深水立管標準體系分析

譚 越，石 云，連 華，吳 煒

1.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028

2.中國海洋石油集團有限公司，北京 100007

深水立管是深海油氣田開發的必備設施，惡劣的深海服役工況和復雜的作業因素對構件的強度、塑性、韌性、疲勞性能、耐蝕性、抗壓潰性能以及幾何尺寸精度等提出更高要求。深水立管在墨西哥灣、北海和西非等油氣田資源豐富的海域廣泛應用。在過去的十幾年里，立管技術取得了工作水深從300 m 到2 500 m 的進步，水深的增加，使得立管的設計和制造更加復雜[1-3]。國外大型石油公司，如道達爾、殼牌等，一般都有符合其自身實際情況的立管管材性能指標、焊接及試驗標準及技術體系，相應的生產廠家也有較為完善的試驗、制造體系。

我國深水油氣開發起步較晚，至今還沒有鋼懸鏈線式、頂端張力式以及混合式立管應用業績，近些年也開展了許多研究，具備了一定的設計和管材制造能力，立管關鍵材料和部件（例如TTR連接器和應力節點等） 均依賴進口。對于柔性立管，國內主要應用于南海的浮式生產儲油系統（FPSO），目前也全部是進口產品。因此，自主創新研究并建立標準體系是推進深水立管國產化的必由之路。

1 立管簡介

海洋立管系統是指連接水面上浮式平臺和水下設施的傳送流體的導管，一般有高壓油氣或氣流通過，外部承受波浪、海流荷載的作用。從功能上分為鉆井立管和生產立管兩大類；從結構形式上又分為頂端張力式（TTR）、鋼懸鏈線式（SCR）、柔性式（Flexible Riser） 和混合式立管（Hybrid Riser） 等幾種類型[4]，如圖1 所示。立管形式直接關系到浮式平臺的選型，甚至會影響油氣田開發方案的確定[5]。

立管必須足以承受內壓以及安裝和作業過程中的其他荷載，如安裝工具產生的高度集中荷載。材料的選擇要考慮立管尺寸、制造方法、油氣生產速度、注入的化學藥劑等因素，必須保證在沖蝕和腐蝕條件下的使用壽命；在深水項目中還需面對高靜水壓力、管徑、重量等主要難點[6-8]。因此，立管的設計和制造有著嚴格的標準。

2 標準體系梳理

2.1 國際標準

在國際標準化組織（ISO） 中，立管標準主要由石油、石化和天然氣工業用材料、設備和海上結構技術委員會下的兩個分委會（SC2 管道傳輸系統分委會和SC4 鉆井和生產系統分委會） 負責編制和發布。

ISO 系列標準更多的是整體性、綱領性的要求，以及描述性的相關定義和簡單分類，沒有細化規范[9]，表1 列出與立管相關的ISO 國際標準[10]。

表1 立管相關國際標準

2.2 美國石油學會標準

石油工業的標準化起源于美國，因此由美國石油學會（API） 制定的很多標準在世界范圍內占據著主導地位。API 標準體系更新及時，基于墨西哥灣海上油氣田開發的工程經驗，發布了涉及立管的標準有10 余項，包括標準（Std）、推薦做法（RP）、規范（Spec）、技術報告（TR）等類型[11]，部分標準被國際標準化組織采用，見表2[12]。

API 油田設備和材料標準化委員會（CSOEM— Committee on standardization of oilfield equipment and materials） 沒有立管的分委會，相關標準涉及海上結構（SC2—Subcommittee on offshore structures）、水下生產系統（SC17—Subsea Production Systems）和鉆井控制設備 （SC16 — Drilling well control equipment） 三個分委會，彼此的側重各不相同。其中SC2 主要針對立管結構，SC16 著重鉆井立管系統，SC17 則為柔性管道以及完井和修井立管系統[13]。

2.3 國際船級社標準

船級社的主要業務是入級和檢驗，同時也是建立和維護海洋工程技術標準的重要機構，其標準體系由公約、法規、規則、規范、標準、指南等共同構成[14]。世界上大多數著名船級社都參加了國際船級社協會（IACS），IACS 以促進海上安全標準的提高為目標，并與國際標準化組織（ISO） 有著緊密聯系。

表2 美國石油學會的立管標準

2.3.1 挪威船級社相關標準

挪威船級社（DNV GL） 的標準系列是建立在長期積累的經驗和研究工作上，代表了挪威乃至歐洲在北海油氣田開發過程中設計和施工的技術成果。在與德國勞氏船級社（GL） 合并后，整合了DNV、GL 和Noble Denton 的深厚專業知識，進一步奠定了全球領先地位。DNV GL 與立管相關的標準主要分為以下幾類[15]：

（1） 入級規范（RU—Rules for classification）

（2） 入級指南（CG—Class guidelines）

（3） 服務規范（SE—Offshore Service Specifications）

（4） 海工標準（OS—Offshore Standards）

（5） 推薦做法（RP—RecommendedPractices）

（6） 標準 （ST — Standard）

基于上述的標準體系，涵蓋了立管本體和關鍵部件，如立管絞車在OS-E301 中，立管補償和張緊系統在OS-E201 中，詳見表3。

表3 挪威船級社的立管標準

2.3.2 美國船級社相關標準

美國船級社（ABS） 與立管相關的標準具有較高的集成度[16]，包括各種不同的立管形式，覆蓋從設計、分析、制造、安裝、監測、檢測、維護、維修、退役的全生命周期。2017 年針對立管推出或更新了三部標準，其中的“Subsea Hybrid Riser Systems”是第一部混合式立管標準，反映了海洋工程界的最新技術成果，見表4。

表4 美國船級社的立管標準

2.4 國家標準

我國標準中與立管相關的標準數量較少，基本上是等同采用國際標準，見表5。最早的一部國家標準GB/T 20661—2006 目前國內仍在使用，而所采標的 ISO 10420:1994 已廢止，并于2007 年被ISO 13628-11:2007 代替。

表5 立管國家標準

2.5 行業標準

我國立管相關行業標準主要由石油工業標準化技術委員會海洋石油工程專業標準化技術委員會（TC355/SC17） 組織發布[17]，與國家標準類似，行業標準數量少，也是采取等同采用國外先進標準的方式，見表6。

表6 立管行業標準

從表6 可知，行標SY/T 7059—2016 等同采用的RP 2RD:2006 Design of risers for floating production systems （FPSs） and tension-legplatforms（TLPs），其最新版本為 STD 2RD：2013 Dynamic risers for floating production systems，名稱已更改且在API 標準體系中已由推薦做法（RP） 變更為標準（STD）。

3 結論

立管是高附加值的海洋工程產品，長期由國外少數制造商供貨，存在采購成本高、供貨周期長、售后服務不及時等問題，在一定程度上制約了深水油氣田的開發。立管是海洋工程中最重要也是最薄弱的環節之一[18]，自主標準體系的建設是實現深水立管國產化的必經之路。本文以深水立管的相關標準為重點進行梳理，針對國際標準、國外先進標準、國內已有標準的現狀，結合我國南海流花油田群、陵水氣田等設計和應用深水立管的經驗，提出標準體系建設的建議：

（1） 與立管相關的國家和行業標準數量較少，內容基本上是等同采用國際或國外先進標準，與所采標標準相比，發布晚，更新慢。

（2） 南海海洋環境條件惡劣，尤其是存在臺風和內孤立波（簡稱內波）[19]。內波是我國南海海域的一種奇特自然現象，直接影響我國南海深水油氣田開發工程模式和平臺選型[20]，但從上述國外各個標準中對立管的相關規定內容可以看出，都未考慮內波的影響[21]。

（3） 國內目前相關標準僅針對立管的設計，而對于立管的制造、檢驗、監測、維修以及配套的關鍵部件等均沒有涉及，今后標準制修訂工作，要與“國產化”緊密結合，以標準來推動國產化，擺脫被國外長期壟斷的現狀。

（4） 建議以國外標準作為借鑒和參考，主要技術指標均按照國際先進水平確定，根據我國海域的環境條件以及國內制造廠商的能力等因素，獨立編制立管相關標準。

（5） 深水立管的管材國產化是一個系統工程，需要從標準制訂、疲勞等試驗能力的建立、管材制造檢驗能力等進行全方位的研究，建議標準的編制采取設計、制造和檢驗單位聯合制訂的形式，以制造單位為編制主體。

（6） 能源行業海洋深水石油工程標準化技術委員會（NEA/TC28） 是在國家能源局的領導下，負責在海洋深水工程和裝備等領域標準的制修訂工作，建議今后新的深水立管標準全部納入其標準體系，同時推動國內船級社對產品認證的相關文件出臺。