深水管匯設計方法及其在荔灣3－1氣田中的應用

于芳芳，段夢蘭，郭 宏，王金龍，程光明，鄭利軍

（1.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.中海石油研究中心，北京100027；3.復旦大學力學與工程科學系，上海200433） ①

深水管匯設計方法及其在荔灣3－1氣田中的應用

于芳芳1，段夢蘭1，郭 宏2，王金龍3，程光明1，鄭利軍2

（1.中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2.中海石油研究中心，北京100027；3.復旦大學力學與工程科學系，上海200433）①

水下管匯是海上油氣開發的重要設備，深水中的管匯設計面臨許多技術挑戰。管匯處于深水中，環境條件比較復雜；內部承壓很大；需要實現的功能多；整體布局形式復雜。針對管匯的結構進行了優化，設計了一個應用于南海荔灣3－1深水氣田開發的6井槽水下管匯。完成了單井產氣的匯集，化學藥劑的分配及清管功能，還實現了相關的化學藥劑注入控制功能，滿足了荔灣3－1深水氣田開發的需要。

水下管匯；生產管線；設計；結構；應力分析

隨著海洋油氣田的開發不斷向深水延伸，水下生產系統已經成為深水開發中的重要開發模式。一般水下生產系統包括水下采油樹、水下管匯、跨接管、管道末端管匯（PLEM）／管道終端（PLET）等。水下管匯在整體布局中與其他水下設備連接，完成水下產物的集輸分配，能夠對整個水下生產系統進行優化布局［1］。水下管匯在整個水下系統中發揮著至關重要的作用，掌握深水管匯設計及計算方法的關鍵技術，對實現深水管匯技術國產化具有重要意義［2］。

1 水下管匯基本功能及關鍵技術

水下管匯是將不同井口產出的油氣輸送到一條單獨的管線中及完成對不同的井口進行注水、注氣、注化學藥劑等工作的重要的水下設備。圖1為一般情況下水下管匯與其他水下設備的整體布局。除了匯集單井油氣，水下管匯上所有閥門能利用水下機器人（ROV）進行操縱［3－5］。

深水管匯設計的主要挑戰是生產管線的設計與分析和化學藥劑注入管線的布局。生產管線熱載荷及其內外壓差聯合作用、水合物沉積及流動保障問題、清管等都給生產管線的設計與分析提出了更高的挑戰，為水下管匯設計難點；化學藥劑注入管線需要注入的藥劑種類很多，并且管匯結構框架內部布置了復雜的生產管線和多個各類閥門，如何在狹小空間內完成化學藥劑注入管線布置方案的設計為管匯設計的另一技術難點。

圖1 水下管匯與其它水下設備的整體布局

本文主要針對上述2點，對水下管匯的生產管線進行設計及計算分析，以及在設計出的生產管線的布局中，合理地布置了化學藥劑注入管線；為滿足管匯的基本設計要求，在尺寸上還進行了一定的優化；另外，所有的管線、閥門等設備都由結構框架支撐，因此對結構框架也進行了強度分析。

2 水下管匯設計

水下管匯的設計主要包括生產管線、化學藥劑注入管線和結構框架3部分。生產管線包括2條并行匯管、6條支管和1條清管回路彎管；化學藥劑注入管線包括乙二醇注入管線、甲醇注入管線、藥劑注入管線、放氣管線；結構框架簡單實用，能夠保護管匯中的管線、閥門等內部設備。生產管線和化學藥劑注入管線完成油氣和化學藥劑的匯集與分配，是管匯的中心部分。

2.1 生產管線設計方案

針對南海1 500m荔灣3－1氣田所需水下管匯功能要求，設計的管匯有6個井槽，包含了2條并行匯管和6條支管。2條并行匯管可以滿足高壓、低壓井隔離集輸，能完成清管作業，并且使生產管線具有一定的冗余度，在1條匯管故障時仍然可以繼續進行生產。水下固定方式為吸力錨固定。本文提出了4種生產管線設計方案，如圖2。

圖2 水下生產管線設計方案

4種設計方案優缺點對比如表1。根據水下管匯設計的基礎數據及技術要求，考慮在實際油田中其他水下設備采用的連接方式，方案四優點突出，并且在局部結構有進一步的優化。

表1 4種水下生產管線設計方案對比

在生產過程中雜質的沉積很容易導致生產管線的堵塞，加上直管管線無法進行清管操作，更容易造成管線堵塞，從而影響管匯的功能；在流體運動過程中，流體對管壁有很強的沖蝕作用，這樣會加速管線的疲勞，減少管線的使用壽命。為了解決上述問題，方案四將所有支管管線布置在匯管上方，匯管和支管的連接處采用斜向上的過渡支管（如圖3），避免了雜質和水合物的沉積，支管在匯管上方也符合相關標準的規定［6］；支管在連接到過渡支管時采用對稱布置，一定程度上減少了流體對管壁的沖蝕作用。

圖3 2種支管方案對比

2.2 化學藥劑注入管線設計方案

化學藥劑注入管線的功能主要是將乙二醇、甲醇、阻垢劑等藥劑分配到6個井口，其中乙二醇注入管線和甲醇注入管線同時連接到2根匯管，可以單獨或同時向匯管內注入乙二醇、甲醇，藥劑注入管線通過部分放空管線進入匯管。圖4為方案四的化學藥劑注入管線布置。

圖4 化學藥劑注入管線

化學藥劑注入管線是在生產管線布置好的基礎上，利用已有的空間對化學藥劑注入管線進行布置，由于剩下的空間有限，注入管線的種類比較多，接頭和彎管也相對較多，這樣在設計和建造上都有一定的難度。方案四在設計上充分利用管匯內部空間，各個管道分層敷設，減少了管道之間的交叉；多處采用傾斜的管道布置，減少了彎頭和焊接接口的數量。布置設計做到了精巧、緊湊、可行，同時降低了建造的難度，提高了水下生產管匯的可靠性。

生產管線和化學藥劑注入管線三維［7］設計如圖5。

圖5 水下化學藥劑注入管匯三維設計方案

方案四在管匯匯管尺寸上還進行了優化，按照文獻［5］規定，彎管半徑可取3D，從整體上減少管匯的尺寸和質量，有利于安裝。

3 水下管匯設計計算方法

水下管匯的重要承力部件是生產管線和結構框架，化學藥劑注入管線是在工藝設計中完成，本文中不進行相關計算，生產管線與結構框架需要進行4個方面的分析計算。

1） 檢查生產管線在測試、安裝、操作等不同載荷工況下的應力能否滿足相關標準的要求，這部分內容通過專業軟件進行分析。

2） 檢查設計中所選用的生產管系的管道壁厚是否滿足要求。

3） 對生產管線進行外部壓潰分析。

4） 確定生產管線支撐結構處的約束反力，提取出此反力，并施加到結構框架中，對結構框架在不同的工況條件下進行相應的分析計算。

3.1 生產管線

3.1.1 應力分析

為了驗證生產管線結構應力題在許可范圍內，對生產管線進行應力計算分析［8］。參考水下管匯管系計算先例［9－11］，建立相應工況下的計算模型［12－13］，如圖6。

圖6 生產管線應力分析計算模型

通過應力校核計算，3種工況下的最大圓周應力與容許圓周應力的比值分別為52%、0、28%；最大縱向應力和容許縱向應力的比值為24%、7%、78%；最大組合應力和容許組合應力的比值為41%、7%、82%。由此可知，生產管線的強度滿足海洋輸氣管道的應力強度要求。

3.1.2 壁厚校核

對2種不同尺寸的管線進行校核［6］。

式中，t為設計厚度，mm；p為設計壓力，MPa；D為管線外徑，mm；S為材料最低屈服強度，MPa；F為設計因子；E為縱向接頭因子；T為溫度降低因子。

選取適當參數根據上述公式進行計算校核，得出支管外徑?168.275mm、壁厚18.263mm和匯管外徑?323.85mm、壁厚25.4mm均能夠滿足水下輸氣管線的要求。

3.1.3 外部壓潰分析

按照管線設計要求，進行外部壓潰分析［13］。

抵抗外部壓力（pc）（壓潰）的特征抗力可按式（2）計算，即

其中，彈性壓潰壓力為

塑性壓潰壓力為

沿著管線任一點的外部應力應滿足系統壓潰校核公式，即

橢圓度為

在上述公式中，t需用t2替換。

根據該水下管匯上的管線所處環境工況，對管壁厚度和典型屈服強度取值。

1） 管壁厚度為

2） 典型屈服強度為

根據基礎數據及標準上的規定選取其他參數，用上述公式進行分析計算可得支管外徑?168.275 mm、壁厚18.263mm和匯管外徑?323.85mm、壁厚25.4mm，因此在1 500m水深處管線不會發生外壓壓潰，不產生屈曲。

3.2 結構框架計算分析

對水下管匯結構框架進行強度分析，確定其能否承受各種工況下的載荷作用［14－15］。對結構框架在各個工況下的強度進行計算校核，包括生產管線中計算的3種工況和管匯在拖航、對接時的工況，計算模型如圖7。不同工況下應采用不同的位移和力邊界條件。

圖7 結構框架計算分析模型

應用專業軟件得到計算結果為：壓力測試分析時的最大UC＝0.14；吊裝分析時的最大UC＝0.30；拖航分析時的最大UC＝0.42；對接分析時的最大UC＝0.30；海底在位分析時的最大UC＝0.66。結果表明，設計的水下管匯結構框架能夠滿足結構強度的要求［16］。

4 結語

本文對水下管匯的生產管線提出了4種設計方案，對最優方案的水下管匯生產管線進行了詳細設計及計算分析，對重要的控制管線——化學藥劑注入管線進行布置。設計了為管線提供支撐的結構框架，經過計算滿足整體設計要求。本文提出的這種設計方法可行，計算分析手段簡便精確。依據此方法設計的水下管匯滿足我國南海荔灣3－1氣田的要求，對于我國水下管匯的設計及管匯樣機的國產化、我國南海深水油氣田的開發都具有一定的參考價值。

［1］ 關小虎，張曉軍，薛小強，等.橇裝井口管匯裝置的優化設計［J］.石油礦場機械，2004，33（4）：41－43.

［2］ 顧永維，周美珍，王長濤.深水水下管匯主要結構設計及計算方法研究［J］.機械工程師，2011（2）：134－135.

［3］ Peter Kirkbride，P.G.Brown，R A Bloomer，et al.Lightweight Subsea Manifold Design［C］.OTC 7528，1994.

［4］ Picard D，Thebault J，Total E，et al.The Dalia Development Challenges and Achievements［C］.OTC 18538，2007.

［5］ Lafitte J L，Perrot M，Lesgent J，et al.Dalia Subsea Production System：Presentation and Challenges［C］.OTC 18541，2007.

［6］ ISO 13628－1.Petroleum and natural gas industries—Design and operation of subsea production systems［S］.2010.

［7］ 付玉坤，劉 炯，王 娟，等.高壓井控楔形節流閥三維流場模擬及閥芯失效分析［J］.石油礦場機械，2010，39（7）：5－8.

［8］ ASMEB31.8—2007.Gas Transmission and Distribution Piping Systems［S］.

［9］ Eric J，Parker，Chiara Maria Traverso，et al.Vulnerability of Subsea Structures to Geohazards—Some Risk Implications［C］.OTC 20090，2009.

［10］ Speirs A P，Reichard R H，Lyle C R，et al.Execution of EPC Submarine Pipeline Projects in the Cantarell Field［C］.OTC 10861，1999.

［11］ DNV RP D101.Structural Analysis of Piping Systems［S］.2008.

［12］ Roy Robinson，Kenny J P，Jerry Grass.Design Challenges of a 48－inch Pipeline Subsea Manifold［C］.OTC15275，2003.

［13］ Farrokhzad M A.Cost Reducing Factors in Effective Pipeline Piling Structure Design and Construction in Alberta’s Thermal SAGD Gathering Pipeline Systems［G］.SPE／PS／CHOA 117845，2008.

［14］ 張曉軍，桂榮惠，羅秋良，等.井口管匯橇塊整體吊裝方案設計［J］.石油礦場機械，2004，33（2）：53－55.

［15］ DNV OS F101.Submarine Pipeline System［S］.2008.

［16］ API RP 2A–WSD.Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing of Fixed Offshore Platform－Working Stress Design［S］.2002.

Design of Deepwater Manifold and Structure Design Study on Subsea Manifold for LW3－1Gasfield

YU Fang－fang1，DUAN Meng－lan1，GUO Hong2，WANG Jin－long3，CHENG Guang－ming1，ZHENG Li－jun2
（1.Offshore Oil ＆Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing102249，China；2.CNOOC Research Center，Beijing100027，China；3.Department of Mechanics and Engineering Science，Fudan University，Shanghai 200433，China）

Subsea manifold is important equipment for offshore oil and gas development.Design the manifold in the deepwater faces many technical challenges.Manifold in the deepwater，environmental conditions are very complex；the internal pressure is great；to achieve multi－function，the overall layout of the form is complex.The structure of manifold was optimized；a 6－well slot manifold was designed used in LW 3－1gas field in the South China Sea.The manifold complete collection of single well gas，Chemical distribution and cleaning tube function，also the related chemicals into the control function was achieved.It can meet the needs of the development of LW3－1gas field.

subsea manifold；production pipeline；design；structure；stress analysis

1001－3482（2012）01－0024－06

TE952

A

2011－07－11

大型油氣田及煤層氣開發－海洋深水油氣田開發工程技術項目“水下生產技術”課題（2008ZX05026－003）；國家

科技重大專項“海洋深水油氣田開發工程技術”資助子課題“水下管匯連接器樣機研制”（2011ZX05026－003－02）

于芳芳（1985－），女，河北唐山人，碩士研究生，主要從事海洋深水水下生產系統設計和分析計算研究，E－mail：yufangfangjiayou＠163.com。