應(yīng)用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)的臨時(shí)水下收發(fā)球筒設(shè)計(jì)

李 剛，王會(huì)峰，孟憲武，孫雪梅，王鳳云

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

水下收發(fā)球筒(PLR)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)預(yù)調(diào)試[1]、海管內(nèi)流體應(yīng)急置換等不可或缺的設(shè)備[2]，在深水油氣田開發(fā)[3]和淺水邊際油氣田開發(fā)中[4-5]均有應(yīng)用。隨著全球在深水油氣田開發(fā)領(lǐng)域的逐步深入，水下PLR已經(jīng)成為保證油氣田順利投產(chǎn)、安全服役的重要設(shè)備。

1 簡 介

水下PLR為臨時(shí)設(shè)備，其功能如下： 在海管預(yù)調(diào)試期間，分別作為收球筒和發(fā)球筒，實(shí)現(xiàn)海管的清洗、測(cè)徑、除水、惰化等操作。其原理是通過PLR支管的驅(qū)動(dòng)管線對(duì)球筒內(nèi)的清管球進(jìn)行打壓，從而按順序發(fā)射清管球。

自1985年第一臺(tái)水下清管器發(fā)射系統(tǒng)成功解決北海油田管道結(jié)蠟問題以來[6]，國外已經(jīng)成功應(yīng)用了多球式水下發(fā)球筒[7]，如1999年在英國北海投產(chǎn)的ETAP項(xiàng)目[8]，2001年在墨西哥灣投產(chǎn)的Serrano項(xiàng)目[9]等。目前，國外水下PLR的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成熟，產(chǎn)品類型眾多，因?yàn)榕c油氣田的安裝資源、水深以及生產(chǎn)的要求(預(yù)調(diào)試、生產(chǎn)過程中定期自動(dòng)清管)有關(guān)，所以不同的承包商對(duì)于不同的油氣田，其PLR有不同的設(shè)計(jì)風(fēng)格。除了本文提到的I型、L型、一字型、U型PLR以外，英國的FES公司還設(shè)計(jì)了全包裹式水下PLR(見圖1)。

圖1 全包裹式水下PLR

雖然在我國南海的PY35-2/35-1、 LW3-1等項(xiàng)目中，水下臨時(shí)PLR已經(jīng)成功應(yīng)用，但是PLR產(chǎn)品是由Technip、 Saipem等國外公司設(shè)計(jì)。目前我國水下PLR設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)起步，通過相關(guān)科研課題的研究，已經(jīng)掌握了水下PLR設(shè)計(jì)技術(shù)，海洋石油工程有限公司于2017年和2018年分別獲得了一個(gè)實(shí)用新型專利[10]和一個(gè)發(fā)明專利[11]，并且成功應(yīng)用在LH29-1、 LH16-2、 LS17-2等南海深水油氣田開發(fā)項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)了深水水下臨時(shí)PLR的獨(dú)立設(shè)計(jì)，打破了國外技術(shù)壟斷。圖2為中海油自主設(shè)計(jì)的PLR產(chǎn)品，已經(jīng)應(yīng)用于陵水17-2項(xiàng)目。

圖2 陵水17-2項(xiàng)目PLR

1.1 水下PLR種類介紹

水下PLR從功能上可分為發(fā)球筒、收球筒、收發(fā)球筒；從應(yīng)用范圍上可分為淺水PLR(潛水員輔助作業(yè))和深水PLR(ROV輔助作業(yè))；從結(jié)構(gòu)形式上可分為L型(見圖3)、 U型PLR、一字型PLR(見圖4)、 I型PLR。其中，一字型PLR一般應(yīng)用于淺水，其他三種形式可應(yīng)用于淺水和深水。

圖3 L型PLR

圖4 一字型PLR

1.2 典型水下臨時(shí)PLR結(jié)構(gòu)組成

水下臨時(shí)PLR主要由以下幾個(gè)部分組成(見圖3和圖4)[10-11]：

(1) 球筒： 用來裝填清管球。

(2) 驅(qū)動(dòng)管線： 連接在球筒上的支管，用來接收壓力源，為驅(qū)動(dòng)清管球提供動(dòng)力。

(3) 溫度/壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)： 海底管道進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，用來監(jiān)測(cè)其內(nèi)部的壓力和溫度。

(4) 保護(hù)結(jié)構(gòu)： 保護(hù)水下閥門和熱插拔接口(hot-stab)等重要設(shè)備，避免其在PLR運(yùn)輸和操作期間被撞壞。

(5) 連接系統(tǒng)： 用來連接PLR和海管終端設(shè)施的連接設(shè)備。深水PLR采用水下連接器，由水下機(jī)器人(ROV)操作；淺水PLR采用法蘭，由潛水員操作。

(6) 拖拉封頭： 僅存在于淺水PLR上。可以實(shí)現(xiàn)PLR與海管連接后一起鋪設(shè)，不需要水下單獨(dú)連接PLR。

1.3 PLR設(shè)計(jì)流程

PLR產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要考慮海上施工方的施工要求，設(shè)計(jì)成果需要得到業(yè)主和獨(dú)立第三方的確認(rèn)，才可以進(jìn)行建造和應(yīng)用，圖5為典型的水下PLR設(shè)計(jì)流程框圖。

圖5 典型的水下PLR設(shè)計(jì)流程框圖

2 主要研究內(nèi)容與結(jié)果

本文將針對(duì)典型PLR產(chǎn)品，進(jìn)行構(gòu)件的選型以及分析計(jì)算，使讀者掌握深水PLR設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并可以獨(dú)立完成PLR設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 PLR設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 球筒設(shè)計(jì)

球筒(見圖6)是收發(fā)清管球的載體，球筒長度主要由清管球的個(gè)數(shù)和長度確定，在滿足操作的前提下，球筒長度要盡量短，以減小作用在連接器上的彎矩；本案例沒有特殊要求，為降低卡球的風(fēng)險(xiǎn)，建議球筒彎管選用5倍D的曲率半徑彎管(D為球筒管道外徑)。

因?yàn)楸景咐齈LR應(yīng)用在水深339 m處，潛水員無法進(jìn)行水下作業(yè)，所以PLR與海管的連接設(shè)備不能選擇法蘭，本案例選擇水下無潛連接器。

球筒另一端的封堵設(shè)備建議選用卡蘭或者緊湊型法蘭，因?yàn)榕c標(biāo)準(zhǔn)ANSI 16.5的法蘭相比，前者重量輕，占用空間小，便于操作。

2.2 驅(qū)動(dòng)管線及構(gòu)件選型設(shè)計(jì)

海管兩端分別安裝一個(gè)PLR，一端發(fā)球，另一端收球。驅(qū)動(dòng)管線(kicker line)布置在球筒上方，結(jié)構(gòu)形式上是球筒的支路管線，其作用是通過控制閥門的開、關(guān)來導(dǎo)入和控制驅(qū)動(dòng)介質(zhì)(水或氣)，當(dāng)PLR作為發(fā)球筒時(shí)，將目標(biāo)清管球依次推出球筒。每一根驅(qū)動(dòng)管線上都設(shè)有一個(gè)水下閥門，相鄰兩根驅(qū)動(dòng)管線之間的距離必須是一個(gè)清管球的長度，原因是清管球在球筒內(nèi)為球頂球布置(見圖5)[12]，兩個(gè)球的端部都有橡膠做的鼻子，為驅(qū)動(dòng)管線流出的驅(qū)動(dòng)介質(zhì)提供了空間，從而讓驅(qū)動(dòng)管線排出的驅(qū)動(dòng)介質(zhì)正好作用于兩個(gè)清管球之間的鼻子上方，否則將存在發(fā)不出球的風(fēng)險(xiǎn)，所以本案例清管球的布置方式為球頂球布置。驅(qū)動(dòng)管線的根數(shù)由海管預(yù)調(diào)試流程決定，在一般情況下，比單次預(yù)裝的清管球個(gè)數(shù)多一根，目的是保證最后一個(gè)清管球能夠順利發(fā)出。因?yàn)楸景咐?guī)定清管球個(gè)數(shù)為5個(gè)，所以驅(qū)動(dòng)管線選擇6根，如圖6所示。

另外，驅(qū)動(dòng)管線上的閥門建議選用API 6DSS標(biāo)準(zhǔn)的水下球閥，相比于普通水上用的API 6D球閥，其泄漏風(fēng)險(xiǎn)小，性價(jià)比高。閥門操作手柄設(shè)計(jì)為可雙向操作的形式，所有閥門的閥體兩側(cè)必須噴涂閥門編號(hào)，以便ROV或潛水員在水下識(shí)別和操作。

驅(qū)動(dòng)管線主管的端部需要設(shè)置熱插拔接口(hot-stab)，如圖7～圖9所示，hot-stab為外接驅(qū)動(dòng)源的接口。在hot-stab選型時(shí)須注意，其產(chǎn)品分為單面操作型和雙面操作型。在用于深水PLR時(shí)，通常選擇單面hot-stab(見圖7)，但是用于淺水一字型PLR時(shí)，建議選擇雙面hot-stab(見圖8)，因?yàn)闇\水PLR會(huì)隨著海管倒向泥面，選擇雙面hot-stab(見圖9)，目的是無論P(yáng)LR倒向哪一側(cè)，潛水員或ROV都可以通過漏出來的一側(cè)hot-stab連接驅(qū)動(dòng)源。

圖8 雙面hot-stab

圖9 雙面hot-stab用于淺水PLR

2.3 止球器設(shè)計(jì)

由2.2節(jié)驅(qū)動(dòng)管線的技術(shù)要求可知，必須保證清管球隊(duì)列和所有驅(qū)動(dòng)管線支管的相對(duì)位置，才能確保把清管球順利排出。因?yàn)榍骞芮蛑g是球頂球布置，這就要求排在隊(duì)尾的第一個(gè)清管球的定位要準(zhǔn)確，這個(gè)功能由止球器(pig stopper)來實(shí)現(xiàn)。如圖10所示，止球器由一根圓鋼和頂部的擋板組成，根據(jù)隊(duì)尾的第一個(gè)清管球的位置計(jì)算出圓鋼的長度，圓鋼的直徑一般為球筒內(nèi)徑的1/3左右，止球器的擋板用于固定清管球的位置，其直徑稍大于圓鋼直徑即可，但一定能充分接觸清管球的端部組件。止球器另一端固定于卡蘭的盲端，與卡蘭之間可以焊接，也可以用螺栓固定。

圖10 止球器示意圖

海上施工前，將所有清管球預(yù)裝入PLR球筒內(nèi)，第一個(gè)清管球一定要頂?shù)讲荒芟蚯耙苿?dòng)為止，說明其與止球器已經(jīng)接觸，且定位到設(shè)計(jì)位置；同時(shí)，可以在頂入工具(如圓棒)上做好長度標(biāo)記，確保每一個(gè)清管球都定位到設(shè)計(jì)位置，如圖11所示。

圖11 預(yù)裝清管球

在設(shè)計(jì)球筒時(shí)須注意，止球器的長度不能太短，因?yàn)橹骨蚱髦車目臻g是用來存放清管球推出來的鐵屑和殘?jiān)鹊摹Ｈ绻骨蚱鬟^短，會(huì)造成空間不夠，導(dǎo)致殘?jiān)逊e到頂板以外，清管球無法精確定位，后續(xù)清管球無法正常進(jìn)入收球筒。

2.4 溫度/壓力監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

本案例要求PLR產(chǎn)品需具備水下壓力/溫度監(jiān)測(cè)功能，用來監(jiān)測(cè)海管水壓試驗(yàn)時(shí)整條海管內(nèi)介質(zhì)的溫度/壓力變化，所以在球筒上設(shè)置壓力/溫度監(jiān)測(cè)模塊，該模塊由水下球閥、管道及管件、hot-stab、溫度/壓力記錄儀(data logger)組成，其中，data logger與hot-stab公頭組裝在一起，由潛水員或ROV進(jìn)行插拔，如圖12所示。選用雙通道hot stab，目的是一用一備。

圖12 溫度/壓力監(jiān)測(cè)模塊

本案例選擇設(shè)置壓力/溫度監(jiān)測(cè)模塊，優(yōu)點(diǎn)是在海管試壓期間，會(huì)將溫度和壓力參數(shù)及曲線記錄在data logger上，允許施工船舶離開，去執(zhí)行其他海上施工任務(wù)，不必在原地一直等24小時(shí)。待試壓結(jié)束后，由潛水員或ROV在水下讀取數(shù)據(jù)，或者將data logger取到船上進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。

2.5 L型水下臨時(shí)PLR彎矩校核及應(yīng)力校核

本案例選擇L型PLR，其通過水下連接器與海管終端單元(PLET)連接，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)存在偏心的特點(diǎn)，所以整個(gè)PLR作用在連接器上的彎矩最大，作用于連接器上部彎管的應(yīng)力最大，必須對(duì)兩者進(jìn)行校核(見圖13)，確保連接器受到的彎矩小于廠家規(guī)定的許用彎矩，彎管所受應(yīng)力小于標(biāo)準(zhǔn)要求的許用應(yīng)力。

圖13 L型PLR彎矩和應(yīng)力校核示意圖

具體計(jì)算方法如下：

(1)

MPLR=WPLR·L·g

(2)

ID=OD-2·t

(3)

(4)

(5)

σ=0.72·SMYS

(6)

(7)

(8)

式中：OD是球筒管道外徑，為168.3 m；ID是球筒管道內(nèi)徑；t是球筒管道壁厚，為11 mm；WdryPLR是PLR在空氣中的重量；L是PLR重心到連接器管道軸心之間的距離，為2 236.35 mm；g是重力加速度；ρsteel是鐵的密度，為7 850 kg/m3；ρseawater是海水的密度，為1 033 kg/m3；SMYS是規(guī)定的最小屈服應(yīng)力，為450 MPa；Ca是連接器的許用彎矩，為326.379 m·kN；WPLR是PLR在海水中的重量；MPLR是PLR作用于連接器處的實(shí)際彎矩；I是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；σb是彎曲應(yīng)力；σ是許用應(yīng)力；UCCa是作用于連接器處的實(shí)際彎矩與連接器許用彎矩的比值;UCσ是作用于彎管處的彎曲應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值，經(jīng)過計(jì)算得出UCCa為0.162；UCσ為0.814，UCCa和UCσ都小于1，所以計(jì)算通過。

2.6 水下臨時(shí)PLR保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及吊裝分析

PLR結(jié)構(gòu)框架的主要作用是保護(hù)閥門及管線，避免閥門及管線在吊裝、運(yùn)輸?shù)冗^程中磕碰等狀況的發(fā)生，且為支管等設(shè)備提供支撐，吊點(diǎn)設(shè)置在結(jié)構(gòu)框架上。在滿足上述功能的前提下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)力求簡易、輕量化。

主要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范如表2所示。

表2 PLR結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主規(guī)范

PLR結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要保證結(jié)構(gòu)框架在陸地吊裝、海上運(yùn)輸及海上吊裝中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。本案例對(duì)PLR在海上吊裝的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及吊耳強(qiáng)度進(jìn)行了校核，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足要求。具體計(jì)算過程請(qǐng)參考相關(guān)文獻(xiàn)[13]。

2.7 運(yùn)輸框架設(shè)計(jì)

除了進(jìn)行PLR本體設(shè)計(jì)外，還要考慮PLR運(yùn)輸過程中的保護(hù)。PLR在運(yùn)輸時(shí)須做好固定，有兩個(gè)原因： ①避免PLR磕碰、損壞；②除了配備持球器(pig retainer)的PLR以外，其他PLR的球筒要水平布置，以免清管球錯(cuò)位，造成驅(qū)動(dòng)管線無法驅(qū)動(dòng)清管球。圖2中PLR下方為運(yùn)輸框架。

2.8 PLR產(chǎn)品應(yīng)用效果

本文技術(shù)成果已經(jīng)成功應(yīng)用于中國南海的陵水17-2項(xiàng)目，該項(xiàng)目共包括11個(gè)水下臨時(shí)PLR，均應(yīng)用本文的技術(shù)成果進(jìn)行設(shè)計(jì)，且PLR產(chǎn)品按照項(xiàng)目規(guī)格書進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果均滿足要求，表3是具體測(cè)試項(xiàng)及測(cè)試結(jié)果，圖14所示為PLR翻轉(zhuǎn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)；其中，10 in PLR和12 in PLR已經(jīng)在10 in和12 in海底管道鋪設(shè)后的清管、試壓過程中得到了成功應(yīng)用。圖15所示為10 in PLR實(shí)際用于10 in海底管道的清管和試壓工作。

上述示例證明，本文設(shè)計(jì)技術(shù)可靠，并且得到實(shí)際應(yīng)用和驗(yàn)證。

表3 陵水17-2項(xiàng)目PLR測(cè)試結(jié)果

圖14 陵水17-2項(xiàng)目PLR翻轉(zhuǎn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖15 陵水17-2項(xiàng)目PLR海上應(yīng)用

3 結(jié) 語

深水油氣田開發(fā)是當(dāng)前海上油氣勘探與開發(fā)的發(fā)展趨勢(shì)，隨著大型海上油氣藏的不斷發(fā)現(xiàn)和深海開發(fā)技術(shù)水平的不斷提高，全世界油氣田正由淺水轉(zhuǎn)向深水。臨時(shí)水下PLR是水下生產(chǎn)系統(tǒng)預(yù)調(diào)試，海管內(nèi)流體應(yīng)急置換等不可或缺的設(shè)備。但目前還沒有PLR相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)程或文獻(xiàn)提供設(shè)計(jì)人員參考，使得各個(gè)項(xiàng)目的PLR產(chǎn)品設(shè)計(jì)形式多樣，且不是最優(yōu)最簡設(shè)計(jì)，從而增加了項(xiàng)目成本。本文通過實(shí)例計(jì)算，詳細(xì)闡述了PLR的設(shè)計(jì)方案和計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果表明該P(yáng)LR產(chǎn)品滿足深水環(huán)境的使用要求，且形式最簡單，結(jié)構(gòu)最優(yōu)化。本文為設(shè)計(jì)人員提供了指導(dǎo)和參考，使讀者可以獨(dú)立完成深水PLR產(chǎn)品設(shè)計(jì)。