水下跨接管制造測試國產化關鍵技術及展望*

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)

水下跨接管制造測試國產化關鍵技術及展望*

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)

水下跨接管作為構建完整水下生產系統必不可缺的重要部分，通?？捎糜谒虏捎蜆洹⑺鹿軈R類(CM/PLEM/ILM)、管線終端(PLET)、立管基座和輸油管線等之間的連接，在水下生產系統中有著極為廣泛的應用。水下跨接管根據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的介紹以及水下剛性跨接管制造測試關鍵技術的論述，分析了水下跨接管國產化的現狀，對推進我國水下跨接管、水下連接器的國產化進程有一定的借鑒意義。

水下跨接管；水下連接器；國產化；雙金屬復合管；測試

水下生產系統已成為深水油氣田開發的主流模式之一。水下跨接管(jumper)作為構建完整的水下生產系統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，在水下生產系統中有著極為廣泛的應用。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，與上下設備之間形成封閉的通道。水下跨接管在典型水下生產系統中的安裝位置如圖1所示。

圖1 典型水下生產系統

由于我國深水油氣田開發起步較晚，水下跨接管的自主設計、制造和測試能力還有待建設，且水下跨接管的關鍵部件——水下連接器仍然依賴進口；因此，通過自主研發，實現水下跨接管的國產化十分必要。

1 水下跨接管特點

水下跨接管形式和種類有多種，通常根據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

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?？缃庸艿臉嬙烊Q于設計參數，水下設備的接口及跨接管運行的不同模式。

剛性跨接管需要精確的海底測量和較為復雜的安裝輔助工具；但是由于剛性管材料(高強度碳鋼、雙金屬復合材料)，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系統中較為常見。

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， 還可能安裝的設備或儀器包括流量計、清管球探測器、測砂器、注入點(化學物質)、單向閥、隔離閥、擋流板、節流閥、浮力單元、保溫層及下放工具等。

1.2 柔性跨接管特點

柔性跨接管(見圖3)一般由連接器、鵝頸管、旋轉法蘭、端部裝置、反力環和限彎器等構成，通常為小口徑。其優點為長度靈活，能夠適應海底的不規則地形，允許井口間距及方向有所變化，安裝方便，疲勞設計壽命優秀和耐H2S等腐蝕性能好；缺點為易膨脹，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鍵技術

由于柔性軟管技術及工藝的復雜性，柔性跨接管通常由柔性軟管供應商提供。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、制造和測試等關鍵技術。本文主要針對剛性跨接管制造測試關鍵技術進行論述。

2.1 雙金屬復合管的關鍵技術

雙金屬復合管是由外層碳鋼材料和內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復合而成，它將耐腐蝕合金的防腐性能與碳鋼管優異的力學性能進行了有機結合，適用于輸送高溫、高壓酸性介質工況。近年來，我國在LNG設施及南中國海油氣田開發中有廣泛的應用。目前，雙金屬復合管的主要制造方法及其優缺點見表1[2]。

機械復合管由于其工效上較冶金復合管高，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用。而水下跨接管在位時承受的載荷工況較復雜，除承受外部海水和內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，在需要使用復合管的工況下，通常需要選用結合強度更高的冶金復合管。

目前，我國應用較成熟的機械復合管制造工藝為脹接(機械脹接和液壓脹接)、爆炸成形，冶金復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合管生產效率低，成本高，供貨周期長，同時受堆焊供貨商產能問題影響，已成為制約部分工程項目進度的關鍵因素。熱擠壓和離心鑄造技術可以很好地克服上述不利因素，但由于需要專用設備、工序復雜和技術要求高，目前我國尚未完全掌握，國產化具有很大的發展潛力和很好的應用前景。

表1 雙金屬復合管主要制造方法及其優缺點

2.2 水下連接器的關鍵技術

水下連接器技術難度大，產品附加值高，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積累，已經全面掌握了水下連接器的設計、制造和測試技術，而且產品呈現多樣化。根據對國外水下連接器制造廠商產品的調研，根據連接原理劃分，目前水下連接器產品主要有如下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，國內幾家單位針對個別類型的連接器進行了初步的理論研究和仿真研究，進而研制了試驗樣機，并進行了部分測試試驗，特別是針對應用最為廣泛的立式卡爪式連接器的研究最為深入。然而，我國自主研發的水下連接器尚未達到工程應用的水平，仍有下述技術難點需要攻關。

2.2.1 密封設計

由于深水連接器在克服內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范圍廣、管線傳遞載荷復雜等問題。這就對密封方案的設計提出了很高的要求。需要采用不同的方式對內部高溫高壓油氣和外部低溫中壓海水進行密封。

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格，即使二者的軸線由于環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，提高密封穩定性[5]；同時，透鏡密封需要的預緊力小，對轂座軸向預緊力的要求較低。由于上述諸多優點，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構阻隔海水，因此，將O型圈密封與金屬透鏡墊密封相結合(見圖4)，分別用于密封海水外壓和管道內壓[6]。具體的2種結合形式分別是軸向復合密封和徑向復合密封。2.2.2 防腐技術

水下連接器的結構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量的一大關鍵因素。水下生產設施表面的可溶性鹽分應控制在<20 mg/m2。該指標高于常規海洋上部結構物涂裝標準，因此，涂裝應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]。

水下連接器的內部流體潤濕面通常通過堆焊耐腐蝕合金(如Inconel 625)實現防腐。轂座內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、卡爪和驅動環等運動配合表面，是通過使用碳化鎢涂層來增加其耐磨性和防腐性能。國內也有采用鎳磷鍍層或熱浸鍍鋅防腐的相關研究。

2.2.3 性能測試技術

為保證水下連接器的可靠性，在應用前應經過極為嚴格的測試。測試技術是連接器研發及制造中的關鍵技術。其主要目的是檢測連接器的材料性能、力學性能、安裝性能、連接性能、密封性能及其他性能是否能夠達到安全、穩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，國內已針對水下連接器性能測試技術進行了研究，并研發了部分連接器性能測試設備，如水下連接器外載荷測試裝置、溫度壓力試驗裝置等；但尚未建立一套完善的連接器性能鑒定試驗程序，同時專用的試驗設備尚未配置齊全。

2.3 總成及測試

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

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：分段預制→后測量數據準備→連接器角度/高度調整→水平段調整。此流程設計的目的旨在實現現場接口數量最小化(通常為3～4個)，將焊接和檢驗的現場施工工作量降到最低。然而，最初的分段預制(U形JUMPER-Kit預制)過程需要綜合分析2個水下結構物的半徑偏差、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，因此需要統籌考慮。

2)水下跨接管的尺寸控制技術。M形跨接管形狀較為復雜特殊，需要控制的尺寸和控制點較多，而且這些尺寸具有互相牽制、互相影響的特點，需要使用計算機模擬手段。通常，在分段預制過程應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，全站儀等測量設備伴隨建造過程的始終。

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

4)水下跨接管的測試技術。水下跨接管測試中涉及多項關鍵技術，如清管通球、高壓試壓、系統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等，同時需要特殊的測試設備，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 結語

目前，通過工程項目的實踐，我國已經在水下剛性跨接管的設計、建造和測試方面取得了一定的技術積累。但在核心部件水下連接器的研制方面缺乏原理創新，沒有形成完全自主知識產權的工程產品，同時尚需建設性能鑒定試驗程序體系以及試驗支撐條件等，以促進水下連接器及相關產品的產業化應用。

由于水下柔性跨接管在我國海洋油氣田開發中的應用較少，其核心的柔性管相關技術研究在我國尚處于起步階段，且柔性管的制造、測試需要大型專業設備，實現其國產化仍需大量研究工作。

[1] 白勇，龔順風，白強，等.水下生產系統手冊[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2012.

[2] 張寶慶.雙金屬復合管的制造技術淺析[J].機電工程技術，2009，38(3)：106-108.

[3] 周燦豐，焦向東，曹靜，等.水下跨接管連接器選型設計研究[J].石油化工高等學校學報，2011，24(3)：75-78.

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[5] Corbetta G，Curden R.A new approach to capex and opex reduction:an integrated system for romote tie-ins and pipeline repair[C]//Proceedings of the Annual Offshore Technology Conference.Houston,2000：313-319.

[6] Corbetta G. Method and apparatus for connecting underwater conduits: US, 6767165[P].2004-07-27．

[7] 林臻，李國璋，白鴻柏，等.金屬材料海洋環境腐蝕試驗方法研究進展[J].新技術新工藝，2013(8)：68-74.

[8] 陳偉軍，儲樂平，王旭東，等.水下生產設施涂裝表面鹽含量控制研究[J].中國造船，2013，54 (11)：385-389.

*“十二五”國家科技重大專項資助項目(2011ZX05027-004)

責任編輯彭光宇

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試、深水水下生產設施制造和測試等方面的研究。

2015-03-18