōu)布置方案進(jìn)行決策的最優(yōu)安裝位置。水下管匯的部件模型設(shè)置不同的裝配接口和標(biāo)簽，只有可以進(jìn)行裝配的兩個(gè)部件模型才會(huì)觸發(fā)裝配算法，部件會(huì)生成在裝配算法觸發(fā)范圍內(nèi)的位置，此時(shí)模型會(huì)根據(jù)裝配算法對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，可裝配時(shí)算法會(huì)將部件裝配到管匯上，從而達(dá)到智能裝配的效果。

控制模塊屬于機(jī)電儀設(shè)備，對(duì)機(jī)電儀設(shè)備，在工程實(shí)際中主要考慮在管線內(nèi)部空間進(jìn)行放置，所以此部分采用拖動(dòng)安裝，拖動(dòng)機(jī)電儀的過(guò)程中會(huì)對(duì)路徑上的模型進(jìn)行碰撞，模擬真實(shí)的安裝位置。在改變管線或者框架時(shí)，觸碰到的機(jī)電儀設(shè)備會(huì)進(jìn)行自適應(yīng)位置移動(dòng)。

設(shè)計(jì)人員也可對(duì)已安裝完的部件進(jìn)行自主布局，自主布局即設(shè)計(jì)人員可對(duì)已設(shè)計(jì)完成的水下管匯布局進(jìn)行更改調(diào)整、對(duì)管匯中的設(shè)備部件從模型庫(kù)中選擇其他類型進(jìn)行替換。為提高設(shè)計(jì)效率，軟件可進(jìn)行視圖的快速切換，鼠標(biāo)點(diǎn)擊模型，可對(duì)選中部件進(jìn)行高亮顯示與設(shè)備信息顯示，顯示內(nèi)容有管道尺寸、長(zhǎng)度、設(shè)備位置信息、尺寸信息等。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

2.2.4 數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化

完成管匯設(shè)計(jì)后，在數(shù)據(jù)分析界面對(duì)管線壁厚、管線長(zhǎng)度、球閥、閘閥、多相流量計(jì)、水下連接器、水下控制模塊等設(shè)備元件的重量、價(jià)格信息(可以在面板上自主定義)進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用，形成管匯的重量和價(jià)格分類統(tǒng)計(jì)圖。犧牲陽(yáng)極、tubing管等部分在設(shè)計(jì)中忽略的部分，根據(jù)實(shí)際工程確定經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，犧牲陽(yáng)極塊一般取水下管匯整體重量的5%～10%，tubing管取3%。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后(見(jiàn)圖7)可以選擇管匯優(yōu)化，會(huì)對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的管匯按照減小投資、體積和重量的方向，在該管匯能夠正常工作的情況下進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)總投資、總重量的數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)進(jìn)行判定管匯優(yōu)化程度，在頁(yè)面中將會(huì)顯示優(yōu)化方法以及優(yōu)化后的重量?jī)r(jià)格。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)分析得出的總重量與實(shí)際管匯的重量的偏差在30%以內(nèi)是較為合理的。

圖7 數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化

3 結(jié)束語(yǔ)

該文提出一種水下管匯模塊化設(shè)計(jì)理念，基于Unity 3D開(kāi)發(fā)了水下管匯三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)與水下管匯模塊化設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)，解決了以二維設(shè)計(jì)手段為主導(dǎo)致的設(shè)計(jì)效率低、設(shè)計(jì)結(jié)果無(wú)法動(dòng)態(tài)顯示等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了水下管匯的模塊化設(shè)計(jì)、智能化裝配、數(shù)據(jù)分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化、設(shè)計(jì)可視化。針對(duì)水下管匯模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)的研究，不但有助于推動(dòng)國(guó)內(nèi)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展，而且對(duì)油氣產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有重要推動(dòng)作用。在今后的研究中，將進(jìn)一步完善水下管匯優(yōu)化策略，增加管匯內(nèi)部小管線的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步貼近工程實(shí)際。