基于玻璃纖維增強(qiáng)塑料水下結(jié)構(gòu)物的防護(hù)設(shè)計(jì)

李 想 高 爽 石錦坤 李義全 張?jiān)迄i

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000；2.中海油深圳海洋工程技術(shù)服務(wù)有限公司，廣東 深圳 518000；3.北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司，北京 102101）

中國南海油氣開發(fā)逐漸走向深水領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的導(dǎo)管架平臺(tái)開發(fā)的昂貴成本相比，水下生產(chǎn)系統(tǒng)不僅開發(fā)成本低而且受海洋環(huán)境影響極小，因此被廣泛運(yùn)用于深水油氣開發(fā)。隨著近海漁業(yè)迅速發(fā)展，漁業(yè)捕撈活動(dòng)給水下油氣設(shè)施安全運(yùn)行埋下了極大的風(fēng)險(xiǎn)隱患，例如漁船拖網(wǎng)設(shè)備對(duì)水下油氣生產(chǎn)設(shè)施產(chǎn)生了拖掛、纏繞、傾覆現(xiàn)象以及來往船只造成的落錨沖擊情況等，這都將嚴(yán)重影響油田正常生產(chǎn)。目前，國內(nèi)通常采用鋼制格柵保護(hù)罩的形式，抗沖擊韌性一般，不僅質(zhì)量大，且應(yīng)對(duì)深水的惡劣海洋環(huán)境耐性較差，需要采取較好的防腐措施。在過去的二十年里，以玻璃纖維為代表的復(fù)合材料由于其具有嚴(yán)格的力學(xué)性能、較小的自重、良好的耐鹽水腐蝕性和隔熱性能，被歐洲海洋工程公司逐步應(yīng)用于海洋石油開發(fā)領(lǐng)域。而國內(nèi)起步較晚，工程經(jīng)驗(yàn)較少，相應(yīng)的設(shè)計(jì)手段和設(shè)計(jì)規(guī)范較為缺乏[1]，長期依賴于產(chǎn)品進(jìn)口。

以南海某油田的海底管線終端（PLET）為保護(hù)對(duì)象，基于DET NORSKE VERITAS（DNV）標(biāo)準(zhǔn)NORSOK-U-001和ISO 13628-1規(guī)定的水下油氣設(shè)施的防護(hù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，并結(jié)合結(jié)構(gòu)物海上安裝要求，完成了首套國產(chǎn)玻璃纖維復(fù)合材料PLET防護(hù)罩的研發(fā)工作。該文介紹了其設(shè)計(jì)規(guī)則，為國產(chǎn)復(fù)合材料防護(hù)結(jié)構(gòu)在海洋石油工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)及應(yīng)用積累相應(yīng)的工程經(jīng)驗(yàn)。

1 南海水下油氣設(shè)施現(xiàn)狀

1.1 南海水下油氣設(shè)施損傷現(xiàn)狀

隨著漁業(yè)捕撈裝置的進(jìn)步和捕撈范圍擴(kuò)大，水下油氣生產(chǎn)設(shè)施受到漁業(yè)活動(dòng)的影響也越來越嚴(yán)重。根據(jù)前期對(duì)水下油氣生產(chǎn)設(shè)施的檢查結(jié)果可知，目前，水下180m～300m油氣生產(chǎn)設(shè)施受漁業(yè)損壞事件頻發(fā)，可發(fā)現(xiàn)有多處管纜、采油樹出現(xiàn)漁網(wǎng)纏繞、拖掛以及漁錨拖掛現(xiàn)象，嚴(yán)重影響油田的正常投產(chǎn)運(yùn)行，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。從目前所掌握的資料來看，損傷集中發(fā)生在未采用保護(hù)措施的水下油氣生產(chǎn)設(shè)施上，而已經(jīng)采取保護(hù)的水下結(jié)構(gòu)物暫未發(fā)現(xiàn)異常。如圖1所示，由于漁船拋錨拖掛，在水深300m的水下采油樹上出現(xiàn)了大面積的漁網(wǎng)覆蓋和纏繞現(xiàn)象，在水深200m處的海底臍帶纜出現(xiàn)了打扭和損傷的情況，因此，對(duì)南海油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)物影響最大的仍然是漁業(yè)活動(dòng)。在規(guī)范ISO 13628—15中也明確指出，水深750m以內(nèi)的水下油氣生產(chǎn)設(shè)施應(yīng)該考慮捕撈發(fā)展所帶來的不確定性影響，提前采取保護(hù)措施，因此，在南海范圍內(nèi)的油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的保護(hù)需求也要重新評(píng)估和確認(rèn)。

圖1 南海漁業(yè)活動(dòng)對(duì)水下油氣設(shè)施的影響

1.2 漁業(yè)活動(dòng)的影響

從文獻(xiàn)[2-3]中可以分析漁業(yè)捕撈活動(dòng)對(duì)水下油氣生產(chǎn)設(shè)施的影響：在漁業(yè)捕撈過程中，隨著船只和漁具不斷向大型化發(fā)展，其拋錨的深度及觸底的深度也不斷增加（見表1），對(duì)水下油氣設(shè)施的沖擊事件不斷增加，嚴(yán)重威脅油氣設(shè)施的安全運(yùn)行。

表1 各作業(yè)方式漁具及漁船錨觸底的深度

近海漁業(yè)的捕撈作業(yè)方式有拖網(wǎng)、張網(wǎng)和釣具等。由于單拖網(wǎng)其捕撈深度為300m～400m，作業(yè)形式靈活，因此具有較好的效益，在漁業(yè)活動(dòng)中得到更廣泛地運(yùn)用。在拖網(wǎng)作業(yè)過程中，網(wǎng)具上的拖板會(huì)在船舶運(yùn)動(dòng)下產(chǎn)生張力，使?jié)O網(wǎng)完全展開，并在重力作用下下沉至海底觸泥，在拖動(dòng)過程中極容易對(duì)水下油氣設(shè)施的運(yùn)行造成威脅，其作業(yè)形式如圖2所示。

圖2 拖網(wǎng)捕撈作業(yè)形式

2 玻璃纖維復(fù)合材料防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 水下生產(chǎn)設(shè)施防護(hù)的通用要求

目前，國際一些知名工程公司（例如國民油井華高NOV、挪威CSUB、英國殼牌等）對(duì)水下油氣生產(chǎn)設(shè)施防護(hù)具有較為豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，特別是在英國北海及挪威等地的石油公司，很早就針對(duì)當(dāng)?shù)匕l(fā)達(dá)的漁業(yè)捕撈活動(dòng)進(jìn)行評(píng)估和防護(hù)設(shè)計(jì)[4]，基于實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)建立NORSOK、ISO 13628-15等規(guī)范來指導(dǎo)設(shè)計(jì)，保障油田生產(chǎn)安全。對(duì)水下生產(chǎn)設(shè)施結(jié)構(gòu)防護(hù)來說，其設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下3個(gè)要求：1）根據(jù)被保護(hù)物的形狀特征，不同保護(hù)罩的外形尺寸即使存在一定差異，但整體結(jié)構(gòu)外形應(yīng)符合漁網(wǎng)易于通過型，其邊角與水平地面夾角≤58°。2）結(jié)構(gòu)物整體應(yīng)光滑，外表無突起結(jié)構(gòu)，艙門與ROV抓手應(yīng)設(shè)計(jì)為內(nèi)凹式。3）其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足NORSOK STANDARD U-001及DIN EN ISO 13628-1的相關(guān)規(guī)定，可有效抵抗沖擊變形，其指標(biāo)見表2和表3。

表2 防漁網(wǎng)拖掛設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 沖擊載荷參數(shù)

于春潔等進(jìn)行了水下生產(chǎn)設(shè)施結(jié)構(gòu)在東海漁業(yè)作業(yè)方式下承受的撞擊力和拖掛力試驗(yàn)研究，NORSOK規(guī)范推薦數(shù)值與其結(jié)果相比是保守的，基于該數(shù)值設(shè)計(jì)的水下油氣生產(chǎn)設(shè)施防護(hù)結(jié)構(gòu)物可滿足油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的防護(hù)要求。4）應(yīng)當(dāng)充分考慮ROV（遙控?zé)o人潛水器）工作的友好性，同步設(shè)計(jì)方便ROV操作的把手和穩(wěn)定身形的抓手，方便ROV在水下結(jié)構(gòu)物的安裝過程和檢測(cè)過程進(jìn)行操作。這是因?yàn)樵谶M(jìn)行海上安裝施工的過程中，對(duì)結(jié)構(gòu)物的就位位置、水平度和艏向的精度要求極高[5]，在人員無法到達(dá)的水下，水下結(jié)構(gòu)物的就位安裝工作只能交由ROV來完成。在投產(chǎn)后，由ROV定期對(duì)結(jié)構(gòu)物在生命周期內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)、維修和維護(hù)是海上油氣田安全生產(chǎn)和設(shè)施完整性管理必不可少的工作[6]。

2.2 復(fù)合材料在海洋工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在海洋中，化學(xué)腐蝕與海生物附著一直是影響鋼制結(jié)構(gòu)物壽命的重要因素，需要對(duì)其進(jìn)行反腐蝕設(shè)計(jì)并進(jìn)行定期維護(hù)檢查，需要長久的維護(hù)成本以保證水下鋼制結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)的完好性。目前，我國海域已經(jīng)開發(fā)了約40個(gè)海上油田，具有廣闊的海上油氣發(fā)展前景[7-8]，有大量以前投產(chǎn)的水下油氣生產(chǎn)設(shè)施亟需進(jìn)行后保護(hù)設(shè)計(jì)，以防止受外在因素的影響。因此，與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)罩相比，密度為鋼的1/3～1/4、耐海水腐蝕且具有強(qiáng)度極高的復(fù)合材料，更適用于深海油氣開發(fā)，具有以下鋼結(jié)構(gòu)無法比擬的優(yōu)勢(shì)：質(zhì)量輕，耐腐蝕，可以有效地減輕自重，不僅能節(jié)約能源，而且易于施工；復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型工藝簡(jiǎn)便，維修便捷，可采用同一模具批量生產(chǎn)、周期短；優(yōu)異的耐海水腐蝕和抗海生物特性使其與同類鋼產(chǎn)品相比，整體運(yùn)營成本低[9]，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

3 玻璃纖維復(fù)合材料PLET保護(hù)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以防止?jié)O業(yè)活動(dòng)對(duì)PLET的影響為設(shè)計(jì)重點(diǎn)，結(jié)合規(guī)范NORSOK STANDARD U-001及DIN EN ISO 13628-1，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)生產(chǎn)的玻璃纖維復(fù)合材料PLET保護(hù)罩具有防漁具拖掛、抵抗落錨/落物沖擊、ROV友好功能。如圖3所示，其總體尺寸為19.2m×11.8m×3.3m，由保護(hù)罩與底部鋼質(zhì)基座組成，保護(hù)罩承擔(dān)包括漁具拖掛、落物沖擊的防護(hù)功能，鋼質(zhì)基座主要起到安裝和服役過程中的配重和就位過程中的導(dǎo)向和鎖定功能。保護(hù)罩整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為結(jié)構(gòu)本體、帽形筋以及吊耳3個(gè)部分，結(jié)構(gòu)物本體的結(jié)構(gòu)厚度為36 mm，帽形筋的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)本體一致，為了避免海底泥沙在帽形筋中堆積，在其上方鋪設(shè)厚度為20 mm的上表面，同時(shí)具備一定的增強(qiáng)作用。吊耳進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計(jì)，總厚度96 mm。

圖3 玻璃纖維復(fù)合材料PLET保護(hù)罩

在ROV友好設(shè)計(jì)方面，在開關(guān)艙門、就位穩(wěn)定已經(jīng)鎖定插銷部位留有可供ROV抓手抓緊的結(jié)構(gòu)物（如圖4所示），使ROV能夠在指揮、吊機(jī)、船舶以及定位等崗位的協(xié)同下，高效精準(zhǔn)地將結(jié)構(gòu)物在水下安裝就位，并實(shí)現(xiàn)后續(xù)檢測(cè)、回收功能。

圖4 玻璃纖維復(fù)合材料PLET保護(hù)罩ROV友好性設(shè)計(jì)

4 產(chǎn)品試驗(yàn)

根據(jù)水下生產(chǎn)設(shè)施防護(hù)的通用要求，對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料PLET保護(hù)罩進(jìn)行漁網(wǎng)通過性測(cè)試、落物沖擊測(cè)試及ROV友好性測(cè)試，以驗(yàn)證其是否滿足工程應(yīng)用要求。

4.1 漁網(wǎng)拖掛試驗(yàn)

按照NORSOK-U-001和ISO 13628-1設(shè)計(jì)要求，該保護(hù)罩邊角與地面夾角設(shè)計(jì)為57°，結(jié)構(gòu)物外表光滑平齊無任何障礙物，所有艙門和ROV抓手都是內(nèi)凹式設(shè)計(jì)，無任何突起，使用行吊拖拽漁網(wǎng)分別從PLET保護(hù)罩的長邊和短邊進(jìn)行拖掛，控制速度為3m/s。經(jīng)過試驗(yàn)，漁網(wǎng)均能順利通過保護(hù)罩結(jié)構(gòu)整體，未產(chǎn)生拖掛現(xiàn)象，可滿足漁網(wǎng)的通過性要求。

4.2 落物沖擊試驗(yàn)

沖擊性能測(cè)試是重要的產(chǎn)品質(zhì)量驗(yàn)證手段，本次試驗(yàn)采用自由落體的方式，將重物提升至一定高度進(jìn)行釋放，利用重物的重力和加速度對(duì)試件進(jìn)行沖擊，如圖5所示。

圖5 沖擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)圖

4.2.1 玻璃纖維復(fù)合材料樣件

長寬尺寸為2m×2m的玻璃纖維復(fù)合材料層合板。

4.2.2 金屬落物

為滿足20kJ、50kJ和沖擊能量對(duì)應(yīng)區(qū)域的要求，落物的參數(shù)設(shè)計(jì)見表4。

表4 沖擊參數(shù)

4.2.3 舉升裝置

利用橋式起重機(jī)作為落物提升裝置，將高度提升0m～10 m，通電使電磁吸盤產(chǎn)生磁力，緊緊吸住接觸在吸盤表面的金屬圓柱體，當(dāng)舉升至預(yù)定高度時(shí)，采用斷電消磁的方式使金屬?zèng)_擊金屬圓柱體，自由落體沖擊玻璃纖維復(fù)合材料層合板。

如圖6所示，在20kJ和50kJ的落物沖擊下，該玻璃纖維復(fù)合材料層合板在表面存在一些沖擊痕跡，當(dāng)沖擊載荷達(dá)到50kJ時(shí)，中心沖擊區(qū)域出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，但整體結(jié)構(gòu)完好，能有效抵抗50kJ的沖擊能量，可認(rèn)為設(shè)計(jì)強(qiáng)度符合規(guī)范要求。

圖6 沖擊測(cè)試結(jié)果

4.3 ROV友好性試驗(yàn)

ROV陸地協(xié)同測(cè)試是驗(yàn)證ROV友好設(shè)計(jì)能否支持水下安裝工作的重要手段，能夠提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方面的不足，提出改進(jìn)措施，提高海上安裝工作效率。測(cè)試將使用1臺(tái)工作級(jí)ROV Furgo FCV3000，具有1個(gè)5Te和7Te的機(jī)械臂，模擬完成PLET保護(hù)罩安裝就位的過程。ROV艙門開合測(cè)試：由ROV機(jī)械手臂測(cè)試艙門開合過程，達(dá)到海上安裝時(shí)開關(guān)艙門以觀察連接器狀態(tài)及后續(xù)檢修的目的。ROV把手測(cè)試：由ROV機(jī)械手臂進(jìn)行抓合測(cè)試，確保抓手強(qiáng)度和空間能滿足海上安裝需求，有效減少就位過程中的ROV身形不穩(wěn)問題。水下回接吊耳測(cè)試：在水下生產(chǎn)設(shè)施出現(xiàn)故障需要回收保護(hù)罩進(jìn)行維修時(shí)，ROV可使用ROV卸扣在水下連接吊裝索具，實(shí)現(xiàn)保護(hù)結(jié)構(gòu)回收功能。

5 結(jié)語

隨著南海油氣開發(fā)向300m以上的深水不斷挺進(jìn)，其油氣田的開發(fā)模式愈發(fā)側(cè)重于水下的整體開發(fā)模式。而南海漁業(yè)捕撈活動(dòng)的加劇，嚴(yán)重威脅油氣設(shè)施安全穩(wěn)定生產(chǎn)。因此與鋼材相比，質(zhì)輕高強(qiáng)而又耐腐蝕的復(fù)合材料就成了水下生產(chǎn)設(shè)施防護(hù)的新思路。

該文基于NORSOK STANDARD U-001和ISO 13628-1規(guī)范，設(shè)計(jì)首套國產(chǎn)玻璃纖維復(fù)合材料PLET保護(hù)罩，從設(shè)計(jì)上考慮防漁網(wǎng)拖掛、防拋錨沖擊和ROV友好性，并完成相應(yīng)的試驗(yàn)，成功地實(shí)現(xiàn)了其海上工程的應(yīng)用，保護(hù)了南海某油田海底管線終端，不僅是國產(chǎn)復(fù)合材料在海洋油氣開發(fā)領(lǐng)域的一次重要突破，還能起到給國產(chǎn)復(fù)合材料在海洋石油領(lǐng)域的設(shè)計(jì)方向和設(shè)計(jì)手段提供參考的作用，并積累海洋環(huán)境應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)國產(chǎn)復(fù)合材料在深水油氣開發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。