水下跨接管與管道終端測試技術研究

韓 峰，董 楠，段夢蘭，李婷婷，何 同

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

水下跨接管與管道終端測試技術研究

韓 峰1，董 楠1，段夢蘭1，李婷婷1，何 同2

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

水下生產系統的安全可靠性與可操作性是深水油氣田開發工程的關鍵。基于水下生產設備測試的工程實例，重點研究了水下跨接管、管道終端等主要水下設備的工廠驗收測試、系統集成測試的內容和標準要求，總結了相關的測試步驟，探討了我國建設水下裝備測試基地的必要性與可行性。為“十二五”珠海水下裝備測試基地的建設提出了建議，對我國水下裝備測試技術的深入研究具有參考價值。

跨接管；管道終端；工廠驗收測試；系統集成測試

海洋石油開發的高風險、高投資決定了深水油氣田安全、平穩運行的重要性。水下生產系統在深水油氣田中廣泛應用，設計合理的水下設備是減少海上施工時間及設備高效運行的前提。試驗測試是檢驗設計是否合理的重要依據，同時也是培訓相關專業操作人員的重要平臺［1］。

目前，海上油氣田的水下生產、應急維修［2］等設備在安裝前都進行了專業的理論分析與實際測試［3］，主要包括功能驗證測試（Performance Verification Test，PVT）、工廠驗收測試（Factory Acceptance Testing，FAT）、擴展工廠驗收測試（Extended Factory Acceptance Testing，EFAT）、系統集成測試（System Integration Testing，SIT）、淺水測試（Shallow Water Testing，SWT）等，并形成了規范化的測試流程、系統化的測試內容以及專業化的測試基地。

我國的深水鉆井工程剛剛起步，目前已經取得了一定的成績［4－6］，但還沒有完全掌握深水裝備的設計與試驗測試技術。因此，研究國外的相關技術，對形成我國具有自主知識產權的深水水下裝備測試技術、組建我國專業的水下測試基地、培養自己的深水工程專業人員、指導我國南海深水油氣資源的開發具有深遠的意義。

基于上述分析，本文以水下生產設備中最為廣泛應用的跨接管、管道終端為例，介紹了FAT、SIT的測試內容與特點、測試檢驗目的、測試參考標準，探討了我國建造水下測試基地的可行性與必要性，并提出了測試基地建設的建議。

1 工廠驗收測試（FAT）

工廠驗收測試是在水下設備加工制造完成之后立即開展的一系列試驗測試。FAT的主要作用是核實制造商是否按照要求進行設備的制造，并達到預期功能。水下生產系統有可能在試運行、開始階段或者正式運行階段產生問題而導致失效，因此所有的水下設施都需要進行FAT測試。

根據對跨接管、管道終端等水下設備FAT測試內容的歸納，將FAT測試分為通用FAT測試與專用FAT測試2類。

1.1 通用FAT測試

通用FAT測試技術即所有的水下設備在工廠驗收測試時都需要考慮的測試內容，水下設備通用的測試內容與各自的測試目的及特點如表1所示。表1中每項FAT的實際測試內容涵蓋很多方面，例如對于水下設備中應用較多的閥門，巴西石油公司標準中規定其性能測試順序為［7］：

1） 基于油脂的閥門及閥門驅動器的初始密封測試。

2） 常壓下的功能測試（壓力測試與扭矩測試）。

3） 油脂從閥門上移除。

4） 常壓下的周期循環測試，包括靜水壓循環測試、密封測試、空氣中的功能測試、扭矩循環測試等內容。

5） 溫度測試。

6） 初始高壓功能測試（非強制性）。

7） 完整的扭矩測試（常壓與高壓下）。

8） 高壓下的周期循環測試。

9） 外壓密封測試。

10） 完整的高壓功能＼性能測試。

11） 拆卸檢查。

12） 測試報告與標準審核。

13） 對比PVT與FAT。

1.2 專用FAT測試

專用FAT測試更加具有針對性，例如跨接管、管道終端設備間結構的差異性決定了二者均有其專有的FAT測試內容、特點以及不同的側重點。在本文第1.1節測試內容的基礎上，PLET更關注于其特有的安裝方式；跨接管更關注于其連接器與測量工具的性能。

1.2.1 PLET的安裝模擬

根據管道鋪設方向的不同，PLET的安裝分為首端安裝與末端安裝2種類型。2種安裝方式都需要PLET同管線一起下放安裝，并且在下放過程中需要調整其形態，以保證安裝的順利進行以及設備的安全著陸，因此PLET的FAT進行安裝模擬驗證是十分必要的（例如設備的豎立、YOKE臂的旋轉等）。試驗測試目的是驗證設計安裝方法的可行性與可靠性，如圖1所示為在墨西哥灣應用的鉸接式PLET吊裝旋轉FAT測試［8］。

圖1 PLET吊裝旋轉測試

1.2.2 跨接管的性能檢測

跨接管的結構較為簡單，通常是在2個端部安裝有連接器接頭并帶有一定形狀的管段。其連接器與PLET、PLEM、管匯、采油樹等設備上的轂座相連。在FAT階段［9］，除了需測試表1中的內容之外，對于跨接管，重點需要測試連接器和測量工具的性能。

1） 連接器性能測試 連接器的測試一般是由連接器制造商來完成，并且需要專門的試驗測試臺，通常包括連接性能測試、鎖緊／解鎖測試、外載荷測試、內壓測試、彎曲測試、扭轉測試、疲勞測試等測試內容。連接器外載荷測試［10］如圖2所示。

2） 測量工具測試 跨接管在設計時容許測量和制造誤差，但在實際安裝前，精確的測量跨接管所連接的轂座相對位置極其重要［11］。測量工具的FAT一般由測量工具制造商來完成，而對于業主和安裝承包商，在陸上進行重復的測試也是必要的。

1.3 FAT測試標準與規范要求

FAT的測試是基于設備的設計標準開展的，表2列出了部分參考規范對PLET在結構設計與制造時的要求。

表2 PLET設計制造參考的標準

1.4 FAT測試關鍵技術

FAT的關鍵技術包括測試內容的制定、測試方法的選擇、測試步驟的制定、檢驗測試合格的指標等。

1） FAT包括機械、結構強度、密封、控制系統等子功能的測試，制定的測試內容與目的應根據具體的實際工程制定，并與所測設備的設計標準、設計的預期功能相一致。

2） 測試方法的選擇需要綜合考慮現有測試設備、參考規范的要求等方面內容。

3） 測試步驟應遵循循序漸進的原則，如上文中提到的巴西石油公司的閥門FAT測試順序為從常規常壓測試到最后的高壓測試。

4） 檢驗測試合格的標準是對設備的作業工況進行詳細模擬，充分考慮各種可能失效工況，經過甲乙雙方同意并可能在第三方參與下，充分考慮設備功能、現有規范要求的基礎上制定的。

本文只對跨接管、管道終端的FAT進行介紹，管匯［12］、采油樹［13］等大型水下設備的FAT還需要考慮更為全面的管路、設備安裝等測試內容。總之，制定水下設備FAT測試內容的原則是：驗證設備是否達到設計標準，并對每種設備的作業工況進行模擬，防止設備在實際作業時發生故障。

2 系統集成測試（SIT）

當所有的測試設備均通過FAT之后，開始進行SIT測試，應盡可能真實模擬整個水下系統的安裝過程和操作性能。

EFAT是獨立于FAT與SIT的一項測試內容，例如清管壓力測試等。為了表述SIT內容上的完整性，本文把SWT、EFAT歸結為SIT的一部分。

2.1 陸地SIT測試

陸地SIT測試主要驗證系統各個設備的安裝配合、ROV操作時與設備間的干涉檢查［14］、系統壓力測試等。其特點是考慮到大型水下設備的不便運輸，通常在需測試的大型水下設備的加工基地進行，利用陸地開闊的地面、吊機、測試檢測設備及其他測試所需設備來完成。

系統SIT測試時的跨接管安裝測試［15－16］如圖3所示，其主要目的有：驗證跨接管連接器與設備上的轂座的性能、建立跨接管極限安裝工況（海床傾斜或有角度誤差）、檢測清管設備的尺寸、預見并防止任何實際安裝出現的問題、檢查所有設備的柔性［17］等。

在安裝測試之后還將進行系統靜水壓測試、密封測試、電液控制系統測試［18］、ROV可操作性等系列化的測試。測試時海上安裝承包商、安裝作業人員、操作人員通常都會參觀或參加SIT現場測試的過程，這對于熟悉設備操作、減少實際操作失誤具有重要意義。

圖3 SIT測試現場

2.2 淺水測試

SWT的主要目的是驗證設備的安裝與回收、電液控制系統測試、水下工作性能、系統的氣密性檢查、保溫性能驗證、防腐能力測試、長時間水下可靠性能測試、ROV水下操作等。其特點是在實驗室內模擬水下環境，測試系統的可靠性，較陸地SIT技術更為真實地反映整個水下生產系統的安裝、在位工況下的各項性能。圖4為剛果Moho Bilondo深水油氣田水下設備在挪威進行淺水測試的照片［19］。

目前，全球各大石油公司、相關高校對此都十分感興趣，但淺水測試場地的搭建是一項龐大的技術工程，十分具有挑戰性。全球目前只有部分高校、石油公司具有功能強大的水池、淺水測試基地用于科學研究與實際工程的測試［20］。

圖4 淺水測試

2.3 SIT測試標準與規范要求

SIT測試標準的制定應與設備參照的設計標準要求相一致。表3列出了部分SIT測試可以參照的規范。

表3 部分SIT測試參照規范

2.4 SIT測試關鍵技術

SIT測試技術較FAT測試技術更為系統化，是在試驗測試場地進行水下生產系統作業工況的真實模擬［21］，意義重大。不僅能夠直觀地檢驗水下作業、水下應急等工況下系統的性能，更是培養水下操作專業人員，進行新設備的全面系統測試的重要方式。

SIT的關鍵技術與FAT的關鍵技術類似，其中較為重要的方面包括測試系統的組建、測試內容與流程的制定、測試結果的評估、檢驗測試合格的指標等。

1） SIT測試系統的組建是實現陸地模擬實際系統工況的基礎。組建應遵循盡量反映實際的原則，重要的驗證部分應盡量采用實際作業的設備與部件，輔助構件實現功能即可。

2） 測試內容與測試流程是綜合檢驗系統功能的手段。測試內容與流程的制定需綜合考慮系統的設計功能、參考的設計規范、實際作業時可能出現的失效形式、甲乙雙方的協議等。

3） 測試結果的評估是檢驗系統功能的標尺。對測試結果的正確評估建立在完善的試驗測試監測檢測系統之上，其結果直接反映系統的可靠性能。例如，當系統在密封與壓力測試時，對泄漏量的影響評價直接決定了系統的可靠度。

4） 檢驗測試合格的指標是驗證系統可靠性的憑證。其制定的指標與測試內容與流程、對測試結果的評估緊密聯系，同樣需要綜合考慮多方面的因素。

3 測試基地建設

3.1 必要性與可行性

我國的深水工程技術起步較晚，國內還沒有完全掌握深水設備的制造測試技術，目前只有少數單位擁有水池、高壓艙等大型試驗測試設備，還沒有形成系統化的加工測試基地。隨著我國深水技術的發展，水下設備的制造測試技術國產化是必然的［22］，綜合測試基地的建造迫在眉睫。

以中海油為代表的大型石油公司及相關科研院所、高校正在積極發展我國的深水海洋石油事業。海洋石油201、海洋石油981等大型深水工程船舶的建造完成，以及南海荔灣3－1深水氣田的開發標志著我國的深水工程領域正在蓬勃發展，我國的深水石油裝備制造、測試技術定會突飛猛進。因此，我國建造珠海水下測試基地是必要的，也是可行的。

3.2 對測試基地建設的建議

1） 為了便于測試，測試基地內至少包含加工制造中心、陸地測試中心及淺水測試中心等幾大功能核心區。

2） 測試基地內應配備有大型吊機、液壓站、加壓設備、高壓艙、拉力和扭矩測試儀器等。

3） 在測試的基礎上制定一套水下裝備制造測試的標準。

4） 若條件允許，淺水測試場應可以模擬海洋環境，以便開展更為精確的模型試驗研究。

4 結論

FAT、SIT是2種最具有代表性的測試技術，目前只有少數跨國石油公司形成了自己的專業測試內容與測試規范。我國相關技術剛剛起步，對測試技術的研究迫在眉睫。本文總結了跨接管、管道終端等水下生產設備在FAT、SIT階段的測試內容、意義及關鍵技術，給出了水下設備測試的一般步驟。對珠海測試基地建設的必要性與可行性進行了分析，為測試基地的建造提出了相關的建議，對于發展我國的試驗測試技術、培養專業的深水工程隊伍具有一定的指導意義。

致謝：本文得到了中海油研究總院、海洋石油工程股份有限公司相關領導專家的指導和中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心的全力支持，在這里一并表示感謝。

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Testing Technology of Subsea Jumper and PLET

HAN Feng1，DONG Nan1，DUAN Meng－lan1，LI Ting－ting1，HE Tong2
（1.Offshore Oil／Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing102249，China；2.Dept.of Mechanics and Engineering Science，Fudan University，Shanghai 200433，China）

The safe reliability and operability of subsea structures is critical for deep－water oil and gas field development.Based on the investigation of a great many engineering projects of testing of subsea structures，the activities and criterion requirements of typical Factory Acceptance Testing and system integration testing for PLET，jumper are highlighted，the related testing procedure is summarized.Then，the necessity and feasibility for China to construct subsea structure testing base is discussed，and suggestion for the construction of Zhuhai subsea structure testing base is advanced，which is of certain value for China to further study the subsea structure testing technology.

jumper；PLET；FAT；SIT

1001－3482（2012）07－0001－06

TE952

A

2012－01－20

國家科技重大專項“深水水下生產設施制造、測試裝備及技術”（2011ZX05027－004）

韓 峰（1984－），男，山東東營人，博士研究生，主要從事海洋石油裝備設計理論與方法研究。