應用于水下生產系統的臨時水下收發球筒設計

李 剛，王會峰，孟憲武，孫雪梅，王鳳云

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

水下收發球筒(PLR)是水下生產系統預調試[1]、海管內流體應急置換等不可或缺的設備[2]，在深水油氣田開發[3]和淺水邊際油氣田開發中[4-5]均有應用。隨著全球在深水油氣田開發領域的逐步深入，水下PLR已經成為保證油氣田順利投產、安全服役的重要設備。

1 簡 介

水下PLR為臨時設備，其功能如下： 在海管預調試期間，分別作為收球筒和發球筒，實現海管的清洗、測徑、除水、惰化等操作。其原理是通過PLR支管的驅動管線對球筒內的清管球進行打壓，從而按順序發射清管球。

自1985年第一臺水下清管器發射系統成功解決北海油田管道結蠟問題以來[6]，國外已經成功應用了多球式水下發球筒[7]，如1999年在英國北海投產的ETAP項目[8]，2001年在墨西哥灣投產的Serrano項目[9]等。目前，國外水下PLR的設計技術已經成熟，產品類型眾多，因為與油氣田的安裝資源、水深以及生產的要求(預調試、生產過程中定期自動清管)有關，所以不同的承包商對于不同的油氣田，其PLR有不同的設計風格。除了本文提到的I型、L型、一字型、U型PLR以外，英國的FES公司還設計了全包裹式水下PLR(見圖1)。

圖1 全包裹式水下PLR

雖然在我國南海的PY35-2/35-1、 LW3-1等項目中，水下臨時PLR已經成功應用，但是PLR產品是由Technip、 Saipem等國外公司設計。目前我國水下PLR設計技術已經起步，通過相關科研課題的研究，已經掌握了水下PLR設計技術，海洋石油工程有限公司于2017年和2018年分別獲得了一個實用新型專利[10]和一個發明專利[11]，并且成功應用在LH29-1、 LH16-2、 LS17-2等南海深水油氣田開發項目中，實現了深水水下臨時PLR的獨立設計，打破了國外技術壟斷。圖2為中海油自主設計的PLR產品，已經應用于陵水17-2項目。

圖2 陵水17-2項目PLR

1.1 水下PLR種類介紹

水下PLR從功能上可分為發球筒、收球筒、收發球筒；從應用范圍上可分為淺水PLR(潛水員輔助作業)和深水PLR(ROV輔助作業)；從結構形式上可分為L型(見圖3)、 U型PLR、一字型PLR(見圖4)、 I型PLR。其中，一字型PLR一般應用于淺水，其他三種形式可應用于淺水和深水。

圖3 L型PLR

圖4 一字型PLR

1.2 典型水下臨時PLR結構組成

水下臨時PLR主要由以下幾個部分組成(見圖3和圖4)[10-11]：

(1) 球筒： 用來裝填清管球。

(2) 驅動管線： 連接在球筒上的支管，用來接收壓力源，為驅動清管球提供動力。

(3) 溫度/壓力監測系統： 海底管道進行水壓試驗時，用來監測其內部的壓力和溫度。

(4) 保護結構： 保護水下閥門和熱插拔接口(hot-stab)等重要設備，避免其在PLR運輸和操作期間被撞壞。

(5) 連接系統： 用來連接PLR和海管終端設施的連接設備。深水PLR采用水下連接器，由水下機器人(ROV)操作；淺水PLR采用法蘭，由潛水員操作。

(6) 拖拉封頭： 僅存在于淺水PLR上。可以實現PLR與海管連接后一起鋪設，不需要水下單獨連接PLR。

1.3 PLR設計流程

PLR產品的設計需要考慮海上施工方的施工要求，設計成果需要得到業主和獨立第三方的確認，才可以進行建造和應用，圖5為典型的水下PLR設計流程框圖。

圖5 典型的水下PLR設計流程框圖

2 主要研究內容與結果

本文將針對典型PLR產品，進行構件的選型以及分析計算，使讀者掌握深水PLR設計要點，并可以獨立完成PLR設計。

設計參數如表1所示。

表1 PLR設計參數

2.1 球筒設計

球筒(見圖6)是收發清管球的載體，球筒長度主要由清管球的個數和長度確定，在滿足操作的前提下，球筒長度要盡量短，以減小作用在連接器上的彎矩；本案例沒有特殊要求，為降低卡球的風險，建議球筒彎管選用5倍D的曲率半徑彎管(D為球筒管道外徑)。

因為本案例PLR應用在水深339 m處，潛水員無法進行水下作業，所以PLR與海管的連接設備不能選擇法蘭，本案例選擇水下無潛連接器。

球筒另一端的封堵設備建議選用卡蘭或者緊湊型法蘭，因為與標準ANSI 16.5的法蘭相比，前者重量輕，占用空間小，便于操作。

2.2 驅動管線及構件選型設計

海管兩端分別安裝一個PLR，一端發球，另一端收球。驅動管線(kicker line)布置在球筒上方，結構形式上是球筒的支路管線，其作用是通過控制閥門的開、關來導入和控制驅動介質(水或氣)，當PLR作為發球筒時，將目標清管球依次推出球筒。每一根驅動管線上都設有一個水下閥門，相鄰兩根驅動管線之間的距離必須是一個清管球的長度，原因是清管球在球筒內為球頂球布置(見圖5)[12]，兩個球的端部都有橡膠做的鼻子，為驅動管線流出的驅動介質提供了空間，從而讓驅動管線排出的驅動介質正好作用于兩個清管球之間的鼻子上方，否則將存在發不出球的風險，所以本案例清管球的布置方式為球頂球布置。驅動管線的根數由海管預調試流程決定，在一般情況下，比單次預裝的清管球個數多一根，目的是保證最后一個清管球能夠順利發出。因為本案例規定清管球個數為5個，所以驅動管線選擇6根，如圖6所示。

另外，驅動管線上的閥門建議選用API 6DSS標準的水下球閥，相比于普通水上用的API 6D球閥，其泄漏風險小，性價比高。閥門操作手柄設計為可雙向操作的形式，所有閥門的閥體兩側必須噴涂閥門編號，以便ROV或潛水員在水下識別和操作。

驅動管線主管的端部需要設置熱插拔接口(hot-stab)，如圖7～圖9所示，hot-stab為外接驅動源的接口。在hot-stab選型時須注意，其產品分為單面操作型和雙面操作型。在用于深水PLR時，通常選擇單面hot-stab(見圖7)，但是用于淺水一字型PLR時，建議選擇雙面hot-stab(見圖8)，因為淺水PLR會隨著海管倒向泥面，選擇雙面hot-stab(見圖9)，目的是無論PLR倒向哪一側，潛水員或ROV都可以通過漏出來的一側hot-stab連接驅動源。

圖8 雙面hot-stab

圖9 雙面hot-stab用于淺水PLR

2.3 止球器設計

由2.2節驅動管線的技術要求可知，必須保證清管球隊列和所有驅動管線支管的相對位置，才能確保把清管球順利排出。因為清管球之間是球頂球布置，這就要求排在隊尾的第一個清管球的定位要準確，這個功能由止球器(pig stopper)來實現。如圖10所示，止球器由一根圓鋼和頂部的擋板組成，根據隊尾的第一個清管球的位置計算出圓鋼的長度，圓鋼的直徑一般為球筒內徑的1/3左右，止球器的擋板用于固定清管球的位置，其直徑稍大于圓鋼直徑即可，但一定能充分接觸清管球的端部組件。止球器另一端固定于卡蘭的盲端，與卡蘭之間可以焊接，也可以用螺栓固定。

圖10 止球器示意圖

海上施工前，將所有清管球預裝入PLR球筒內，第一個清管球一定要頂到不能向前移動為止，說明其與止球器已經接觸，且定位到設計位置；同時，可以在頂入工具(如圓棒)上做好長度標記，確保每一個清管球都定位到設計位置，如圖11所示。

圖11 預裝清管球

在設計球筒時須注意，止球器的長度不能太短，因為止球器周圍的空間是用來存放清管球推出來的鐵屑和殘渣等的。如果止球器過短，會造成空間不夠，導致殘渣堆積到頂板以外，清管球無法精確定位，后續清管球無法正常進入收球筒。

2.4 溫度/壓力監測模塊設計

本案例要求PLR產品需具備水下壓力/溫度監測功能，用來監測海管水壓試驗時整條海管內介質的溫度/壓力變化，所以在球筒上設置壓力/溫度監測模塊，該模塊由水下球閥、管道及管件、hot-stab、溫度/壓力記錄儀(data logger)組成，其中，data logger與hot-stab公頭組裝在一起，由潛水員或ROV進行插拔，如圖12所示。選用雙通道hot stab，目的是一用一備。

圖12 溫度/壓力監測模塊

本案例選擇設置壓力/溫度監測模塊，優點是在海管試壓期間，會將溫度和壓力參數及曲線記錄在data logger上，允許施工船舶離開，去執行其他海上施工任務，不必在原地一直等24小時。待試壓結束后，由潛水員或ROV在水下讀取數據，或者將data logger取到船上進行數據讀取。

2.5 L型水下臨時PLR彎矩校核及應力校核

本案例選擇L型PLR，其通過水下連接器與海管終端單元(PLET)連接，因為其結構存在偏心的特點，所以整個PLR作用在連接器上的彎矩最大，作用于連接器上部彎管的應力最大，必須對兩者進行校核(見圖13)，確保連接器受到的彎矩小于廠家規定的許用彎矩，彎管所受應力小于標準要求的許用應力。

圖13 L型PLR彎矩和應力校核示意圖

具體計算方法如下：

(1)

MPLR=WPLR·L·g

(2)

ID=OD-2·t

(3)

(4)

(5)

σ=0.72·SMYS

(6)

(7)

(8)

式中：OD是球筒管道外徑，為168.3 m；ID是球筒管道內徑；t是球筒管道壁厚，為11 mm；WdryPLR是PLR在空氣中的重量；L是PLR重心到連接器管道軸心之間的距離，為2 236.35 mm；g是重力加速度；ρsteel是鐵的密度，為7 850 kg/m3；ρseawater是海水的密度，為1 033 kg/m3；SMYS是規定的最小屈服應力，為450 MPa；Ca是連接器的許用彎矩，為326.379 m·kN；WPLR是PLR在海水中的重量；MPLR是PLR作用于連接器處的實際彎矩；I是轉動慣量；σb是彎曲應力；σ是許用應力；UCCa是作用于連接器處的實際彎矩與連接器許用彎矩的比值;UCσ是作用于彎管處的彎曲應力與許用應力的比值，經過計算得出UCCa為0.162；UCσ為0.814，UCCa和UCσ都小于1，所以計算通過。

2.6 水下臨時PLR保護結構設計及吊裝分析

PLR結構框架的主要作用是保護閥門及管線，避免閥門及管線在吊裝、運輸等過程中磕碰等狀況的發生，且為支管等設備提供支撐，吊點設置在結構框架上。在滿足上述功能的前提下，結構設計力求簡易、輕量化。

主要的設計標準規范如表2所示。

表2 PLR結構設計主規范

PLR結構設計需要保證結構框架在陸地吊裝、海上運輸及海上吊裝中的結構強度。本案例對PLR在海上吊裝的結構強度及吊耳強度進行了校核，結構強度均滿足要求。具體計算過程請參考相關文獻[13]。

2.7 運輸框架設計

除了進行PLR本體設計外，還要考慮PLR運輸過程中的保護。PLR在運輸時須做好固定，有兩個原因： ①避免PLR磕碰、損壞；②除了配備持球器(pig retainer)的PLR以外，其他PLR的球筒要水平布置，以免清管球錯位，造成驅動管線無法驅動清管球。圖2中PLR下方為運輸框架。

2.8 PLR產品應用效果

本文技術成果已經成功應用于中國南海的陵水17-2項目，該項目共包括11個水下臨時PLR，均應用本文的技術成果進行設計，且PLR產品按照項目規格書進行了測試，測試結果均滿足要求，表3是具體測試項及測試結果，圖14所示為PLR翻轉測試現場；其中，10 in PLR和12 in PLR已經在10 in和12 in海底管道鋪設后的清管、試壓過程中得到了成功應用。圖15所示為10 in PLR實際用于10 in海底管道的清管和試壓工作。

上述示例證明，本文設計技術可靠，并且得到實際應用和驗證。

表3 陵水17-2項目PLR測試結果

圖14 陵水17-2項目PLR翻轉測試現場

圖15 陵水17-2項目PLR海上應用

3 結 語

深水油氣田開發是當前海上油氣勘探與開發的發展趨勢，隨著大型海上油氣藏的不斷發現和深海開發技術水平的不斷提高，全世界油氣田正由淺水轉向深水。臨時水下PLR是水下生產系統預調試，海管內流體應急置換等不可或缺的設備。但目前還沒有PLR相關的設計規程或文獻提供設計人員參考，使得各個項目的PLR產品設計形式多樣，且不是最優最簡設計，從而增加了項目成本。本文通過實例計算，詳細闡述了PLR的設計方案和計算方法，計算結果表明該PLR產品滿足深水環境的使用要求，且形式最簡單，結構最優化。本文為設計人員提供了指導和參考，使讀者可以獨立完成深水PLR產品設計。