水下管匯設計驗證衡準及關鍵技術

中國船級社 萬 波 楊清峽 王 泓 海洋石油工程股份有限公司 琚選擇 中國石油大學 李育房

海洋石油工程特別是深水作業平臺是一個龐大的系統工程。除從外觀上能看到的巨大的外殼、復雜的甲板機械設備外，還有一個重要的組成部分就是水下生產系統。其專業性強、技術含量高、可靠性要求高，是深水開發方案中非常重要的系統，也是一個充滿挑戰的領域。

水下管匯是一種由金屬制造的大型設備，主要由管道和閥門組成，其技術十分復雜。深水管匯可以將不同井口產出的油氣輸送到一條單獨的管線中，也可對不同的井口進行注水、注氣和注化學藥劑等工作。

目前，ISO13628-15標準是專門針對水下連接系統的標準，一般來說，ISO13628-1以及其等效標準API17A和GB/T21412.1中對水下設備的一般要求都要考慮，尤其是安裝、實驗與拆除部分；同時管路的設計還應參照ASME B31.3、ASME B31.8標準；焊接采用AWS D1.1/D1.1M標準；電氣及電 纜 參 照IEC60885、IEC60811、IEC60794等標準。

從主性能、主功能的實現及安全的角度，結合水下安裝、測試、維護的特點，水下管匯設計驗證的關鍵要點歸納為以下幾點：

（1）水下管匯的整體性能和功能驗證；

（2）保證水下管匯的強度和密封性的設計、材料及防腐要求，以保證水下管匯的基本性能要求；

（3）水下管匯的安裝工具的功能要求，包括ROV 操作介面（interface）的要求；

（4）制造過程中關鍵點的質量控制。

水下管匯設計驗證標準

水下管匯是水下生產系統的重要組成部分。除水下管匯外，水下生產系統還主要包括：水下采油樹、跨接管、臍帶纜、水下終端、控制系統、海底管線以及管線終端。水下生產系統如圖1所示。依據ISO13628-15水下管匯的定義如下：由管匯連接器，分支管和閥門組成的系統，用于水下油氣的集輸，可對不同的井口進行注水、注氣和注化學藥劑等工作。典型的水下管匯如圖2所示。

圖1 水下生產系統Fig.1 Subsea production systems

圖2 水下管匯Fig.2 Subsea Manifold

水下生產系統設計驗證相關標準較為全面的是API6A、API 17系 列 標 準、ISO13628系 列 標準和NORSK標準，國內采用了ISO13628系列標準而制定了GB/T 21412系列國家標準。這些標準可分為兩部分，一部分是水下生產系統總體要求標準，如API17A、ISO13628-1和GB/T21412.1標準；另一部分是水下生產系統各個部分的標準。

水下管匯是水下生產系統中的一部分，是與其他設備共同完成采油、注入等生產任務的。所以，水下管匯設計驗證，可參考的標準除了管匯的專業標準ISO13628-15外，還應結合水下生產系統中的其他標準，如ROV操作介面要求，水下接頭等相關標準。可參考的標準主要如表1所示。

表1 水下管匯設計驗證參考標準Table 1 Reference standard for design veri fi cation of subsea manifold

性能驗證實驗（PVT）

性能驗證實驗一般應驗證水下管匯在額定的壓力、溫度和材料級別相適應的試驗流體中的條件下，其性能符合設計及其適用規范、標準的要求，包括承載能力、操作力或操作扭矩的驗證 。

ISO13628-15標準中沒有給出水下管匯的性能驗證實驗程序，其性能驗證實驗可參照API 6A附 錄F、ISO13628-4 5.1.7、ISO10423附錄F[12]及等效的國標GB/T21412.4 5.1.7[13]、GB/T 22513-2008附錄E[14]。通過對比分析，并結合水下管匯的特點總結出水下管匯性能驗證試驗（PVT）主要包括管匯本體在室溫下的靜水壓力試驗、室溫下的氣壓試驗、閥的性能鑒定試驗、操作性能試驗等。

1. 靜水壓實驗和氣壓實驗

接受準則:

1） 室溫下的靜水壓試驗：

室溫下的靜水壓試驗，在規定的試驗保壓期間無可見泄漏，應予驗收。保壓期間壓力測量裝置上觀測到的壓力變化，應小于試驗壓力的5%或3.45MPa（500psi），擇其小者。

2） 室溫下的氣壓試驗：

在性能鑒定試驗前，應滿足所有生產試驗要求。室溫下的氣壓試驗，若無可見連續氣泡，應予驗收。若觀測到泄漏，則在大氣壓下觀測得到的泄漏量，在規定的保壓期間應小于表API 6A附錄F.1的規定。

試驗壓力:

參考ISO10423標準，對于水下管匯，本體靜水壓力試驗壓力最低應為額定工作壓力的1.5倍；氣壓試驗的試驗壓力應等于設備的額定工作壓力。

2. 靜水壓力循環試驗

接受準則:

1）通過前后兩次的標準靜水壓（或氣壓，如適用）試驗，來檢驗經過靜水壓循環之后的承壓完整性。

2）標準靜水壓（或氣壓，如適用）試驗：參考靜水壓試驗和氣壓試驗接受準則。

試驗壓力:

1）靜水壓循環壓力：額定工作壓力。

2）標準靜水壓（或氣壓，如適用）試驗壓力：參考靜水壓試驗和氣壓試驗。

循環次數:

對于靜水壓力循環試驗次數，ISO13628-15標準中沒有明確給出，可以參照ISO13628-4標準中水下井口和采油樹的最低測試要求，見下表2。

表2 水下井口和采油樹壓力循環試驗要求Table1 Test requirements of pressure cycling test for subsea wellhead and tree equipment

從表2可知，水下管匯壓力循環試驗的循環次數可定為200次。

3. 閥的性能鑒定試驗

閥的性能鑒定試驗包括：室溫下的開啟/關閉循環動態壓力試驗、室溫下的低壓閥座試驗、最高/最低溫度下的開啟/關閉循環動態氣壓試驗、最高/最低溫度下低壓閥座試驗、封存流體兼容性、操作力或扭矩、壓力/溫度循環。

工廠驗收實驗（FAT）

水下管匯的功能及性能試驗，一般原則是在陸上盡可能地模擬出水下所有工況過程，主要水下設備的試驗大綱應進行批準。設備的單個部件及組裝件，以及設備之間、設備與工具之間的接口配合，應符合規定的要求，并通過工廠驗收試驗（FAT）予以驗證。

水下管匯的測試內容主要包括功能測試、組件壓力測試、和ROV操作介面測試。

工廠接收試驗應根據ISO13628-15 6 Validation and verification of design進行。

工廠驗收試驗一般涵蓋以下項目：

（1）各個部件測試；

（2）可能時用真實的水下設備和工具進行組裝配合和功能測試；

（3）可能時用真實的水下設備和工具進行接口檢查；

（4）互換性測試；

（5）液壓試驗：

a）包括操作壓力下的閥密封測試；

b） 確認管線準則要求；

c）持續時間可根據設計準則，如果沒有規定，推薦1小時；

d） 包括密封試驗和端口封閉。

根據ISO13628-15以及相關水下生產系統標準，水下管匯FAT測試工藝程序如圖3所示。

系統完整性實驗（SIT）

1. 一般要求

圖3 水下管匯FAT測試工藝程序Fig.3 Subsea manifold FAT procedure

試驗的目的是為了在陸上模擬所有可能在海上進行的操作，并在一定的程度上驗證所有永久安裝于海底的相關的設備/系統。

系統完整性試驗應根據ISO13628-15 6 Validation and verification of design 6.2.3 System integration testing進行。

系統完整性試驗一般包括：

（1）部件和子系統完整性試驗和記錄；

（2）最終功能試驗和記錄，包括孔測試和泄漏試驗；

（3）最終的電控和液壓控制接口功能試驗和記錄；

（4）所有連接部件和模塊的方向和引導配合測試和記錄；

（5）模擬實際安裝、干預和產品模式操作，以確認和優化相關程序和規格書；

（6）在實際中可能遇到的特殊條件包括極端惡劣條件下操作，以發現系統、工具和程序中的任何不足；

（7）在相關實際條件下進行操作，關停操作，以提供諸如響應時間之類的系統數據；

（8）安裝、裝配試驗，以驗證設備可以按程序進行裝配（必要時在濕的條件下），并完成其功能；

（9） 用適合的流體和滑油裝填，按規格進行清潔、防護和包裝。

（10） 相關水下結構之間的連接試驗：

① 利用ROV操作工具，對水下連接器的連接、鎖緊及拆卸功能進行功能完整性測試；

② 測試密封圈更換功能、轂清潔功能。

（11） 修井控制系統對管匯/基盤的功能試驗；

（12） 控制箱的運行和復位；

（13） 臍帶纜（液壓/化學注入管線和電連接）的連接試驗；

（14） 管匯系統重裝后的公差檢查；

（15） 通球試驗。

2. ROV與安裝工具介入（Interface）試驗

ROV功能及可接近性試驗:

大型管匯的ROV操作閥門眾多，所以ROV介入測試非常重要。

要求所有ROV工具應在水下管匯的ROV介面上進行測試，ROV及其機械臂與安裝工具鄰近結構、管路無碰撞，并能實現其預定功能。

依據技術規格書的要求進行的系統完整性試驗，主要有（但不限于）：

（1）ROV與管匯ROV操作面板的接口試驗；同時測試閥門位置指示器能否正確指示；

（2） 管匯上收發器的下放試驗；

（3） 管匯的吊裝試驗；

（4） 下放/安裝工具接口試驗；

（5）支撐與保護結構的展開與收起。

ROV停靠及可接近性試驗:

（1）該測試可用與水下機器人一樣尺寸的模型進行模擬試驗，目的是為了檢查水下機器人能在水下順利固定在設備上；

（2）所有水下機器人固定梁的都應進行該試驗。

結論

1. 水下管匯作為水下生產系統重要組成部分，其整體性能和功能設計驗證是保證管匯性能和功能實現的必要過程，以使由于設計缺陷、制造過程質量控制缺陷、測試不到位等導致的設備質量不達標的風險降至最低。

2. 本文依據相關標準和工程經驗，從水下管匯設計驗證標準、PVT、FAT、SIT四個方面給出較為詳細、完整的設計驗證方法，為將來標準解釋和制訂完善適合國產化的標準提供了技術參考。

3. CCS可提供的服務：

（1）水下生產系統、控制系統的設計審查；

（2）產品的原型試驗鑒定；

（3）水下生產設備、控制設備、分離設備、增壓設備鑒證檢驗：

制造過程檢驗；工廠/出廠試驗（FAT）；延伸工廠試驗（EFAT）；系統完整性試驗（SIT）；場地接收試驗（SAT）；安裝與回收等。

4. 客戶獲益：

（1）水下生產系統包括控制系統與設備符合我國主管機關（國家安監生產監督總局）的相應要求；整個水下生產系統獲得CCS簽發的符合證書。

（2） 水下生產設備、控制設備、分離設備、增壓設備等產品獲得CCS簽發的“海上固定設施產品檢驗證書”。

（3）新產品的設計獲得CCS的認可。