基于玻璃纖維增強塑料水下結構物的防護設計

李 想 高 爽 石錦坤 李義全 張云鵬

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000；2.中海油深圳海洋工程技術服務有限公司，廣東 深圳 518000；3.北京玻鋼院復合材料有限公司，北京 102101）

中國南海油氣開發逐漸走向深水領域，與傳統的導管架平臺開發的昂貴成本相比，水下生產系統不僅開發成本低而且受海洋環境影響極小，因此被廣泛運用于深水油氣開發。隨著近海漁業迅速發展，漁業捕撈活動給水下油氣設施安全運行埋下了極大的風險隱患，例如漁船拖網設備對水下油氣生產設施產生了拖掛、纏繞、傾覆現象以及來往船只造成的落錨沖擊情況等，這都將嚴重影響油田正常生產。目前，國內通常采用鋼制格柵保護罩的形式，抗沖擊韌性一般，不僅質量大，且應對深水的惡劣海洋環境耐性較差，需要采取較好的防腐措施。在過去的二十年里，以玻璃纖維為代表的復合材料由于其具有嚴格的力學性能、較小的自重、良好的耐鹽水腐蝕性和隔熱性能，被歐洲海洋工程公司逐步應用于海洋石油開發領域。而國內起步較晚，工程經驗較少，相應的設計手段和設計規范較為缺乏[1]，長期依賴于產品進口。

以南海某油田的海底管線終端（PLET）為保護對象，基于DET NORSKE VERITAS（DNV）標準NORSOK-U-001和ISO 13628-1規定的水下油氣設施的防護設計指標，并結合結構物海上安裝要求，完成了首套國產玻璃纖維復合材料PLET防護罩的研發工作。該文介紹了其設計規則，為國產復合材料防護結構在海洋石油工程領域的設計及應用積累相應的工程經驗。

1 南海水下油氣設施現狀

1.1 南海水下油氣設施損傷現狀

隨著漁業捕撈裝置的進步和捕撈范圍擴大，水下油氣生產設施受到漁業活動的影響也越來越嚴重。根據前期對水下油氣生產設施的檢查結果可知，目前，水下180m～300m油氣生產設施受漁業損壞事件頻發，可發現有多處管纜、采油樹出現漁網纏繞、拖掛以及漁錨拖掛現象，嚴重影響油田的正常投產運行，造成極大的經濟損失。從目前所掌握的資料來看，損傷集中發生在未采用保護措施的水下油氣生產設施上，而已經采取保護的水下結構物暫未發現異常。如圖1所示，由于漁船拋錨拖掛，在水深300m的水下采油樹上出現了大面積的漁網覆蓋和纏繞現象，在水深200m處的海底臍帶纜出現了打扭和損傷的情況，因此，對南海油氣田水下生產系統結構物影響最大的仍然是漁業活動。在規范ISO 13628—15中也明確指出，水深750m以內的水下油氣生產設施應該考慮捕撈發展所帶來的不確定性影響，提前采取保護措施，因此，在南海范圍內的油氣田水下生產系統的保護需求也要重新評估和確認。

圖1 南海漁業活動對水下油氣設施的影響

1.2 漁業活動的影響

從文獻[2-3]中可以分析漁業捕撈活動對水下油氣生產設施的影響：在漁業捕撈過程中，隨著船只和漁具不斷向大型化發展，其拋錨的深度及觸底的深度也不斷增加（見表1），對水下油氣設施的沖擊事件不斷增加，嚴重威脅油氣設施的安全運行。

表1 各作業方式漁具及漁船錨觸底的深度

近海漁業的捕撈作業方式有拖網、張網和釣具等。由于單拖網其捕撈深度為300m～400m，作業形式靈活，因此具有較好的效益，在漁業活動中得到更廣泛地運用。在拖網作業過程中，網具上的拖板會在船舶運動下產生張力，使漁網完全展開，并在重力作用下下沉至海底觸泥，在拖動過程中極容易對水下油氣設施的運行造成威脅，其作業形式如圖2所示。

圖2 拖網捕撈作業形式

2 玻璃纖維復合材料防護結構設計

2.1 水下生產設施防護的通用要求

目前，國際一些知名工程公司（例如國民油井華高NOV、挪威CSUB、英國殼牌等）對水下油氣生產設施防護具有較為豐富的應用經驗，特別是在英國北海及挪威等地的石油公司，很早就針對當地發達的漁業捕撈活動進行評估和防護設計[4]，基于實際工程應用經驗建立NORSOK、ISO 13628-15等規范來指導設計，保障油田生產安全。對水下生產設施結構防護來說，其設計應滿足以下3個要求：1）根據被保護物的形狀特征，不同保護罩的外形尺寸即使存在一定差異，但整體結構外形應符合漁網易于通過型，其邊角與水平地面夾角≤58°。2）結構物整體應光滑，外表無突起結構，艙門與ROV抓手應設計為內凹式。3）其結構強度和技術指標應滿足NORSOK STANDARD U-001及DIN EN ISO 13628-1的相關規定，可有效抵抗沖擊變形，其指標見表2和表3。

表2 防漁網拖掛設計參數

表3 沖擊載荷參數

于春潔等進行了水下生產設施結構在東海漁業作業方式下承受的撞擊力和拖掛力試驗研究，NORSOK規范推薦數值與其結果相比是保守的，基于該數值設計的水下油氣生產設施防護結構物可滿足油田水下生產系統的防護要求。4）應當充分考慮ROV（遙控無人潛水器）工作的友好性，同步設計方便ROV操作的把手和穩定身形的抓手，方便ROV在水下結構物的安裝過程和檢測過程進行操作。這是因為在進行海上安裝施工的過程中，對結構物的就位位置、水平度和艏向的精度要求極高[5]，在人員無法到達的水下，水下結構物的就位安裝工作只能交由ROV來完成。在投產后，由ROV定期對結構物在生命周期內進行檢測、維修和維護是海上油氣田安全生產和設施完整性管理必不可少的工作[6]。

2.2 復合材料在海洋工程中的應用優勢

在海洋中，化學腐蝕與海生物附著一直是影響鋼制結構物壽命的重要因素，需要對其進行反腐蝕設計并進行定期維護檢查，需要長久的維護成本以保證水下鋼制結構物結構的完好性。目前，我國海域已經開發了約40個海上油田，具有廣闊的海上油氣發展前景[7-8]，有大量以前投產的水下油氣生產設施亟需進行后保護設計，以防止受外在因素的影響。因此，與傳統的鋼結構保護罩相比，密度為鋼的1/3～1/4、耐海水腐蝕且具有強度極高的復合材料，更適用于深海油氣開發，具有以下鋼結構無法比擬的優勢：質量輕，耐腐蝕，可以有效地減輕自重，不僅能節約能源，而且易于施工；復合材料結構成型工藝簡便，維修便捷，可采用同一模具批量生產、周期短；優異的耐海水腐蝕和抗海生物特性使其與同類鋼產品相比，整體運營成本低[9]，具有顯著的經濟效益。

3 玻璃纖維復合材料PLET保護罩結構設計

以防止漁業活動對PLET的影響為設計重點，結合規范NORSOK STANDARD U-001及DIN EN ISO 13628-1，本項目設計生產的玻璃纖維復合材料PLET保護罩具有防漁具拖掛、抵抗落錨/落物沖擊、ROV友好功能。如圖3所示，其總體尺寸為19.2m×11.8m×3.3m，由保護罩與底部鋼質基座組成，保護罩承擔包括漁具拖掛、落物沖擊的防護功能，鋼質基座主要起到安裝和服役過程中的配重和就位過程中的導向和鎖定功能。保護罩整體結構設計分為結構本體、帽形筋以及吊耳3個部分，結構物本體的結構厚度為36 mm，帽形筋的整體結構設計與結構本體一致，為了避免海底泥沙在帽形筋中堆積，在其上方鋪設厚度為20 mm的上表面，同時具備一定的增強作用。吊耳進行了加強設計，總厚度96 mm。

圖3 玻璃纖維復合材料PLET保護罩

在ROV友好設計方面，在開關艙門、就位穩定已經鎖定插銷部位留有可供ROV抓手抓緊的結構物（如圖4所示），使ROV能夠在指揮、吊機、船舶以及定位等崗位的協同下，高效精準地將結構物在水下安裝就位，并實現后續檢測、回收功能。

圖4 玻璃纖維復合材料PLET保護罩ROV友好性設計

4 產品試驗

根據水下生產設施防護的通用要求，對玻璃纖維復合材料PLET保護罩進行漁網通過性測試、落物沖擊測試及ROV友好性測試，以驗證其是否滿足工程應用要求。

4.1 漁網拖掛試驗

按照NORSOK-U-001和ISO 13628-1設計要求，該保護罩邊角與地面夾角設計為57°，結構物外表光滑平齊無任何障礙物，所有艙門和ROV抓手都是內凹式設計，無任何突起，使用行吊拖拽漁網分別從PLET保護罩的長邊和短邊進行拖掛，控制速度為3m/s。經過試驗，漁網均能順利通過保護罩結構整體，未產生拖掛現象，可滿足漁網的通過性要求。

4.2 落物沖擊試驗

沖擊性能測試是重要的產品質量驗證手段，本次試驗采用自由落體的方式，將重物提升至一定高度進行釋放，利用重物的重力和加速度對試件進行沖擊，如圖5所示。

圖5 沖擊試驗設計圖

4.2.1 玻璃纖維復合材料樣件

長寬尺寸為2m×2m的玻璃纖維復合材料層合板。

4.2.2 金屬落物

為滿足20kJ、50kJ和沖擊能量對應區域的要求，落物的參數設計見表4。

表4 沖擊參數

4.2.3 舉升裝置

利用橋式起重機作為落物提升裝置，將高度提升0m～10 m，通電使電磁吸盤產生磁力，緊緊吸住接觸在吸盤表面的金屬圓柱體，當舉升至預定高度時，采用斷電消磁的方式使金屬沖擊金屬圓柱體，自由落體沖擊玻璃纖維復合材料層合板。

如圖6所示，在20kJ和50kJ的落物沖擊下，該玻璃纖維復合材料層合板在表面存在一些沖擊痕跡，當沖擊載荷達到50kJ時，中心沖擊區域出現明顯的分層現象，但整體結構完好，能有效抵抗50kJ的沖擊能量，可認為設計強度符合規范要求。

圖6 沖擊測試結果

4.3 ROV友好性試驗

ROV陸地協同測試是驗證ROV友好設計能否支持水下安裝工作的重要手段，能夠提前發現設計方面的不足，提出改進措施，提高海上安裝工作效率。測試將使用1臺工作級ROV Furgo FCV3000，具有1個5Te和7Te的機械臂，模擬完成PLET保護罩安裝就位的過程。ROV艙門開合測試：由ROV機械手臂測試艙門開合過程，達到海上安裝時開關艙門以觀察連接器狀態及后續檢修的目的。ROV把手測試：由ROV機械手臂進行抓合測試，確保抓手強度和空間能滿足海上安裝需求，有效減少就位過程中的ROV身形不穩問題。水下回接吊耳測試：在水下生產設施出現故障需要回收保護罩進行維修時，ROV可使用ROV卸扣在水下連接吊裝索具，實現保護結構回收功能。

5 結語

隨著南海油氣開發向300m以上的深水不斷挺進，其油氣田的開發模式愈發側重于水下的整體開發模式。而南海漁業捕撈活動的加劇，嚴重威脅油氣設施安全穩定生產。因此與鋼材相比，質輕高強而又耐腐蝕的復合材料就成了水下生產設施防護的新思路。

該文基于NORSOK STANDARD U-001和ISO 13628-1規范，設計首套國產玻璃纖維復合材料PLET保護罩，從設計上考慮防漁網拖掛、防拋錨沖擊和ROV友好性，并完成相應的試驗，成功地實現了其海上工程的應用，保護了南海某油田海底管線終端，不僅是國產復合材料在海洋油氣開發領域的一次重要突破，還能起到給國產復合材料在海洋石油領域的設計方向和設計手段提供參考的作用，并積累海洋環境應用經驗，推動國產復合材料在深水油氣開發領域發揮更大作用。