基于水下管匯工程樣機(jī)的改造與集成設(shè)計(jì)分析

上海上儀股份公司歸納了水下管匯系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，并結(jié)合“十三五”科研工程實(shí)例，總結(jié)分析了水下管匯工程樣機(jī)的改造與集成設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)，為水下管匯工程樣機(jī)后續(xù)的陸上聯(lián)調(diào)測(cè)試及海試奠定了重要基礎(chǔ)，有助于推進(jìn)深水管匯在我國(guó)深水海域油氣田開發(fā)中的應(yīng)用。

隨著我國(guó)海上油氣田開發(fā)逐步由淺水區(qū)域向深水領(lǐng)域挺進(jìn)，水下生產(chǎn)系統(tǒng)在我國(guó)應(yīng)用愈發(fā)廣泛 [1-3] 。在我國(guó)陸豐油田、番禺35-1/35-2氣田、崖城13-1氣田、荔灣3-1氣田等項(xiàng)目中雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了水下生產(chǎn)系統(tǒng)的開采應(yīng)用，但水下生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及核心設(shè)備設(shè)施卻長(zhǎng)期受制于國(guó)外壟斷，很大程度上會(huì)制約我國(guó)深水油氣田項(xiàng)目的開發(fā)，影響我國(guó)深水油氣資源的開采。水下管匯是水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要設(shè)備，也是保證水下油氣安全順利從井口輸送至海洋平臺(tái)的關(guān)鍵一環(huán)。

1 水下管匯系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

1.1 總體設(shè)計(jì)

結(jié)合目標(biāo)油田的油藏參數(shù)，進(jìn)行工藝模擬計(jì)算包括物料熱量平衡計(jì)算，管道內(nèi)防腐計(jì)算以及與化學(xué)注入的計(jì)算等，并考慮水深環(huán)境特點(diǎn)、計(jì)量要求、連接要求、控制方案等，綜合確定管匯的總體設(shè)計(jì)方案，包括管匯集成設(shè)施的布置、配管、材料選擇、防護(hù)要求、接口形式等。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水下管匯作為水下井口和水面生產(chǎn)設(shè)施之間的橋梁和通訊樞紐，對(duì)于控制信號(hào)的反應(yīng)速度是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)，特別是對(duì)于緊急關(guān)斷或是安全保護(hù)信號(hào)的及時(shí)響應(yīng)是關(guān)系到安全的關(guān)鍵因素。根據(jù)回接距離不同，通常采用全液壓控制或者復(fù)合電液控制方案，以提高控制系統(tǒng)的可靠性和響應(yīng)速度。

1.3 擴(kuò)展性和通用性

水下管匯設(shè)計(jì)在確?；竟δ芎桶踩耐瑫r(shí)，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置，減少管匯的復(fù)雜性。針對(duì)項(xiàng)目中可能存在的未來周邊油氣的接入，建議管匯系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮具備一定的擴(kuò)展性，并適當(dāng)增加設(shè)計(jì)余量保證管匯的通用性。

1.4 可操作性及可維護(hù)性

充分明確水下管匯集成設(shè)備設(shè)施的操作要求及維護(hù)內(nèi)容，在管匯設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。設(shè)計(jì)階段可采用三維模型進(jìn)行ROV或潛水員操作及維護(hù)模擬，保證管匯設(shè)計(jì)合理性，滿足設(shè)施的可操作性和可維護(hù)性。2 水下管匯工程樣機(jī)的改造與集成設(shè)計(jì)分析結(jié)合水下管匯系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，對(duì)“十二五”階段研制的水下管匯樣機(jī)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，以滿足“十三五”階段水下管匯工程樣機(jī)的功能性要求。

2.1 結(jié)構(gòu)改造分析

結(jié)構(gòu)改造包括甲板拆除及結(jié)構(gòu)框架改造。水下管匯頂層甲板拆除主要為管道法蘭拆除和設(shè)備拆除做準(zhǔn)備。在甲板拆除設(shè)計(jì)中，要鑒別拆除所有頂層甲板的必要性及合理性，結(jié)合水下管匯設(shè)計(jì)特點(diǎn)，分析可采取的實(shí)施方案，如使用倒鏈、千斤頂?shù)裙ぞ咴u(píng)估設(shè)備設(shè)施側(cè)面裝入的可行性等，從而減少拆除甲板的工程量。另外，拆除甲板切割時(shí)，盡量保持切口規(guī)整，以便在完成管匯設(shè)備集成后回裝利用，降低改造費(fèi)用。

對(duì)水下管匯結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行改造為新設(shè)施提供安裝空間，結(jié)構(gòu)框架改造設(shè)計(jì)還應(yīng)滿足設(shè)備設(shè)施集成在管匯上的合理布置，并兼顧設(shè)備滿足操作空間要求。

2.2 管匯集成設(shè)計(jì)

水下管匯集成設(shè)施包括如下工程樣機(jī)：水下閥門、多相流量計(jì)、水下連接器及水下控制模塊（即SCM）等。水下管匯的改造設(shè)計(jì)不僅要考慮工程樣機(jī)的尺寸、重量及集成位置，還要明確管匯與工程樣機(jī)之間的界面參數(shù)，如管線接口形式及材質(zhì)規(guī)格、操作空間及要求、供電參數(shù)、供貨范圍等，確保改造設(shè)計(jì)的合理性及可實(shí)施性。

2.2.1 水下閥門

水下管匯集成的水下閥門樣機(jī)包括1臺(tái)6寸閘閥和1臺(tái)12寸球閥，適用水深1500m，且配置ROV及液壓?jiǎn)巫饔脠?zhí)行機(jī)構(gòu)。水下閘閥和球閥的主要參數(shù)見表1。水下管匯改造的集成設(shè)計(jì)考慮閥門尺寸、質(zhì)量及操作要求，還要兼顧水下管匯與閥門的界面數(shù)據(jù)及供貨劃分，如閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓接口螺紋口設(shè)計(jì)形式；為便于ROV操作的閥門墊塊供貨范圍；閥門袖管與水下管匯主管道材料匹配性（管匯材質(zhì)為雙相不銹鋼）；對(duì)閥門袖管長(zhǎng)度的要求等。

2.2.2 多相流量計(jì)

水下管匯集成1臺(tái)多相流量計(jì)工程樣機(jī)，主要參數(shù)見表2。水下管匯改造設(shè)計(jì)要兼顧與多相流量計(jì)的界面參數(shù)，如水下多相流量計(jì)樣機(jī)兩個(gè)端面的6寸SPO法蘭是雙相不銹鋼材質(zhì)，水下管匯應(yīng)與其匹配對(duì)接；多相流量計(jì)兩端接入管道的袖管長(zhǎng)度及材質(zhì)應(yīng)明確；供電飛線的接口位置及接頭類型。另外，多相流量計(jì)為精密設(shè)備，在管匯改造設(shè)計(jì)中考慮合理的安裝方式及防護(hù)要求，避免精密設(shè)備的損壞。

2.2.3 水下連接器

在水下管匯改造設(shè)計(jì)中需確定與水下連接器的界面參數(shù)，包括垂直管匯連接器與水下管匯的接口尺寸，端口開坡口形式以及材料類型等。其中，水下管匯改造設(shè)計(jì)時(shí)所選材料需與該材料具有良好的焊接性能。

另外，垂直連接器配有專用安裝工具，連接器的鎖緊及解鎖通過液壓及ROV配合操作。管匯改造設(shè)計(jì)應(yīng)滿足連接器下放安裝及更換拆卸的操作空間及局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

2.2.4 水下控制模塊

水下管匯集成1臺(tái)水下控制模塊工程樣機(jī)（即SCM），系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用開式復(fù)合電液控制，SCM為可回收設(shè)計(jì)，并需要專用回收設(shè)備配以ROV實(shí)施操作。SCM主要用于管匯閥門樣機(jī)的液壓開關(guān)控制、多相流量計(jì)的采集信號(hào)傳輸，以及管匯的溫度和壓力數(shù)據(jù)采集及傳輸。管匯改造設(shè)計(jì)應(yīng)保證滿足SCM的安裝要求及操作空間，并兼顧減少管匯改造工程量。SCM為精密設(shè)備且需要進(jìn)行水下回收，對(duì)安裝精度要求較高，在管匯改造設(shè)計(jì)中考慮合理的安裝方式及防護(hù)要求，避免精密設(shè)備的損壞。

此外，水下管匯與SCM的界面接口數(shù)據(jù)也是改造設(shè)計(jì)中的關(guān)注重點(diǎn)，包括電飛線的接頭連接位置及飛線接頭的存放位置；SCM液壓液管線的輸入、輸出接頭尺寸及方位，與管匯液壓液輸入面板的接頭尺寸匹配性，以便管匯改造設(shè)計(jì)考慮是否需要變徑；SCM與水下管匯壓力溫度傳感器連接參數(shù)，如信號(hào)類型、量程等。

2.3 管匯改造施工設(shè)備

水下管匯改造時(shí)的主要施工設(shè)備包括：25t汽車吊、磁力切割機(jī)、等離子切割機(jī)等。由于水下管匯的12寸及6寸管道材質(zhì)為雙相不銹鋼，因此進(jìn)行管段切除改造時(shí)，不能用普通火焰切割，必須用等離子切割機(jī)。

3 結(jié)束語

本文對(duì)水下管匯系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了梳理，并基于科研工程樣機(jī)實(shí)例總結(jié)分析了水下管匯改造與集成設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)中如何減少改造工程量降低成本，合理布置集成的設(shè)備設(shè)施滿足操作要求，以及管匯設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注的界面要求等設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行歸納，為水下管匯工程樣機(jī)后續(xù)的陸上聯(lián)調(diào)測(cè)試及海試奠定了重要基礎(chǔ)，有助于推進(jìn)深水管匯在我國(guó)深水海域油氣田開發(fā)中的應(yīng)用，上海上儀股份公司為深海油氣資源開發(fā)提供必要的技術(shù)支持。