水下管匯工廠驗收測試(FAT)關鍵技術研究

陳 欣，肖德明，趙瑞云，趙曉磊，單曉亮

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 引 言

隨著水下油氣田的研發不斷向深水領域拓展，水下生產系統以其高效、低成本的優勢成為深水油田和氣田的熱門開發方式。深水水下管匯與水下生產系統總體布局中的其他水下設備相連接，完成水下產物集輸分配，在所有水下生產系統中發揮著非常重要的作用。水下管匯在國外已經比較完備，并完成過多次建設工程的運行檢查。而我國由于深水油氣田開發設計發展得相對較晚，對于復雜管匯的設計尚處于開發環節，但在施工、測試和裝配技術方面已經具備了一定的經驗。

水下管匯工廠項目驗收測試(FAT)是在水下管匯組裝完成后完成的一項相對全面的試驗工作，驗證管匯作用的一致性和實際運行的穩定性。FAT測試可以確保水下管匯滿足設計方案要求，保證機械設備的可靠運行。

1 我國水下管匯系統生產及應用現狀

長期以來，我國水下生產系統的核心機械設備嚴重依賴進口，其中核心關鍵設施被多家海外公司壟斷，價格相對昂貴，交貨期長，尤其售后維修服務無法得到充分保障，在一定程度上制約了水下生產系統的發展。在我國深水油氣田的開發設計方面，海外公司對重點設備長期進行的技術保密，極大地影響了我國的天然氣資源開采和供應。

目前，我國在水下生產管匯設備的設計和裝配方面仍面臨著巨大的技術挑戰。作為水下生產系統中的主要設備，我國已在陵水氣田、流花油氣田、陸豐油氣田、惠州油氣田、荔灣氣田、崖城氣田等南海新水體開發設計項目中成功使用水下管匯設備，通過上述項目與海外公司合作，在設計方案及組裝方面積累了一定的經驗。2019年10月22日文昌氣田項目中，國產簡易型水下管匯順利通過測試投入使用。但是，當時我國對于一些新建油氣田項目中需要使用的復雜水下管匯的制造還缺乏相關的工作經驗。隨著我國深水油田的開發設計不斷推進，特別是邊界油田的開發設計需求日益增多，迫切需要降低水下生產系統的成本，因此急需解決水中復雜管道設備產業化的技術改進。

現階段，我國在文昌氣田水下管匯簡易系統基礎上，通過科研課題技術攻關，研制了適用于1 500 m水位的復雜下水管匯的國產化工程設備。此外，陵水氣田項目作為中國海油獨立勘探開發的重點項目，是中國第一個自主運營的1 500 m超深水氣田開發項目。2021年6月25日交付的水下中心管匯是陵水氣田項目水下生產系統的重要組成部分，如圖1所示。與陸上生產系統相比，水下生產系統集成度更高，專業性更強，技術難度更大。經過艱難的技術攻關，該管匯的制造和測試部分工作于國內完成，表明我國已在深水油氣田水下生產系統關鍵技術自主創新和核心設備自主研制方面取得了一系列成就，為深水油氣田開發模式提供了裝備技術保障，為水下油氣生產系統發展鋪墊了可持續發展之路。

圖1 用于1500 m水深的水下管匯

本文的主要研究目的是對國內廠家開發的水下管匯檢測技術進行科學研究，并對水下及海洋工況現場實踐活動的進行深入分析，以幫助掌握水下管匯檢測內容和水下管匯的相關方法。

2 水下管匯系統測試的簡要分類

在出廠前，水下管匯必須分別進行工廠驗收測試(FAT)、擴展工廠驗收測試(EFAT)和系統集成測試(SIT)。水下管匯的出廠驗收試驗(FAT)也稱為工廠試驗，是指在發貨前驗證是否已完成水下管匯的建造和裝配，并驗證管匯的各個部件是否滿足相應的檢測功能要求，以及管匯系統的制造是否符合設計方案的要求。水下管匯擴展工廠驗收測試(EFAT)是指對管匯在進行FAT測試后再進行電氣類測試。系統集成測試(SIT)對連接管匯與外部結構的部件(如連接器)進行組裝和操作測試。同時，根據對外連接工作，可以在ROV運行界面和ROV專用工具工作界面進行相應的認證。FAT階段是管匯檢驗的基礎。只有進行了檢驗并達到標準后，才能確保進行水下生產系統的驗收檢驗。

3 水下管匯測試的主要流程及內容

工廠驗收測試(FAT)主要包括結構測試和管線測試。管線分為主管線和小管線。主管線指工藝管線，又稱生產管線，如圖2所示。小管線指控制和化學藥劑管線，例如，連接SCM的油泵管路、MEG注入管線，如圖3所示。管線類測試流程為：小管線沖洗、水壓測試；主管線沖洗、通球試驗、水壓測試；閥門測試。

圖2 水下管匯主管線

圖3 水下管匯小管線

3.1 結構測試

檢查管匯各部件的裝配和整體結構一致性是否符合規定，為下次檢查管匯系統做好充分準備。此外，結構測試主要包括外觀檢查、尺寸檢查、防腐檢查，以及稱重測試。

外觀檢查包括：關鍵包括閘閥及管線周邊結構完工狀態；安裝管帽的管接頭承口處的墊片是否損壞或劃傷；外部控制面板上的所有標志(如閘閥名稱和開關標志、頭標等)和管匯水下標識；管道走向是否與圖紙一致，管道支撐點、扣件是否牢固；泄流孔檢查；密封面保護。

尺寸檢查包括：質量檢驗報告；管匯外觀尺寸；結構、管線、設備關鍵尺寸。

防腐檢查包括：陽極檢查和電連續性檢查。為了更好地保證管匯結構在水中的防腐要求，可以通過安裝陽極及連接電導線對管匯上的部件進行陰極保護。在測試中應核實陽極的數量及位置，還應進行電導率測試。各部件與結構之間應具有良好的電氣連接。電導檢測電阻的允許值不應大于0.1 Ω。對于不符合規格的元件，應選擇接地母線方式或其他電氣連接方式(如焊接、星形密封圈)，然后進行復測。

3.2 沖洗及通球測試

沖洗和通球測試的意義在于清除主管中的焊渣和污垢，檢查主管的過球特性和管徑。為保證檢驗前沖洗、過球全過程的順利進行，應做好以下工作：主管上的所有焊縫均已按無損檢測技術焊接完成；打開閘閥，拆下主管的溫度和壓力傳感器；安裝主管連接器的輪轂端；調整注水等測試和檢查工作。

3.2.1 清管器

使用直板管徑清管器進行主管管清管和測徑。測試前解決清管器每塊直板之間90°間隔精確測量2個標準值的問題，確保清管器直徑滿足公差要求(一般過盈量超過最小內徑的3%)。應在清管器的后端安裝通徑規，通徑規直徑應為管道最小標稱內徑(包括包層公差)的97%。

清管器應設計為雙向運行，但在試驗中只能在一個方向上進行，以驗證管道內徑，并檢查是否存在妨礙正常清管操作的障礙物。從管匯大口徑管線中取出清管器后，應檢查其物理損壞情況。

3.2.2 測試流程

沖洗及通球測試主要步驟如下：

(1)先使用壓縮空氣對工藝管道系統的分支管道吹掃，將焊渣及雜質吹至主管道，以便集中清理。使用壓縮空氣進行掃吹時，空氣沖擊壓力不得超過系統設計壓力。

(2)進行沖洗。小管線的清洗應在45 min后取樣一次(正向30 min，反向15 min)檢查清潔度驗收標準。從系統中經取樣點應排出至少0.5 L的液體，沖洗流量應大于4001雷諾數，系統溫度符合要求。最終沖洗時，應取3個連續樣品進行檢驗。對于液壓管路，應使用液壓油作為沖洗液，檢查清潔度達到SAE AS4059 6級(B-F)。對于非液壓管線，應使用90% MEG+10%水作為沖洗液。檢查清潔度達到SAE AS4059 8級(B-F)。

(3)進行清管器試驗。具體步驟：所有閥門應處于全開位置；為保證清管器路徑暢通，必須進行內窺鏡檢查管道內無異物；裝入清管器；檢查清管器上的儀表板。清管器回路測試應單獨進行。

3.3 水壓測試

試壓的關鍵是在水中檢查管道系統的管道系統部件的焊接位置是否有泄漏，驗證管道系統的密封性和耐壓性，溫度和壓力傳感器的性能以及管匯閥門和連接器在水中的密封特性。一般而言，壓力測試中選擇淡水作為實驗物質。

3.3.1 測試要求及標準

根據管線內不同介質，選擇相應標準規范。當介質為氣體時，依據ASME B31.8標準規范，工藝管道水壓試驗壓力應為1.25倍設計壓力。當介質為液體時，依據ASME B31.3標準規范，工藝管道水壓試驗壓力應為1.5倍設計壓力。測試保壓時間為2 h。當滿足下述指標時，壓力試驗合格：

(1)系統無泄漏、滲漏或永久變形等現象，穩壓期間，試驗壓力的波動范圍在±5%以內；

(2)保壓2 h期間，系統壓力不小于試驗壓力，試驗可接受壓力波動在±1%范圍內；

(3)連接器和管道閥門閥體密封性能良好，且無泄漏現象發生。

3.3.2 測試主要步驟

水下管匯進行的水壓測試主要步驟如下：

(1)調整閥門打開狀態：一般在主管線試壓中，應將水下管匯上的球閥處于半開位置，閘閥處于全開位置，在小管線試壓中，將所有閥門保持在全開位置，使閘閥內充滿液體，有利于檢查判別。

(2)管道注水：使用注水泵將管路注滿水。當出氣口的水產生連續的水流時，管道內的氣體基本排出。

(3)連接試壓泵。

(4)增壓：將壓力從0 Bar緩慢增加至測試壓力，分25%、50%、75%的步驟，直至增加至測試壓力。在每個壓力階段，應給予足夠的時間以穩定壓力(大約10 min)，明確無泄漏后，再次增加工作壓力。在增加期間，工作壓力應以每分鐘 0.1 MPa 的速度增加，直到達到實驗工作壓力的 95%，最后 5% 的實驗壓力應以每分鐘小于 0.1 MPa 的速度增加。等待一段時間后進行壓力測試，確保系統軟件的環境溫度和工作壓力已經穩定。如果工作壓力出現異常升高，應終止充氣或試壓，必要時打開閘閥泄壓。

(5)壓力測試：工作壓力穩定后，試壓時間至少為2 h。

(6)泄壓：打開壓力泵隔離閥，并分50%和30%的測試壓力值將壓力緩慢排放至環境壓力(每個階段約3 min)。當壓力下降時，應控制降壓的速度。一般應以每分鐘不超過0.1 MPa的速度泄壓。

3.4 閥門測試

閥門測試主要包括差壓測試和功能測試。

3.4.1 閥門差壓測試

在水壓試驗中，如果在規定的15 min保壓期間閥門兩側未發生可見泄漏，則進行閥門差壓試驗。在試驗期間，應滿足要求：應在環境壓力下進行閥門操作；壓力應為系統設計壓力的1.0倍；試驗過程中的壓降不得超過試驗區域溫度變化引起的每小時3%；試壓過程無可見泄漏或滲出。

測試步驟為：

(1)將高壓軟管正確地連接至測試蓋。

(2)用測試介質填充管路。

(3)將壓力從0 Bar緩慢增加至測試壓力，分25%、50%、75%的步驟，最后增加至測試壓力。在每個壓力階段，應給予足夠的時間以穩定壓力(大約10 min)。壓力穩定后，保持15 min。應確保在整個試驗過程中，壓力未降至試驗壓力值以下，且壓力降不超過每小時試驗壓力的3%。試驗15 min后，如果在所有管路上未觀察到可見泄漏，則打開壓力泵隔離閥，并分階段將壓力緩慢排放至試驗壓力值的50%和30%。

差壓試驗必須考慮保持期間的壓力變化，例如溫度變化，在壓力保持恒定之前，應考慮進行必要的修正，以達到最大壓力。相關量的計算公式如下：

式中：s為壁厚；r為內部管道半徑(與s的單位相同)；V為管線的內部體積；ΔV為計算體積(與V的單位相同)ΔP為試驗期間的壓降；ν為壁厚的泊松比；E為管壁材料的楊氏模量(與ΔP的單位相同)；β為試驗介質的熱膨脹系數；α為管道材料的熱膨脹系數；ΔT為試驗期間試驗介質的溫度變化；A=1/K，K為試驗介質的體積模量(與ΔP的單位相同)

3.4.2 閥門功能測試

壓力測試和閥門差壓測試成功后，還應進行閥門功能測試。測試步驟為：

(1)開始功能測試前，確保所有閥門處于關閉位置。

(2)功能測試期間，閘門/閥球上的壓差應為零。

(3)當向操作裝置施加液壓時，不得進行操作。

(4)使用ROV扭矩工具操作閥門打開/關閉。

(5)記錄操作閥門所需的實際壓力。

4 結束語

水下管匯FAT測試的關鍵包括結構檢查、沖洗及通球測試、水壓測試、閥門測試等。本文通過對國產復雜水下管匯工程項目樣機的檢測分析和實踐，掌握了水下管匯的具體檢測內容、測試標準和測試程序，展示了水下管匯的運行和檢驗工作經驗，為我國深水新項目水下商品國內生產制造實踐活動提供優良新技術，有利于推動國產水下復雜管匯在我國深水油田開發設計中的應用。