深水立式清管球發射和接收裝置的研制與應用

石磊，蘇鋒，張飛，陳卓，孫雪梅

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

隨著我國油氣資源的開發逐步走向深水和邊際油氣田，水下生產系統已得到了廣泛應用，水下生產系統將是今后海洋油氣開發生產的關鍵[1]。水下清管球發射和接收裝置(pig launcher and receiver,PLR)是水下生產系統預調試和定期清管過程中不可或缺的關鍵設備，其關鍵技術掌握在國外公司手中。通過自主攻關，研制出一種適用于深水的立式PLR，已成功應用于我國南海某深水氣田開發項目，應用水深達到了800 m。

1 PLR的結構型式及設計要求

深水PLR按照結構型式通常可以分成3種：①立式PLR，又叫“I”型PLR，其特點是結構型式簡單，是深水PLR的首選，但清管球數量多時，其結構太長，運輸和安裝困難，且存在清管球在重力的作用下自動移動的問題；②水平PLR，其筒體上有一個90°的彎管，又叫“L”型PLR，其特點是可以比較方便地穿過連接器的安裝工具，但存在彎矩大、對中困難的問題；③立式結構，其筒體上有2個90°彎管，又叫“U”型PLR，其結構型式最為復雜，存在卡球的風險，適用于清管球數量比較多的工況。

PLR作為水下生產系統預調試過程中使用的臨時設備，內部介質通常為處理過的海水和乙二醇(MEG)，通常應滿足下列設計要求：①應具備可以發射和接收清管球的功能，并適用于注水、清管、測徑、水壓測試、除水和管道干燥等工況；②由于是臨時設備，其設計壽命可考慮為3年，其中水下使用1年；③適用于深水水下作業的要求，支持水下的無潛操作，確保ROV的可操作性；④筒體外部需要涂漆，并使用ROV在水下易于觀察和識別的顏色，內部不需要涂漆，整個結構上可以不設置犧牲陽極；⑤應設置保護框架，確保水下快速接頭、水下閥門、注水/排水管道得到充分保護；⑥保護框架上應設計適當的吊點，提供安全的、水平的提升，滿足在運輸船上和水下操作期間吊裝的需要。

2 立式PLR的基本組成和設計要點

水下立式PLR通常由筒體、注水/排水管線和保護框架3部分組成，PLR三維模型見圖1。

圖1 立式PLR三維模型

2.1 筒體

筒體是水下PLR的主體部分，用來發射或接收清管球。筒體尾部安裝有端蓋法蘭，為了便于拆卸，通常采用水下卡蘭，用來裝入和取出清管球。筒體的內徑通常應該與PLET、水下管匯的主管一致。筒體的長度取決于發射或接收清管球的長度和數量。

2.2 保護框架

保護框架由結構管道焊接而成，應能承受運輸和安裝過程中的意外載荷，結構管道可以作為ROV的抓手，方便ROV在水下對閥門、擋球器等設備的操作。保護框架設計時應考慮PLR安裝和回收過程中，水下連接器對安裝工具的要求。如果連接器的對接需要使用安裝工具，就需要加長與筒體連接的注水/排水管道，使保護結構處于連接器安裝工具的外部。在設計過程中需要對PLR和水下連接器的安裝工具進行干涉檢查。見圖2。

圖2 PLR與水下連接器安裝工具

2.3 水下快速接頭插座

PLR注水/排水管道端部連接有水下快速接頭的插座，快速接頭連接在清管試壓支持船舶的軟管上。準備清管作業前，由ROV將快速接頭插到PLR上的接頭插座上，實現壓力源與注水/排水管道的連接。水下快速接頭的尺寸應與注水/排水管道的尺寸一致，需要通過工藝計算，綜合考慮清管球移動的距離和速度等因素來確定。

2.4 水下擋球器

立式PLR存在預裝清管球因為自重而掉落的風險，因此，在靠近水下連接器的一段設置有水下擋球器，擋球器內部有能夠伸縮的擋條，可以插入到筒體內部。水下擋球器可由ROV操作，在清管球發射前，將擋條從筒體內部縮回去，從而使清管球可以通過筒體進入到需要清理的海底管道。

2.5 水下卡蘭

水下卡蘭由對接接頭、盲板、卡箍、密封圈、螺栓和螺母組成。其只需要4根螺栓緊固，與普通法蘭相比，可以大幅減少法蘭拆卸和緊固的時間。每片盲板上開有2個1/2 in的螺紋孔，陸地測試時用來注水和排氣。

為了保證清管球能夠按照設計的順序依次發射出去，需要確保清管球在筒體中處于設計的位置，不能發生移動。第一個球的位置通過水下擋球器來控制，最后一個球的位置也需要控制，此時需要在水下卡蘭上焊接一根檔桿，見圖3。確保每個球都處于設計位置，并正常地發射或接收。

圖3 PLR筒體尾部檔桿設計示意

2.6 水下連接器

水下連接器用來將PLR與PLET或水下管匯等水下生產設施連接，其分為立式連接器和水平連接器。立式PLR上使用的是立式連接器，深水立式連接器主要有卡爪式和卡箍式兩種結構型式。如果水下PLR上使用的是卡爪式水下連接器，則在設計過程中還需要考慮連接器安裝工具的影響。如果PLR上使用的是卡箍式水下連接器，則保護框架的設計可以不受連接器安裝工具的影響。

2.7 水下球閥

通過對閥門的操作和控制來實現PLR按設計順序發射或接收清管球的功能。為了節約工程費用，水下PLR上使用的水下球閥可采用水下臨時閥門，均勻布置在注水/排水管道上。為了方便ROV的操作，通常將閥門的操作設計為搖桿形式，以節省采辦費用。對于4.5 in和6.0 in的小管徑PLR，由于管道內徑尺寸小，為了防止卡球，通常選擇的清管球的長度也較短。但此時可能存在水下閥門的寬度比單個清管球尺寸大的問題，為了保證其結構型式完整，避免閥門間干涉，采取交錯布置方式，見圖4。

圖4 水下閥門的交錯布置示意

2.8 標識

水下PLR上應設置標識，以方便ROV操作。標識應按照GB/T 21412.8[2]的要求，用字母高度標出清晰的標記名稱，采用黑色文字。

2.9 運輸底橇

為了便于PLR的在船上的運輸和在海底的存放，通常還需要給PLR設計一個底橇。

3 PLR的材料要求

PLR筒體和注入/排水管道的材料可分別采用API 5L PSL2 X65 SMLS和ASTM A106 Gr B。如果海底管道或者與PLR對接的PLET或水下管匯等設備上使用的是CRA材料，為了防止鐵銹對CRA材料的污染，則建議PLR筒體也采用CRA材料。

水下卡蘭本體材質為ASTM A694 F65，密封圈和的材質為AISI 4130。螺栓螺母的材質為ASTM A320-L7/A194-Gr.7，表面有PTFE涂層。螺栓螺母考慮100%的余量，密封圈考慮200%的余量。水下閥門的主密封材質為PEEK，閥體的材質為ASTM A29 4130，球體和閥桿材質為ASTM A705 17-4 PH，不需要堆焊和碳化物涂層。

水下PLR保護框架應按照AWS D1.1中適用材料規范和等級的要求進行測試。結構鋼材料的測試至少應包括：①化學成分分析；②根據ASTM A370[3]在室溫下進行的屈服強度和極限抗拉強度的拉伸試驗。對所有在水下PLR中使用的材料應建立材料可追溯性程序。

4 PLR的制造、焊接和檢驗要求

PLR筒體和注水/排水管道的制造應符合ASME B31.8[4]的相關要求，焊接和無損檢測應符合ASME第IX卷[5]或API 1104[6]的相關要求。保護框架的制造、焊接和檢驗應滿足AWS D1.1/1.1M[7]的相關要求。保護框架無損檢測的范圍如下：角焊縫和部分焊透焊縫應進行100%磁粉和目視焊縫；全熔透焊縫應進行100%的磁粉和目視檢驗，所有承載的全焊透焊縫應進行100%的超聲波檢測。經業主批準，超聲波檢測可由射線檢驗代替。吊點應根據DNVGL-ST-N001[8]、DNV2.7-1[9]或DNV2.7-3[10](視情況而定)進行非破壞性負載測試。

5 PLR的測試要求

水下PLR制造和檢驗完成之后，應進行工廠接收測試(FAT)和擴展工廠接收測試(EFAT)，在進行任何測試之前，所有的測試程序應得到業主的批準。

5.1 工廠接收測試

5.1.1 外觀檢查

外觀檢查的主要內容有：①PLR管道的內部和外部焊縫；②PLR外觀是否有明顯的劃痕、擦傷、變形或破損等；③測量PLR尺寸是否與設計文件一致，尺寸偏差是否滿足要求；④PLR相關標識、涂漆等是否符合設計文件要求。

5.1.2 定位檢查及尺寸測量

定位檢查和尺寸測量的主要內容有：①檢查管匯內相關設備(閥門、擋球器等)的位置是否符合設計文件要求，如方位、朝向等；②測量PLR內相關設備的定位尺寸是否滿足設計文件的要求，定位誤差是否在設計文件許可范圍內；③測量PLR內相關設備的水平度、高度等是否滿足設計文件的要求；④測量PLR保護框架等結構相關尺寸是否滿足設計文件要求。

5.1.3 干涉檢查

干涉檢查的主要內容有：①所有零部件是否存在干涉，尤其是運動零部件，如水下閥門的搖臂、水下擋球器的伸縮等；②干涉檢查包括但不限于以下內容：保護框架、管道、水下閥門、水下擋球器、水下卡蘭、卸扣、索具等。

5.1.4 沖洗

沖洗試驗應使用淡水，沖洗應該用高壓水壓試驗泵進行，直到清洗干凈為止。當流體從管道中流出后，應進行檢查，以確定PLR中的碎片數量。

5.1.5 測徑

應制作1個測量板，由2個10 mm厚的鋁板組成。板材的最小內徑應為最小內管道直徑的96%，每個板材上都有1個45°的倒角，且面朝同一方向。2個極板之間應該用1根長度至少為1.5倍公稱內徑的剛性桿隔開。測徑測試應保證讓測徑板順利通過PLR筒體，而測徑板不受到損壞。

5.1.6 水壓測試

PLR筒體和注水/排水的水壓試驗應按照ASME B31.8進行，試驗壓力為管道設計壓力的1.25倍。驗收標準：①在試驗期間，充分考慮溫度變化的影響后，壓力變化不得超過試驗壓力的±1%；②試驗持續時間應在試驗壓力達到并穩定后開始，保持時間至少2 h，設備和壓力監測應與壓力源隔離，如有需要，外部表面應徹底干燥；③試驗過程中不得有明顯的泄漏。對于單個部件，如水下閥門、水下快速接頭和水下連接器等，應在供應商工廠進行FAT測試，測試壓力應為該設備設計壓力的1.5倍或更高。

5.1.7 通球測試

PLR應進行通球，以確保所有清管球均能順利發射和接收，包括以下試驗：①清管球的正常裝入和取出；②注水/排水管線上水下球閥的操作與清管球的發射和接收相配合。典型的測試步驟和要求：①準備好PLR，并在PLR筒體中預裝最多可以發射的清管球；②將注水泵與PLR連接；③打開和關閉PLR注水/排水管線上的特定閥門；④然后按照預調試程序操作閥門，將所有清管球逐個發射出去；⑤取出所有的清管球。

5.1.8 稱重和重心測試

PLR的稱重測試應在完全組裝、油漆和干燥的條件下進行，2次稱重的結果應在彼此1%的范圍內。稱重試驗完成后，應在PLR結構上標出重心的實際位置。最終重量為2次稱重結果的平均值。理論和實際重心值之間的偏差不應超過任何方向上的吊點距離的2.5%，這種差異必須得到業主批準。

5.2 擴展工廠接收測試

5.2.1 ROV接近檢查

利用ROV或ROV模型模擬其操作路徑，是否滿足操作空間的需求。ROV應能夠閱讀筒體上的標識(即閥門編號、閥門開啟或關閉位置等)，所有操作的部位是否有合適的ROV手柄。是否有足夠的空間來操作所有必需的部件(如閥門、水下擋球器、水下快速接頭插座等)。

5.2.2 ROV操作測試

利用ROV或ROV模型模擬PLR在水下所有可能完成的相關操作。如閥門的開關操作，快速接頭的插拔，水下連接器及其安裝工具的操作等相關動作。

5.2.3 水下連接器測試

水下連接器的測試應包括：①HUB和連接器之間的界面測試；②連接器和安裝工具之間的界面測試；③ROV對連接器安裝工具的可操作性；④水下連接器和試壓封頭之間的泄漏測試。

5.2.4 電連續性測試

如果PLR的腐蝕控制設置了陰極保護系統，則應檢查所有機械連接部件之間的電連續性，且接收電阻應小于或等于0.1 Ω。

5.2.5 底橇的配合測試

PLR與運輸底橇的接口試驗，確保底橇的尺寸和鎖緊機構適合PLR。