水下管匯模塊化設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用*

安維崢 郭鴻飛 馬 強(qiáng) 吳 露 顧繼俊

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028； 2. 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)

在水下油氣田的建設(shè)中，水下管匯是生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分[1]。傳統(tǒng)水下管匯的設(shè)計(jì)通常采用二維圖紙與三維模型相結(jié)合的方式[2-3]，一旦管匯的設(shè)計(jì)質(zhì)量有所更改，則原有的機(jī)電儀布局、管線排布、框架等均需循環(huán)改動(dòng)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求，步驟繁瑣且效率低下。水下管匯的質(zhì)量計(jì)算通常需要在完成三維模型后，對(duì)模型中所有設(shè)備的質(zhì)量逐步計(jì)算并累加，如果計(jì)算得到的管匯質(zhì)量不符合工程預(yù)期，則需重新開(kāi)展空間優(yōu)化和計(jì)算。這種水下管匯設(shè)計(jì)方法往往會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間、人力和物力。隨著技術(shù)的發(fā)展,McWilliams 等[4]于2018年提出了水下管匯的模塊化設(shè)計(jì)理念，通過(guò)統(tǒng)一接口、分工設(shè)計(jì)與組裝的方式，達(dá)到了節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間、控制管匯質(zhì)量與成本的目的。

本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外對(duì)水下管匯的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，首次在國(guó)內(nèi)水下管匯設(shè)計(jì)中引入模塊化設(shè)計(jì)理念，并提出了水下管匯質(zhì)量理論計(jì)算公式，這種設(shè)計(jì)方法能夠按照一定的布局原則，完成各模塊及整體水下管匯系統(tǒng)的三維模型搭建，并可依據(jù)對(duì)信息庫(kù)的資源調(diào)用，實(shí)現(xiàn)水下管匯質(zhì)量的實(shí)時(shí)計(jì)算。本文研究成果實(shí)現(xiàn)了水下管匯設(shè)計(jì)階段對(duì)設(shè)備、尺寸、質(zhì)量等的有效評(píng)估，為水下管匯的前期設(shè)計(jì)提供了新思路。

1 水下管匯模塊劃分及布置原則

1.1 主要模塊劃分

傳統(tǒng)水下管匯功能模塊通常按照設(shè)備類別(主管、支管、閥門(mén)、連接器、水下控制系統(tǒng)、框架等)進(jìn)行劃分[5-9]，這種劃分方式很大程度上割裂了不同類別設(shè)備之間的設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)，不利于水下管匯的總體設(shè)計(jì)。而模塊化設(shè)計(jì)是以管線為主體，將水下管匯按管線、機(jī)電儀、框架的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行模塊劃分，并添加不同類別設(shè)備之間的設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)邏輯(如球閥自動(dòng)跟隨主管的管徑進(jìn)行變化)的設(shè)計(jì)方法。

水下管匯整體上包含主管、支管、服務(wù)管線、機(jī)電儀和框架5大模塊(圖1)，這5大模塊既相互關(guān)聯(lián)，又分別為獨(dú)立的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。5大模塊分別有各自的子模塊，子模塊上有與主模塊相關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)邏輯。

圖1 水下管匯總體設(shè)計(jì)軟件主要模塊劃分Fig.1 Main module division of the overall design software of subsea manifold

1.2 布置原則

水下管匯5大模塊及其子模塊主要遵循2個(gè)布置原則：①滿足水下管匯的行業(yè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；②滿足ROV或潛水員操作的空間條件要求。2個(gè)原則共同約束，才能有效確定各模塊互不影響的空間距離及邊界限制。

1.2.1主管間距

對(duì)于雙主管的水下管匯，2個(gè)主管通過(guò)2個(gè)彎頭連接進(jìn)行清管作業(yè)，主管間距可根據(jù)清管頻率的高低情況及主管間容納設(shè)備所需的空間距離進(jìn)行判斷：①當(dāng)清管頻率高時(shí)，主管的彎頭半徑為5D(D為水下管匯主管直徑)，則主管間距至少為10D；②當(dāng)清管頻率低時(shí)，主管的彎頭半徑為3D，則主管間距至少為6D；③一般閘閥布置在2個(gè)主管內(nèi)側(cè)，需要2個(gè)閘閥來(lái)切換油氣流入的主管道，為了保證有足夠的閘閥安裝空間，根據(jù)閘閥尺寸、三通尺寸以及閘閥焊接短節(jié)的長(zhǎng)度要求，主管的間距至少為2 000 mm。另一方面，主管在水平或垂直布局的情況下，其清管回路均需要2個(gè)彎頭。

綜合這2種限制條件，主管的最小間距應(yīng)取2倍彎頭直徑(10D和6D)與2 000 mm中的最大值。雙主管的最小間距取值判斷流程見(jiàn)圖2。

圖2 水下管匯主管間距取值判斷流程Fig.2 Judging process of distance between main pipes of subsea manifold

1.2.2支管間距

支管布置從形式上可分為對(duì)稱和交錯(cuò)2種方式(圖3)，具體又可細(xì)分為單管對(duì)稱、單管交錯(cuò)、單管非常規(guī)、雙管水平交錯(cuò)、雙管水平對(duì)稱、雙管垂直交錯(cuò)、雙管垂直對(duì)稱等類型。這些布置形式的支管間均需預(yù)留一定的空間，便于完成閘閥、水下連接器等部件的安裝拆除操作。

為了適用于不同水深的油氣田，管匯同側(cè)支管的間距要求也不同：如果為淺水管匯，交錯(cuò)布置的支管間距最小為0.75 m，對(duì)稱布置的支管間距最小為1.5 m；如果為深水管匯，交錯(cuò)布置的支管間距最小為1 m，對(duì)稱布置的支管間距最小為2 m。

圖3 水下管匯支管布置形式Fig.3 Subsea manifold branch pipe layout

1.2.3球閥與閘閥

為了防止上游采油樹(shù)油嘴或閥門(mén)失效，水下管匯處的閥門(mén)通常需要與采油樹(shù)閥門(mén)的壓力等級(jí)保持一致。由于焊接可能造成閥體扭曲，因此閥門(mén)焊接端需要連接長(zhǎng)度至少200 mm的直管短節(jié)[10]。

1.2.4框架高度

框架高度一般由機(jī)電儀設(shè)備、閘閥和球閥三者中高度最大的部件決定，通常要求可容納機(jī)電儀設(shè)備且高于液控閥門(mén)。因此需要在閥門(mén)和機(jī)電儀模型上附加高度信息，以便根據(jù)各部件的空間位置與高度進(jìn)行框架高度調(diào)整。

2 水下管匯模塊化設(shè)計(jì)方法

2.1 模型庫(kù)與數(shù)據(jù)庫(kù)

水下管匯的模型庫(kù)是所有設(shè)備三維模型的集合。模型的建立根據(jù)各設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力、使用尺寸、操縱方式等參數(shù)采用軟件Solidworks完成，并攜帶著關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)、智能生成、自動(dòng)裝配等算法；每個(gè)模型均有相應(yīng)的標(biāo)簽，以供質(zhì)量計(jì)算時(shí)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)調(diào)用。

水下管匯的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)所有設(shè)備的價(jià)格和質(zhì)量信息，并與模型庫(kù)的設(shè)備模型標(biāo)簽相對(duì)應(yīng)。水下管匯設(shè)計(jì)在進(jìn)行模型調(diào)用時(shí)，其設(shè)備所含的數(shù)據(jù)庫(kù)信息一并調(diào)用，完成管匯實(shí)時(shí)質(zhì)量計(jì)算及成本統(tǒng)計(jì)運(yùn)算。

2.2 管匯設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算

1) 管道壁厚計(jì)算。

在設(shè)計(jì)管匯之前，需根據(jù)管道的直徑、壁厚等參數(shù)對(duì)其壁厚進(jìn)行計(jì)算。壁厚計(jì)算準(zhǔn)則包括ASME 31.8[11](簡(jiǎn)稱為ASME準(zhǔn)則)和DNVGL-ST-F101(2017)[12](簡(jiǎn)稱為DNV準(zhǔn)則)，其中ASME準(zhǔn)則適合水下管匯承壓管道，而DNV準(zhǔn)則更側(cè)重于海底管道。由于一般管匯承壓管道與海底管道等徑，因此在進(jìn)行壁厚計(jì)算時(shí)，將兩種準(zhǔn)則的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際管道壁厚進(jìn)行對(duì)比分析(表1)，發(fā)現(xiàn)ASME準(zhǔn)則的壁厚計(jì)算值與國(guó)際工程實(shí)際壁厚更加接近。因此，采用ASME準(zhǔn)則的計(jì)算值作為后續(xù)質(zhì)量計(jì)算的輸入條件更為合理。

表1 管道壁厚ASME準(zhǔn)則與DNV準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison between calculation results of ASME standard and DNV standard for pipe wall thickness

2) 管線設(shè)計(jì)。

管線的設(shè)計(jì)順序?yàn)橹鞴?、支管、服?wù)管線(例如MEG管線)，這3類管線均融合了閥門(mén)模塊與連接器模塊等子模塊設(shè)計(jì)選項(xiàng)，因而雖然布置形式不同，但設(shè)計(jì)方法相同。通過(guò)管線設(shè)計(jì)可形成多種布局類型的管線，如單管對(duì)稱、單管交錯(cuò)、雙管水平交錯(cuò)、雙管水平對(duì)稱、雙管垂直交錯(cuò)、雙管垂直對(duì)稱等。

在管線設(shè)計(jì)過(guò)程中，閘閥、球閥、連接器、變徑三通等子模塊設(shè)備模型可自動(dòng)生成裝配，即模型庫(kù)的每個(gè)管匯部件都有裝配接口及標(biāo)簽，通過(guò)模型生成算法調(diào)用模型時(shí)，會(huì)根據(jù)布置原則將模型生成在裝配觸發(fā)范圍內(nèi)的位置，并根據(jù)裝配接口和標(biāo)簽自動(dòng)將部件裝配至相應(yīng)的部件。

管線在初步設(shè)計(jì)完成后，可對(duì)支管間距、閥門(mén)位置等進(jìn)行調(diào)節(jié)；如果更換管線、閥門(mén)、連接器等設(shè)備類型，則原模型及其裝配模型可自動(dòng)刪除：①當(dāng)管線長(zhǎng)度、位置、布局類型發(fā)生變化時(shí)，與管線相連接的部件將通過(guò)設(shè)定的坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)裝配位置的同步變化；②當(dāng)管線尺寸發(fā)生變化時(shí)，閥門(mén)、連接器等子模塊設(shè)備將通過(guò)比例轉(zhuǎn)換算法轉(zhuǎn)換為可裝配的尺寸。子模塊設(shè)備的自動(dòng)生成裝配算法原理見(jiàn)圖4。

圖4 子模塊設(shè)備自動(dòng)生成裝配算法原理Fig.4 Principle of assembly algorithm for automatic generation of sub-module equipment

3) 機(jī)電儀設(shè)備設(shè)計(jì)。

機(jī)電儀設(shè)備的安裝位置自由度極高，因此需要根據(jù)管匯內(nèi)部空間及管線的排布進(jìn)行自主拖拽裝配。模型庫(kù)的所有模型都具有碰撞體，以模擬各模塊在實(shí)際工況中的碰撞：管線、閥門(mén)、框架等部件的碰撞體為鎖死狀態(tài)，以防止位移的發(fā)生；如果機(jī)電儀的模型與鎖死狀態(tài)模塊的模型發(fā)生碰撞，則機(jī)電儀設(shè)備將自動(dòng)調(diào)整至不與其他模塊模型干涉的位置，而鎖死狀態(tài)的模塊模型不會(huì)發(fā)生位置變化，這樣就可以最大化利用管匯的內(nèi)部空間，減小管匯體積。

4) 框架設(shè)計(jì)及接頭設(shè)計(jì)。

整體框架根據(jù)管道布局形式的不同，分為單主管框架I、單主管框架II、雙主管框架I、雙主管框架II這4類(圖5)，其中單主管框架I和雙主管框架II有預(yù)留機(jī)電儀安裝位置，另外2種框架沒(méi)有預(yù)留。不同框架的長(zhǎng)、寬、高均可在限制條件下進(jìn)行調(diào)整，限制條件由已生成的閥門(mén)、支管、主管等模塊的布置原則決定(如框架的高度不應(yīng)小于閥門(mén)高度，寬度與支管的長(zhǎng)度和水下連接器位置有關(guān))?？蚣芩闹茉O(shè)有接頭的安裝區(qū)域，可以拖動(dòng)接頭進(jìn)行安裝。完成框架、機(jī)電儀、接頭的設(shè)計(jì)后，即可確定小管線排布，由于小管線排布方式復(fù)雜多變，因此只參與質(zhì)量與成本計(jì)算。

圖5 水下管匯主題框架的主要形式Fig.5 Main form of the subsea manifold theme frame

3 管匯質(zhì)量計(jì)算及其驗(yàn)證

在完成管匯的三維模型搭建后，可對(duì)模塊各設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)中的質(zhì)量信息進(jìn)行參數(shù)提取，完成整體水下管匯的質(zhì)量計(jì)算。犧牲陽(yáng)極塊與小管線的質(zhì)量系數(shù)分別取水下管匯整體質(zhì)量的5%～10%[13-14]和3%。由于水下管匯不同設(shè)計(jì)方案的總質(zhì)量差異較大，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為質(zhì)量計(jì)算得出的水下管匯總質(zhì)量與實(shí)際總質(zhì)量偏差在15%內(nèi)且大于實(shí)際管匯質(zhì)量較為合理。

3.1 管匯質(zhì)量計(jì)算模型

管匯框架設(shè)計(jì)是在考慮井口布局、管線排布、機(jī)電儀放置位置、空間利用等多重因素作用下完成[15-16]，因而盡管各管匯的材料、型鋼尺寸、外形等均不相同，但在進(jìn)行質(zhì)量計(jì)算時(shí)，均可先將管匯框架近似為長(zhǎng)方體，其表面采用2 m間隔的型鋼進(jìn)行網(wǎng)格化搭建(圖6)；長(zhǎng)方體的頂面和底面采用橫梁進(jìn)行加固，高度方向的4個(gè)棱邊作為立柱，計(jì)算時(shí)對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償?；谶@種思路提出的管匯框架總質(zhì)量理論計(jì)算公式為

T=(1+s+l)(∑ai+∑bi+G+αβN)

(1)

其中

G=x[Uβ+Vα+(U-4)γ+4yγ]

(2)

(3)

(4)

式(1)～(4)中：T為水下管匯的整體質(zhì)量，kg；s為犧牲陽(yáng)極塊質(zhì)量系數(shù)，一般取值0.05～0.1；l為小管線質(zhì)量系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可取值為0.03；ai為各個(gè)模塊質(zhì)量，kg；bi為各個(gè)模塊的附帶結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，kg；G為水下管匯的框架質(zhì)量，kg；N為蓋板單位面積的質(zhì)量，kg/m2，根據(jù)所用鋼材進(jìn)行取值；U是框架的寬和高方向的型鋼數(shù)量，V是框架長(zhǎng)度方向的型鋼數(shù)量，采用中括號(hào)進(jìn)行取整計(jì)算；x為型鋼單位長(zhǎng)度質(zhì)量，kg/m；y立柱質(zhì)量補(bǔ)償系數(shù)，推薦取值2.5～4；α、β、γ分別為框架的長(zhǎng)、寬、高，m。

圖6 水下管匯框架理論模型Fig.6 Theoretical model of subsea manifold frame

3.2 模型有效性驗(yàn)證

以陵水、流花等油氣田部分水下管匯為例，采用水下管匯總體設(shè)計(jì)軟件對(duì)其進(jìn)行模型搭建和整體質(zhì)量計(jì)算，管匯質(zhì)量的計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比見(jiàn)表2?？梢钥闯?，采用模塊化設(shè)計(jì)質(zhì)量計(jì)算得到的水下管匯總質(zhì)量比實(shí)際質(zhì)量略大，且計(jì)算誤差小于15%。因此，水下管匯模塊化設(shè)計(jì)的質(zhì)量計(jì)算能夠滿足工程要求。

表2 水下管匯模塊化設(shè)計(jì)的總質(zhì)量計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比Table 2 Comparison between the calculated value and the actual value of the total mass of the modular design of subsea manifolds

4 結(jié)論

1) 模塊化設(shè)計(jì)方法能夠通過(guò)參數(shù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)不同模塊的調(diào)動(dòng)和修改，實(shí)現(xiàn)快速搭建水下管匯三維模型、水下管匯布局修改和機(jī)電儀布局優(yōu)化，有效解決了水下管匯前期設(shè)計(jì)效率低下及空間利用優(yōu)化繁瑣的問(wèn)題。

2) 水下管匯布局算法和三維設(shè)計(jì)方法，可實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)水下管匯中機(jī)電儀設(shè)備與管纜的干涉現(xiàn)象以及評(píng)估ROV操作空間或潛水員操作空間的可操作性。

3) 水下管匯質(zhì)量計(jì)算方法，在前期設(shè)計(jì)階段能夠有效評(píng)估水下管匯質(zhì)量。