郭興偉，肖德明，肖易萍，劉繼穎，石艷芳

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

水下跨接管制造測試國產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)及展望*

郭興偉，肖德明，肖易萍，劉繼穎，石艷芳

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

水下跨接管作為構(gòu)建完整水下生產(chǎn)系統(tǒng)必不可缺的重要部分，通?？捎糜谒虏捎蜆?、水下管匯類(CM/PLEM/ILM)、管線終端(PLET)、立管基座和輸油管線等之間的連接，在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中有著極為廣泛的應(yīng)用。水下跨接管根據(jù)其管線材料可分為剛性跨接管和柔性跨接管。通過對各類跨接管特點(diǎn)的介紹以及水下剛性跨接管制造測試關(guān)鍵技術(shù)的論述，分析了水下跨接管國產(chǎn)化的現(xiàn)狀，對推進(jìn)我國水下跨接管、水下連接器的國產(chǎn)化進(jìn)程有一定的借鑒意義。

水下跨接管；水下連接器；國產(chǎn)化；雙金屬復(fù)合管；測試

水下生產(chǎn)系統(tǒng)已成為深水油氣田開發(fā)的主流模式之一。水下跨接管(jumper)作為構(gòu)建完整的水下生產(chǎn)系統(tǒng)必不可缺的重要部分，通常用于水下采油樹、水下管匯類(CM/PLEM/ILM)、管線終端(PLET)、立管基座和輸油管線等之間的連接，在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中有著極為廣泛的應(yīng)用。水下跨接管一般由位于兩端的連接器(Connector)和連接兩連接器間的管線組成。水下連接器可以在水下環(huán)境中快速連接或脫開，并在連接后可建立有效的密封，與上下設(shè)備之間形成封閉的通道。水下跨接管在典型水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的安裝位置如圖1所示。

圖1 典型水下生產(chǎn)系統(tǒng)

由于我國深水油氣田開發(fā)起步較晚，水下跨接管的自主設(shè)計(jì)、制造和測試能力還有待建設(shè)，且水下跨接管的關(guān)鍵部件——水下連接器仍然依賴進(jìn)口；因此，通過自主研發(fā)，實(shí)現(xiàn)水下跨接管的國產(chǎn)化十分必要。

1 水下跨接管特點(diǎn)

水下跨接管形式和種類有多種，通常根據(jù)其管線材料可分為剛性跨接管和柔性跨接管。如果連接管線是剛性的，跨接管被稱為剛性跨接管，反之，跨接管被稱為柔性跨接管[1]。

1.1 剛性跨接管特點(diǎn)

對于剛性跨接管來說，M形(見圖2)和倒U形是2種常見的形式，也有水平Z形等，其連接距離一般為15～40 m。跨接管的構(gòu)造取決于設(shè)計(jì)參數(shù)，水下設(shè)備的接口及跨接管運(yùn)行的不同模式。

剛性跨接管需要精確的海底測量和較為復(fù)雜的安裝輔助工具；但是由于剛性管材料(高強(qiáng)度碳鋼、雙金屬復(fù)合材料)，制造較柔性跨接管簡單，總成本低，所以剛性跨接管在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中較為常見。

圖2 典型M形剛性跨接管

跨接管上除安裝有ROV操作面板、螺旋列板、連接器或法蘭外， 還可能安裝的設(shè)備或儀器包括流量計(jì)、清管球探測器、測砂器、注入點(diǎn)(化學(xué)物質(zhì))、單向閥、隔離閥、擋流板、節(jié)流閥、浮力單元、保溫層及下放工具等。

1.2 柔性跨接管特點(diǎn)

柔性跨接管(見圖3)一般由連接器、鵝頸管、旋轉(zhuǎn)法蘭、端部裝置、反力環(huán)和限彎器等構(gòu)成，通常為小口徑。其優(yōu)點(diǎn)為長度靈活，能夠適應(yīng)海底的不規(guī)則地形，允許井口間距及方向有所變化，安裝方便，疲勞設(shè)計(jì)壽命優(yōu)秀和耐H2S等腐蝕性能好；缺點(diǎn)為易膨脹，隨著水深和管徑的增加，造價非常昂貴。

圖3 典型柔性跨接管

2 水下跨接管制造測試關(guān)鍵技術(shù)

由于柔性軟管技術(shù)及工藝的復(fù)雜性，柔性跨接管通常由柔性軟管供應(yīng)商提供。而對于剛性跨接管，通常由成撬的分包商供貨，因此涉及到材料采辦、制造和測試等關(guān)鍵技術(shù)。本文主要針對剛性跨接管制造測試關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述。

2.1 雙金屬復(fù)合管的關(guān)鍵技術(shù)

雙金屬復(fù)合管是由外層碳鋼材料和內(nèi)層耐腐蝕不銹鋼類或高合金類金屬材料通過各種變形和連接技術(shù)復(fù)合而成，它將耐腐蝕合金的防腐性能與碳鋼管優(yōu)異的力學(xué)性能進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，適用于輸送高溫、高壓酸性介質(zhì)工況。近年來，我國在LNG設(shè)施及南中國海油氣田開發(fā)中有廣泛的應(yīng)用。目前，雙金屬復(fù)合管的主要制造方法及其優(yōu)缺點(diǎn)見表1[2]。

機(jī)械復(fù)合管由于其工效上較冶金復(fù)合管高，成本相對較低，因此，在海管或長距離輸油管線中有較多的應(yīng)用。而水下跨接管在位時承受的載荷工況較復(fù)雜，除承受外部海水和內(nèi)部高溫高壓油氣造成的載荷外，還需要吸收海管膨脹造成的拉、扭等載荷；因此，在需要使用復(fù)合管的工況下，通常需要選用結(jié)合強(qiáng)度更高的冶金復(fù)合管。

目前，我國應(yīng)用較成熟的機(jī)械復(fù)合管制造工藝為脹接(機(jī)械脹接和液壓脹接)、爆炸成形，冶金復(fù)合管制造較成熟的工藝為堆焊成形。由于堆焊成形的冶金復(fù)合管生產(chǎn)效率低，成本高，供貨周期長，同時受堆焊供貨商產(chǎn)能問題影響，已成為制約部分工程項(xiàng)目進(jìn)度的關(guān)鍵因素。熱擠壓和離心鑄造技術(shù)可以很好地克服上述不利因素，但由于需要專用設(shè)備、工序復(fù)雜和技術(shù)要求高，目前我國尚未完全掌握，國產(chǎn)化具有很大的發(fā)展?jié)摿秃芎玫膽?yīng)用前景。

表1 雙金屬復(fù)合管主要制造方法及其優(yōu)缺點(diǎn)

2.2 水下連接器的關(guān)鍵技術(shù)

水下連接器技術(shù)難度大，產(chǎn)品附加值高，目前市場主要被幾家大型國外石油工程公司所壟斷。這些公司通過多年的技術(shù)積累，已經(jīng)全面掌握了水下連接器的設(shè)計(jì)、制造和測試技術(shù)，而且產(chǎn)品呈現(xiàn)多樣化。根據(jù)對國外水下連接器制造廠商產(chǎn)品的調(diào)研，根據(jù)連接原理劃分，目前水下連接器產(chǎn)品主要有如下4種：卡爪式連接器(Collet Connector)、卡箍式連接器(Clamp Connector)、螺栓法蘭式連接器(Flange Connector)和鎖塊式液壓連接器(Dog Connector)[3-4]。目前，國內(nèi)幾家單位針對個別類型的連接器進(jìn)行了初步的理論研究和仿真研究，進(jìn)而研制了試驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行了部分測試試驗(yàn)，特別是針對應(yīng)用最為廣泛的立式卡爪式連接器的研究最為深入。然而，我國自主研發(fā)的水下連接器尚未達(dá)到工程應(yīng)用的水平，仍有下述技術(shù)難點(diǎn)需要攻關(guān)。

2.2.1 密封設(shè)計(jì)

由于深水連接器在克服內(nèi)部高溫高壓油氣的同時，還需要克服外部低溫及深水壓力，并且面臨工作溫度適應(yīng)范圍廣、管線傳遞載荷復(fù)雜等問題。這就對密封方案的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。需要采用不同的方式對內(nèi)部高溫高壓油氣和外部低溫中壓海水進(jìn)行密封。

由于透鏡墊密封依靠的是加載后形成的彈性變形和部分塑性變形，在安裝過程中，對于法蘭及透鏡墊的配合要求不是很嚴(yán)格，即使二者的軸線由于環(huán)境因素形成了一定的角度，仍然可以通過球面與錐面的配合形成密封壓縮，保證密封能力，提高密封穩(wěn)定性[5]；同時，透鏡密封需要的預(yù)緊力小，對轂座軸向預(yù)緊力的要求較低。由于上述諸多優(yōu)點(diǎn)，水下連接器一般采用自緊式金屬透鏡墊密封作為主要的密封形式。

圖4 連接器密封圈

在水下工作環(huán)境下，橡膠密封等非金屬材料由于良好的耐腐蝕性能常被用于密封結(jié)構(gòu)阻隔海水，因此，將O型圈密封與金屬透鏡墊密封相結(jié)合(見圖4)，分別用于密封海水外壓和管道內(nèi)壓[6]。具體的2種結(jié)合形式分別是軸向復(fù)合密封和徑向復(fù)合密封。2.2.2 防腐技術(shù)

水下連接器的結(jié)構(gòu)部分通常采用油漆涂裝。涂裝前基材表面的鹽分是影響涂層質(zhì)量的一大關(guān)鍵因素。水下生產(chǎn)設(shè)施表面的可溶性鹽分應(yīng)控制在<20 mg/m2。該指標(biāo)高于常規(guī)海洋上部結(jié)構(gòu)物涂裝標(biāo)準(zhǔn)，因此，涂裝應(yīng)采取特殊的工藝措施，以確保其在海洋中的防腐可靠性[7-8]。

水下連接器的內(nèi)部流體潤濕面通常通過堆焊耐腐蝕合金(如Inconel 625)實(shí)現(xiàn)防腐。轂座內(nèi)密封表面通常也堆焊Inconel 625，而密封圈通常選用316不銹鋼或Inconel 825等材料。有資料顯示國外某些公司的密封圈外表面鍍有銀。

水下連接器的法蘭、卡爪和驅(qū)動環(huán)等運(yùn)動配合表面，是通過使用碳化鎢涂層來增加其耐磨性和防腐性能。國內(nèi)也有采用鎳磷鍍層或熱浸鍍鋅防腐的相關(guān)研究。

2.2.3 性能測試技術(shù)

為保證水下連接器的可靠性，在應(yīng)用前應(yīng)經(jīng)過極為嚴(yán)格的測試。測試技術(shù)是連接器研發(fā)及制造中的關(guān)鍵技術(shù)。其主要目的是檢測連接器的材料性能、力學(xué)性能、安裝性能、連接性能、密封性能及其他性能是否能夠達(dá)到安全、穩(wěn)定以及長壽命的要求，對連接器的研究與制造具有重大意義。

目前，國內(nèi)已針對水下連接器性能測試技術(shù)進(jìn)行了研究，并研發(fā)了部分連接器性能測試設(shè)備，如水下連接器外載荷測試裝置、溫度壓力試驗(yàn)裝置等；但尚未建立一套完善的連接器性能鑒定試驗(yàn)程序，同時專用的試驗(yàn)設(shè)備尚未配置齊全。

2.3 總成及測試

對于剛性跨接管，M形較倒U形在總成、測試方面更具挑戰(zhàn)性。本文以M形跨接管為例，介紹其總成、測試中涉及的關(guān)鍵技術(shù)。

1)水下跨接管的分段方案。由于水下跨接管通常建造流程為：分段預(yù)制→后測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)備→連接器角度/高度調(diào)整→水平段調(diào)整。此流程設(shè)計(jì)的目的旨在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場接口數(shù)量最小化(通常為3～4個)，將焊接和檢驗(yàn)的現(xiàn)場施工工作量降到最低。然而，最初的分段預(yù)制(U形JUMPER-Kit預(yù)制)過程需要綜合分析2個水下結(jié)構(gòu)物的半徑偏差、高度偏差、連接器角度偏差和跨接管水平管段離海床距離要求等多個參數(shù)，因此需要統(tǒng)籌考慮。

2)水下跨接管的尺寸控制技術(shù)。M形跨接管形狀較為復(fù)雜特殊，需要控制的尺寸和控制點(diǎn)較多，而且這些尺寸具有互相牽制、互相影響的特點(diǎn)，需要使用計(jì)算機(jī)模擬手段。通常，在分段預(yù)制過程應(yīng)控制線性尺寸偏差允許值為±6 mm，角度偏差允許值為±0.5°；在總成時應(yīng)控制總體線性尺寸偏差允許值為±35 mm，角度偏差允許值為±0.5°；在建造過程中，全站儀等測量設(shè)備伴隨建造過程的始終。

3)水下跨接管建造輔助工裝設(shè)計(jì)。水下跨接管建造過程中需要多種輔助工裝，包括連接器姿態(tài)模擬裝置、U形段(JUMPER-Kit)調(diào)整支架和水平段管支架等，而且不同項(xiàng)目的連接器類型、尺寸等變化較大，均需要定制化設(shè)計(jì)。

4)水下跨接管的測試技術(shù)。水下跨接管測試中涉及多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，如清管通球、高壓試壓、系統(tǒng)控制液壓管線高精度沖洗、吊裝測試、背壓測試和稱重測試技術(shù)等，同時需要特殊的測試設(shè)備，如HPU、潔凈度測量儀和稱重傳感器等。

我國自主建造測試的番禺35-1/35-2氣田水下跨接管如圖5所示。

圖5 番禺35-1/35-2氣田水下跨接管

3 結(jié)語

目前，通過工程項(xiàng)目的實(shí)踐，我國已經(jīng)在水下剛性跨接管的設(shè)計(jì)、建造和測試方面取得了一定的技術(shù)積累。但在核心部件水下連接器的研制方面缺乏原理創(chuàng)新，沒有形成完全自主知識產(chǎn)權(quán)的工程產(chǎn)品，同時尚需建設(shè)性能鑒定試驗(yàn)程序體系以及試驗(yàn)支撐條件等，以促進(jìn)水下連接器及相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

由于水下柔性跨接管在我國海洋油氣田開發(fā)中的應(yīng)用較少，其核心的柔性管相關(guān)技術(shù)研究在我國尚處于起步階段，且柔性管的制造、測試需要大型專業(yè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)其國產(chǎn)化仍需大量研究工作。

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*“十二五”國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05027-004)

責(zé)任編輯彭光宇

KeyTechnologiesandProspectforLocalizationManufacturingandTestingofSubseaFlowlineJumper

GUO Xingwei, XIAO Deming, XIAO Yiping, LIU Jiying, SHI Yanfang

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd.，Tianjin 300452，China)

Subsea flowline jumper is as an important part to establishing a whole subsea production system, and usually used as a connection between subsea trees, manifolds(CM/PLEM/ILM), PLETs, Risers and pipelines etc. It has a very wide range of application in the subsea production system. According to the pipeline material of jumper, it includes rigid jumper and flexible jumper. Based on the introduction of classification and characteristics of the jumper and discussion of the key technologies for manufacturing and testing of rigid jumper, analyze the localization situation and prospect of jumper, which has some reference to promote localization of subsea jumper and connector.

subsea jumper，connector，localization，CRA lined pipe，testing

TE 952

:A

郭興偉(1983-)，男，工程師，主要從事海洋石油裝備的調(diào)試、深水水下生產(chǎn)設(shè)施制造和測試等方面的研究。

2015-03-18