隨著我國海上油氣田開發(fā)逐步由淺水區(qū)域向深水領(lǐng)域挺進，水下生產(chǎn)系統(tǒng)在我國應(yīng)用愈發(fā)廣泛 [1-3] 。在我國陸豐油田、番禺35-1/35-2氣田、崖城13-1氣田、荔灣3-1氣田等項目中雖然已經(jīng)實現(xiàn)了水下生產(chǎn)系統(tǒng)的開采應(yīng)用，但水下生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及核心設(shè)備設(shè)施卻長期受制于國外壟斷，很大程度上會制約我國深水油氣田項目的開發(fā)，影響我國深水油氣資源的開采。水下管匯是水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要設(shè)備，也是保證水下油氣安全順利從井口輸送至海洋平臺的關(guān)鍵一環(huán)。

 

1 水下管匯系統(tǒng)設(shè)計原則

1.1 總體設(shè)計

          結(jié)合目標油田的油藏參數(shù)，進行工藝模擬計算包括物料熱量平衡計算，管道內(nèi)防腐計算以及與化學(xué)注入的計算等，并考慮水深環(huán)境特點、計量要求、連接要求、控制方案等，綜合確定管匯的總體設(shè)計方案，包括管匯集成設(shè)施的布置、配管、材料選擇、防護要求、接口形式等。

 

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

          水下管匯作為水下井口和水面生產(chǎn)設(shè)施之間的橋梁和通訊樞紐，對于控制信號的反應(yīng)速度是重要設(shè)計指標，特別是對于緊急關(guān)斷或是安全保護信號的及時響應(yīng)是關(guān)系到安全的關(guān)鍵因素。根據(jù)回接距離不同，通常采用全液壓控制或者復(fù)合電液控制方案，以提高控制系統(tǒng)的可靠性和響應(yīng)速度。

 

1.3 擴展性和通用性

          水下管匯設(shè)計在確保基本功能和安全的同時，應(yīng)盡量簡化系統(tǒng)配置，減少管匯的復(fù)雜性。針對項目中可能存在的未來周邊油氣的接入，建議管匯系統(tǒng)設(shè)計時考慮具備一定的擴展性，并適當增加設(shè)計余量保證管匯的通用性。

 

1.4 可操作性及可維護性

充分明確水下管匯集成設(shè)備設(shè)施的操作要求及維護內(nèi)容，在管匯設(shè)計時應(yīng)予以考慮。設(shè)計階段可采用三維模型進行ROV或潛水員操作及維護模擬，保證管匯設(shè)計合理性，滿足設(shè)施的可操作性和可維護性。2 水下管匯工程樣機的改造與集成設(shè)計分析結(jié)合水下管匯系統(tǒng)設(shè)計原則，對“十二五”階段研制的水下管匯樣機進行改造設(shè)計，以滿足“十三五”階段水下管匯工程樣機的功能性要求。

 

2.1 結(jié)構(gòu)改造分析

          結(jié)構(gòu)改造包括甲板拆除及結(jié)構(gòu)框架改造。水下管匯頂層甲板拆除主要為管道法蘭拆除和設(shè)備拆除做準備。在甲板拆除設(shè)計中，要鑒別拆除所有頂層甲板的必要性及合理性，結(jié)合水下管匯設(shè)計特點，分析可采取的實施方案，如使用倒鏈、千斤頂?shù)裙ぞ咴u估設(shè)備設(shè)施側(cè)面裝入的可行性等，從而減少拆除甲板的工程量。另外，拆除甲板切割時，盡量保持切口規(guī)整，以便在完成管匯設(shè)備集成后回裝利用，降低改造費用。拆除前后的管匯樣機頂甲板見圖1~2。

          對水下管匯結(jié)構(gòu)框架進行改造為新設(shè)施提供安裝空間，結(jié)構(gòu)框架改造設(shè)計還應(yīng)滿足設(shè)備設(shè)施集成在管匯上的合理布置，并兼顧設(shè)備滿足操作空間要求。

 

2.2 管匯集成設(shè)計

          水下管匯集成設(shè)施包括如下工程樣機：水下閥門、多相流量計、水下連接器及水下控制模塊（即SCM）等。水下管匯的改造設(shè)計不僅要考慮工程樣機的尺寸、重量及集成位置，還要明確管匯與工程樣機之間的界面參數(shù)，如管線接口形式及材質(zhì)規(guī)格、操作空間及要求、供電參數(shù)、供貨范圍等，確保改造設(shè)計的合理性及可實施性。

 

2.2.1 水下閥門

          水下管匯集成的水下閥門樣機包括1臺6寸閘閥和1臺12寸球閥，適用水深1500m，且配置ROV及液壓單作用執(zhí)行機構(gòu)。水下閘閥和球閥的主要參數(shù)見表1。水下管匯改造的集成設(shè)計考慮閥門尺寸、質(zhì)量及操作要求，還要兼顧水下管匯與閥門的界面數(shù)據(jù)及供貨劃分，如閥門執(zhí)行機構(gòu)液壓接口螺紋口設(shè)計形式；為便于ROV操作的閥門墊塊供貨范圍；閥門袖管與水下管匯主管道材料匹配性（管匯材質(zhì)為雙相不銹鋼）；對閥門袖管長度的要求等。

2.2.2 多相流量計

          水下管匯集成1臺多相流量計工程樣機，主要參數(shù)見表2。水下管匯改造設(shè)計要兼顧與多相流量計的界面參數(shù)，如水下多相流量計樣機兩個端面的6寸SPO法蘭是雙相不銹鋼材質(zhì)，水下管匯應(yīng)與其匹配對接；多相流量計兩端接入管道的袖管長度及材質(zhì)應(yīng)明確；供電飛線的接口位置及接頭類型。另外，多相流量計為精密設(shè)備，在管匯改造設(shè)計中考慮合理的安裝方式及防護要求，避免精密設(shè)備的損壞。

2.2.3 水下連接器

          在水下管匯改造設(shè)計中需確定與水下連接器的界面參數(shù)，包括垂直管匯連接器與水下管匯的接口尺寸，端口開坡口形式以及材料類型等。其中，水下管匯改造設(shè)計時所選材料需與該材料具有良好的焊接性能。

 

          另外，垂直連接器配有專用安裝工具，連接器的鎖緊及解鎖通過液壓及ROV配合操作。管匯改造設(shè)計應(yīng)滿足連接器下放安裝及更換拆卸的操作空間及局部結(jié)構(gòu)強度要求。

2.2.4 水下控制模塊

          水下管匯集成1臺水下控制模塊工程樣機（即SCM），系統(tǒng)設(shè)計采用開式復(fù)合電液控制，SCM為可回收設(shè)計，并需要專用回收設(shè)備配以ROV實施操作。SCM主要用于管匯閥門樣機的液壓開關(guān)控制、多相流量計的采集信號傳輸，以及管匯的溫度和壓力數(shù)據(jù)采集及傳輸。管匯改造設(shè)計應(yīng)保證滿足SCM的安裝要求及操作空間，并兼顧減少管匯改造工程量。SCM為精密設(shè)備且需要進行水下回收，對安裝精度要求較高，在管匯改造設(shè)計中考慮合理的安裝方式及防護要求，避免精密設(shè)備的損壞。SCM及其配套安裝工具主要參數(shù)見表3。

          此外，水下管匯與SCM的界面接口數(shù)據(jù)也是改造設(shè)計中的關(guān)注重點，包括電飛線的接頭連接位置及飛線接頭的存放位置；SCM液壓液管線的輸入、輸出接頭尺寸及方位，與管匯液壓液輸入面板的接頭尺寸匹配性，以便管匯改造設(shè)計考慮是否需要變徑；SCM與水下管匯壓力溫度傳感器連接參數(shù)，如信號類型、量程等。

2.3 管匯改造施工設(shè)備

          水下管匯改造時的主要施工設(shè)備包括：25t汽車吊、磁力切割機、等離子切割機等。由于水下管匯的12寸及6寸管道材質(zhì)為雙相不銹鋼，因此進行管段切除改造時，不能用普通火焰切割，必須用等離子切割機。

3 結(jié)束語

          本文對水下管匯系統(tǒng)設(shè)計原則進行了梳理，并基于科研工程樣機實例總結(jié)分析了水下管匯改造與集成設(shè)計的技術(shù)要點，對設(shè)計中如何減少改造工程量降低成本，合理布置集成的設(shè)備設(shè)施滿足操作要求，以及管匯設(shè)計中應(yīng)關(guān)注的界面要求等設(shè)計要點進行歸納，為水下管匯工程樣機后續(xù)的陸上聯(lián)調(diào)測試及海試奠定了重要基礎(chǔ)，有助于推進深水管匯在我國深水海域油氣田開發(fā)中的應(yīng)用，為深海油氣資源開發(fā)提供必要的技術(shù)支持。