水下管匯模塊化設計技術與仿真系統研究

郭鴻飛，顧繼俊*，柳依何，安維崢，馬 強，孟 堯

(1.中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249；2.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

0 引 言

中國水下生產系統[1]技術研究起步相對較晚，長期以來，水下生產系統關鍵設備多依賴進口，極大地限制了海洋油氣開發事業的發展[2]。水下管匯[3-6]主要用于匯集各水下井口開采的油氣，優化海底布局并減少水下輸送管和海洋立管的使用數量，作為水下生產系統中的關鍵設備，其設計技術面臨著極大挑戰。吳露等[7]通過對水下生產管匯的測試技術進行研究，結合適用于1 500米水深的國產化水下管匯工程樣機，分析水下管匯的主要測試內容、測試方法及測試步驟。孟獻等[8]研制了水下管匯垂直連接器樣機，并對樣機進行性能測試試驗，使設計要求得到充分驗證。孫雪梅[9]結合水下管匯的功能需求、結構組成、結構計算等，對水下管匯的結構設計進行了概述。孟憲武等[10]對水下管匯關鍵設備選型、管道布置原則和管道應力分析進行研究，總結出通用方法，使水下管匯管道布置工作流程化。石磊等[11]對500米水深級水下管匯的關鍵設計技術進行了研究和分析，并介紹了深水水下管匯的設計方法和內容。

目前，模塊化設計技術在海洋工程領域已有較多應用，王國富等[12]針對海洋油氣平臺模塊化設計技術進行研究，基于總體建造方案將整個平臺拆分為多個獨立模塊，提升了建造效率并降低了工程成本。凌軒等[13]提出一種低成本、模塊化的水下機器人，并對機器人模塊化框架進行設計，基于模塊化技術可快速構建應用于不同場合的水下機器人。目前，水下管匯的設計模式仍以二維設計為主，由于水下管匯中管線及機電儀設備的數量和種類較多，使得水下管匯的設計任務十分繁重，且效率較低。引入全新的模塊化設計理念，可顯著提高設計效率并為水下管匯國產化研究提供技術支持。

針對水下管匯模塊化設計關鍵技術進行研究，該文采用Solidworks建立不同廠家、不同規格型號的水下管匯及單元設備三維模型數據庫及信息數據庫，基于Unity 3D開發水下管匯模塊化設計系統，實現了水下管匯設計過程的可視化、數字化與智能化。

1 水下管匯模塊化設計技術

1.1 模塊劃分

模塊化設計技術[14-16]是要把所設計的水下管匯中用以實現類似功能的單元進行歸并、整合，使其形成若干個按照結構、功能相對獨立的模塊[17-18]，最后將這些模塊進行有機結合。因此，模塊化設計的核心是模塊的劃分與組合。水下管匯的主要構件包括：管線與閥門組件、連接系統、控制系統、結構框架和防腐等[19]，因此將水下管匯各模塊進行劃分，如圖1所示。

圖1 水下管匯模塊劃分

1.2 水下管匯設計原則

水下管匯總體設計既要符合API 17P和ISO13628-15[20]等相關標準或規范的要求，也要滿足實際油氣田的總體要求。滿足工藝要求，確保管匯的重心布置合理，便于海上安裝；水下管匯的安裝、維護等水下作業基本依靠ROV(水下機器人)完成，所以應十分重視管匯上的部件，如閥門、連接器、控制系統、陽極塊等的布局、標記，便于ROV的水下檢查、安裝、連接、更換、維護[21]。

1.2.1 管線模塊

水下管匯除滿足開采的油氣功能外，還需滿足清管功能[22]。管線的布局決定了水下管匯的總體尺寸與重量，故管線布置時應盡量緊湊，管線系統的布置主要滿足以下原則：

(1)滿足流動安全保障要求；

(2)考慮水下連接器安裝工具尺寸與操作空間問題，滿足連接器的安裝需求；

(3)滿足水下閥門安裝與操作的需求，預留操作空間；

(4)滿足主管道清管需求，為方便清管作業，彎管半徑通常為5D(管道直徑)，若無清管要求，可采用3D彎頭(管道直徑)；

(5)滿足不同水下生產設施之間的不同角度的跨接需求；

(6)雙主管管匯的兩根主管之間最小距離為10D(管道直徑)，同時還需預留出支管的連接位置，閥門和傳感器的安裝空間。

1.2.2 閥門模塊

水下閥門[23]是水下管匯的關鍵部件，其可靠性是保證水下管匯安全運行的關鍵因素，水下閥門的選擇與安裝位置至關重要。水下閥門安裝在管線系統里，用于控制生產和注射流體。

水下閥門按照閥體種類可分為球閥與閘閥。按照驅動方式可分為ROV驅動、液壓驅動、ROV液壓雙驅動[24]三種類型。水下閥門的選擇與布置應滿足以下原則：

(1)水下管匯上的閥門應與采油樹上閥門的磅級保持一致；

(2)水下管匯主管一般有清管要求，球閥相對于閘閥更便于清管操作；

(3)水下管匯閥門，應首先考慮將閥門與管道焊接來減少泄露途徑；

(4)為方便閥門和支管的總體布置及ROV的操作，閥門的執行機構應朝上。

1.2.3 連接器模塊

水下連接器的主要功能是將水下管匯(PLEM)、水下管道終端(PLET)、水下采油樹等設施高效連接[25]。目前水下生產系統的主流連接形式主要為卡爪式與卡箍式兩種。按照連接方式的不同，水下連接器分為水平連接器與垂直連接器。水下連接器的選擇主要考慮以下因素：

(1)淺水范圍內水平連接與垂直連接均可采用，水深超過1 000米時，實際工程中更傾向于采用操作方便的垂直連接；

(2)對于流動保障要求較高的油田，采用水平連接比垂直連接可更有效地避免水合物的生成，有利于流動保障；

(3)水下連接器連接方式的確定，需要考慮油田后期對于水下生產設施維護和回收的可能性與頻度；

(4)在漁業活動頻繁地區，漁民拖網作業對水下生產設施的干擾性較大，故此區域的油氣田多采用水平連接方式，便于對水下設施安裝保護結構。

1.2.4 結構模塊

水下管匯結構框架是管匯的主體結構，主要功能是為管線、閥門、連接器、控制模塊等提供支撐和保護。管匯結構框架的設計需考慮在吊裝、下放和海底在位生產等一系列工況下的結構強度，同時需考慮設計是否能滿足管匯的安裝、操作和維修要求，在漁業活動頻繁的地區或船舶系泊區，還需注意防漁網拖掛和重物的墜落沖擊。

2 仿真系統設計與實現

2.1 系統框架

水下管匯模塊化設計仿真系統采用模塊化設計思想進行開發，系統框架如圖2所示，整個系統分為基礎層、功能層、交互層。

圖2 系統框架

(1)基礎層為模塊化設計仿真系統的數據庫與基礎開發環境。數據庫分為場景開發數據庫與設計信息數據庫，場景開發數據庫用于對仿真系統開發場景、算法程序的管理，設計信息數據庫包含水下管匯總體設計信息、管匯單元部件三維模型及三維模型的屬性信息。

(2)功能層包括管匯總體設計方案、單元部件模塊化設計、管匯總體裝配、場景可視化漫游四大模塊。管匯總體設計方案模塊的功能為針對目標油氣田輸入典型參數條件，基于水下管匯總體布置原則，系統進行算法決策，推薦水下管匯總體布置最優方案，為設計人員提供設計指導與建議。單元部件模塊化設計的功能為針對所劃分的水下管匯各模塊進行參數設計，與傳統二維設計所不同的是，該模塊根據所設計的參數條件，直接調用模型庫中對應的三維模型，模型庫包含不同廠家、不同尺寸、不同型號的三維模型，大大簡化了設計效率。管匯總體裝配模塊基于自動布局算法與自動避障算法實現管匯單元部件的快速裝配，并可實現三維模型的信息數據顯示，如對應的供貨商、尺寸、重量、價格等信息。

(3)交互層為通過虛擬現實技術實現設備場景可視化，呈現逼真的三維效果和虛擬環境的實時交互[26]。基于PC端可實現仿真系統的人機交互、水下管匯設計效果展示、設計參數的傳輸，通過HTC Vive設備與系統場景信息連接，實現水下管匯作業場景的多視角漫游，給設計人員以高度的沉浸感。

2.2 系統功能實現

水下管匯模塊化設計仿真系統設計流程如圖3所示。

圖3 設計流程

2.2.1 模型數據庫

水下管匯模塊化設計仿真系統存在大量模型，不同模塊或相同模塊需求不同的設備均需建立不同模型，以水下閥門為例，國外內不同廠商生產的閥門外觀、尺寸等信息不同，同一廠商生產的閥門也有眾多尺寸之分，因此需要建立大量的三維模型來支撐仿真系統的運行。三維模型的建立采用Solidworks完成，為實現模型對實物的高還原度，模型建立完成后采用3ds Max進行貼圖紋理處理。由于系統中模型庫較為龐大，為避免系統運行時造成電腦負荷過大，保證系統的流暢運行，需對建立的三維模型進行減面處理，消除面與面之間產生的大量冗余，以液飛線接口為例，原始模型與優化后模型結果如圖4所示，優化前模型的點數為420 417、面數為840 858，在Unity3D會占用大量電腦性能，在不影響模型外觀的原則下進行優化，優化后模型的點數與面數減小了98%。模型經3ds Max減面處理、格式轉換后以FBX格式導入Unity 3D開發三維模型數據庫，通過預制體(Prefab)的實例化技術，用戶點擊模型按鍵可生成相匹配的三維文件。

圖4 模型減面處理

2.2.2 壁厚計算

管線壁厚根據ASME B31.8與DNV兩種計算準則提供的壁厚計算公式來計算，ASEM的壁厚計算公式如下：

tm=t+c

(1)

(2)

其中，σ為管道材料的屈服強度，單位為MPa；F為容許環向應力設計系數，對于管道取0.72；P為設計內壓，單位為MPa；D為管道外徑，單位為mm；t為最小計算壁厚，單位為mm；c為腐蝕余量，一般取3～6，單位為mm，tm為實際壁厚，單位為mm。

對規范中的壁厚計算公式使用C#語言進行算法程序編寫，采用UGUI進行仿真系統人機交互界面的開發，可以手動選擇管道材料并輸入水深、設計壓力、管道外徑和腐蝕裕量，然后進行壁厚計算，同時對設計壓力提供MPa、bar、psi三種單位的輸入模式，對管道外徑提供in和mm的單位選擇，點擊計算即可顯示兩種計算準則的計算結果，系統將計算出的結果自動圓整至規范中與計算結果相近的管線尺寸。壁厚計算功能如圖5所示。

圖5 壁厚計算

2.2.3 模塊化設計及智能裝配

以某油田所使用的水下管匯為例，對水下管匯模塊化設計仿真系統進行測試實驗。10井槽單回路水下管匯，管匯整體尺寸為15.3 m×5.1 m×5.1 m，主管?54 mm，支管?152.4 mm，含有MEG管線，該管匯在整體布置時，在主管道軸線方向上，支管、支管連接器和主管連接器保持對稱布置，連接方式為水平連接，所有閥門的執行機構朝上，包含控制模塊。

水下管匯按照主管、支管、服務管線、機電儀設備、框架、蓋板、接頭的順序進行模塊化設計，其中主管設計頁面包含主管球閥與主管連接器的設計，支管設計頁面包含支管閘閥與支管連接器的設計。對于主管和支管、提供長度、外徑、間距、布局類型等設計選擇，對支管和主管進行長度和位置改變時，連接器、閥門等部件也會進行相應的變化，防止模型干涉和結構不合理。

閘閥、球閥、連接器等采取智能裝配，輸入設計參數后，系統讀取參數并調用三維模型，采用實例化技術生成模型體，依據輸入的典型油氣田條件，自動將模型裝配到基于三維最優布置方案進行決策的最優安裝位置。水下管匯的部件模型設置不同的裝配接口和標簽，只有可以進行裝配的兩個部件模型才會觸發裝配算法，部件會生成在裝配算法觸發范圍內的位置，此時模型會根據裝配算法對標簽進行識別，可裝配時算法會將部件裝配到管匯上，從而達到智能裝配的效果。

控制模塊屬于機電儀設備，對機電儀設備，在工程實際中主要考慮在管線內部空間進行放置，所以此部分采用拖動安裝，拖動機電儀的過程中會對路徑上的模型進行碰撞，模擬真實的安裝位置。在改變管線或者框架時，觸碰到的機電儀設備會進行自適應位置移動。

設計人員也可對已安裝完的部件進行自主布局，自主布局即設計人員可對已設計完成的水下管匯布局進行更改調整、對管匯中的設備部件從模型庫中選擇其他類型進行替換。為提高設計效率，軟件可進行視圖的快速切換，鼠標點擊模型，可對選中部件進行高亮顯示與設備信息顯示，顯示內容有管道尺寸、長度、設備位置信息、尺寸信息等。測試結果如圖6所示。

圖6 系統測試結果

2.2.4 數據分析及優化

完成管匯設計后，在數據分析界面對管線壁厚、管線長度、球閥、閘閥、多相流量計、水下連接器、水下控制模塊等設備元件的重量、價格信息(可以在面板上自主定義)進行數據調用，形成管匯的重量和價格分類統計圖。犧牲陽極、tubing管等部分在設計中忽略的部分，根據實際工程確定經驗系數，犧牲陽極塊一般取水下管匯整體重量的5%～10%，tubing管取3%。

在進行數據分析后(見圖7)可以選擇管匯優化，會對已經設計完成的管匯按照減小投資、體積和重量的方向，在該管匯能夠正常工作的情況下進行優化，通過總投資、總重量的數據對比來進行判定管匯優化程度，在頁面中將會顯示優化方法以及優化后的重量價格。根據工程經驗，設計軟件數據分析得出的總重量與實際管匯的重量的偏差在30%以內是較為合理的。

圖7 數據分析及優化

3 結束語

該文提出一種水下管匯模塊化設計理念，基于Unity 3D開發了水下管匯三維模型數據庫與水下管匯模塊化設計仿真系統，解決了以二維設計手段為主導致的設計效率低、設計結果無法動態顯示等問題，實現了水下管匯的模塊化設計、智能化裝配、數據分析及設計優化、設計可視化。針對水下管匯模塊化設計技術的研究，不但有助于推動國內水下生產系統的發展，而且對油氣產業的數字化轉型具有重要推動作用。在今后的研究中，將進一步完善水下管匯優化策略，增加管匯內部小管線的設計，進一步貼近工程實際。