深水壓力試驗中水下設備壓力設計

張 飛，李 剛，石 磊，曹 永

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

壓力試驗是保障深水水下設施及海底管道強度、密封可靠性的重要手段。安裝后的水下設施與海底管道通常作為一個整體進行壓力試驗，其試驗壓力、水壓時間依據相關設計規范確定。海底管道設計規范主要包括DNVGL ST F101—2017《Submarine Pipeline Systems》［1］、API RP 1111—2015 《Design，Construction,Operation,and Maintenance of Offshore Hydrocarbon Pipel-ines （Limit State Design）》［2］、ASME B31.4—2016《Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids》［3］、ASME B31.8—2016《Gas Transmission and Distribution Piping System》［4］等。應用這些標準確定海底管道水壓試驗的壓力時，應考慮海底管道水壓試驗對水下設施的影響。在淺水應用條件下，海底管道的水壓試驗對水下設施的影響可以忽略。文中對深水條件下海底管道系統受立管中液柱高差產生的壓力影響進行探討。

1 水下設施受壓條件分析

海底管道系統中，管內液柱高度和管外海水靜水壓力可以平衡，不會因水深而引起超壓，而水下設施則不一定。水下設施一般由1個或多個水下設備、管道以及結構組成，某些水下設備含有多道密封或具有圈閉空間，內部壓力和外部海水靜水壓力作用不在同一部件上，無法平衡內外部壓力，因此需要結合最大內部壓力進行設計。設計過程中涉及的水下設備部件包括水下閥門［5-6］的閥桿密封組件和 O型密封圈（圖 1）、水下連接器［7］的金屬密封和O型密封圈（圖2）以及壓力傳感器的隔膜等。常見水下設備工廠水壓試驗壓力條件包括，①水下閥門的閥座密封測試壓力為1.1倍額定工作壓力。②水下閥門的閥體水壓試驗壓力為1.5倍額定工作壓力（閥門半開狀態）。③水下連接器的工廠水壓試驗壓力一般為1.5倍額定工作壓力。

圖1 水下閥門的閥桿和閥蓋密封

圖2 水下連接器的密封構造

水下設備與水下設施集成為一體進行水壓試驗 （包括水下設施的工廠測試）。無法平衡內、外部壓力而且水壓試驗壓力超過上述規定壓力的水下設備，需要進行單獨評定和測試。例如，水下閥門在全開啟或全關閉狀態下的測試壓力不要超過1.1倍額定工作壓力，半開狀態下最大不要超過1.5倍額定工作壓力。但是半開狀態閥座和球體只是部分接觸，對閥座彈簧推力有影響，該狀態持續時間不宜過長，工廠測試時間一般小于4 h。有些設備廠家會要求設備安裝后的試驗壓力不能超過額定工作壓力，所以在設備采購中需要結合工程實際條件與廠家澄清和明確相關的要求。

2 海底管道系統深水壓差效應

按照 API 17TR11—2015《Pressure Effects on Subsea Hardware during Flowline Pressure Testing in Deep Water》［8］中的定義，深水海底管道壓力試驗中水下設備額定工作壓力（RWP）為按照規范要求的設備標準壓力系列，絕對額定工作壓力（RWPa）為只考慮內壓的設備或材料的額定工作壓力，壓差額定工作壓力（RWPd）為考慮內、外壓差后的設備或材料的額定工作壓力。壓差額定工作壓力主要適用于內、外壓差能夠平衡并且可承受更高內部壓力的設備或材料。API 17TR11—2015介紹了5種深水壓力試驗下的水下設備壓差效應情況。

2.1 情況1

水下試驗壓力等于或小于絕對額定工作壓力。通常情況下，情況1的使用條件是設計時需要遵守的，對設備和材料不會有損害，不需要特別的評定工作。

2.2 情況2

水下試驗壓力大于RWPa但小于等于RWPd。由于超過了RWPa，使用者或操作方需要咨詢設備廠家以確認該壓力不會對設備的部件產生影響。尤其是針對所闡述的應用場合，對于水下閥門等設備可能會要求廠家對相應部件進行適應性設計和測試，并完成評定。

2.3 情況3

水下試驗壓力大于RWPd但小于等于1.5倍RWPa。這種情況下，水壓試驗壓力大于壓差額定壓力但是小于設備的工廠接收試驗 （FAT）的壓力，通常為1.25倍或1.5倍RWPa，和情況2一樣，使用者或操作方需要咨詢設備廠家以確認該壓力不會對設備的部件產生影響，對于水下閥門等設備可能會要求廠家對相應部件進行適應性設計和測試，并完成評定。對于水下閥門，如果確實需要壓力試驗至1.5倍RWPa，可以考慮將閥門半開，使閥體承受較大的試驗壓力，但是不建議超過閥門的FAT殼體試驗壓力（1.5倍額定工作壓力）和試驗時間（比如4 h）。有些設備廠家可能建議水壓試驗在FAT試驗壓力的基礎上留出一定余量即可，比如不超過90%的FAT試驗壓力，但是針對這一點還沒有形成統一的標準要求。

2.4 情況4

水下試驗壓力大于1.5倍RWPa但小于等于1.5倍RWPd。除非特殊情況，不要出現水壓試驗壓力大于1.5倍RWPa，否則應進行評估、設計以及評定測試，尤其是針對多道密封構件、承受圈閉壓力部件的設備。評定測試時需要精確模擬水下試驗時設備部件所承受的最大內部壓力和外部壓力，以及能夠涵蓋水壓試驗實際打壓的時間和試驗次數。模擬測試結束后還應對部件進行性能試驗 （比如，API 6A—2010 《Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment》［9］性能等級PR2），以驗證部件的使用性能是否滿足設計要求。

API 17TR12—2015 《Consideration of External Pressure in the Design and Pressure Rating of Subsea Equipment》［10］針對上述情況下的設備設計進行了闡述，具體見第4節內容。

2.5 情況5

水下試驗壓力大于1.5倍RWPd。此情況應該盡量避免。設備部件在1.5倍RWPd的峰值應力應已接近材料的屈服應力，且海上水壓試驗一般比FAT的保壓時間長得多，這種高應力且長時間承壓情況很可能造成設備的損壞。

2.6 應用建議

對于新建的海底管道和水下設施，如果能夠將深水海底管道和深水立管有效隔離，比如立管底部基盤或管端水下設施PLET［11］上有合適的壓力等級的隔離閥門，可按API 17TR11—2015中的建議分別對海底管道和立管進行單獨試壓，這樣海底管道部分就不用考慮內部水柱水深靜水壓力的影響，但需要注意立管底部的隔離閥是否超過閥門的額定工作壓力。對于舊的或長期存儲的水下設施，則應進行單獨的評估。

3 外壓作用下水下設備評估

深水壓力試驗的水下設備壓力設計實際上是設備承受外壓情況下的一個典型情況。對于一般情況，API 17TR12—2015為承受外壓情況下的設備評估給出了推薦做法，見圖3［10］。圖3中，DAWP表示深度調節工作壓力，SWD表示指定的水深，DWP表示工作壓力壓差。

圖3 外壓作用下水下設備設計評估流程圖

外壓作用下水下設備主要評估過程包括，①全面了解系統/設備的運行和功能特性。②進行危險識別/風險評估。③確定設備類別，包括承壓設備、帶圈閉壓力的承壓設備、控壓設備。④有限元分析(FEA)。⑤采用馮米塞斯應力，更準確地預測應力狀態。⑥為保護下列情況而進行的核查，包括局部失效/局部應力集中、棘輪效應的影響。⑦FEA結果(應力)應符合適用的設計規范。⑧在高壓艙中測試或用測試夾具模擬外部壓力。⑨對于不適合進行高壓測試的大型部件，可以通過ASME VV-10—2006 《Guide for Verification and Validation in Computational Solid Mechanics》［12］進行 FEA 驗證。⑩FAT 符合產品規范。

4 南海某深水氣田項目水壓試驗設計考慮

4.1 立管系統布局［13］

南海某氣田項目采用水下生產系統進行開發，應用水深1 300～1 550 m，屬于典型的深水開發項目。水下設施和上部依托設備通過1條直徑45.72 cm（18 英寸）的立管（所在水深 1 367 m）連接為一體。立管采用鋼懸鏈線立管（SCR），底部設有1個海底管道終端設施PLET。該氣田海底管道和立管系統的設計壓力為21.3 MPa,整個系統布局見圖4。

圖4 南海某氣田立管系統布局示圖

4.2 立管水下設備壓力設計［14-16］

4.2.1 按淺水項目

水下閥門和連接器的額定工作壓力主要依據為海底管道的設計壓力pd。已知pd=21.3 MPa，則水壓試驗壓力pt=1.25pd=26.63 MPa。根據計算結果選擇額定工作壓力為34.5 MPa（5 000 psi）的水下閥門和連接器即可滿足要求，且還有一定的余量。

4.2.2 按深水項目

水面上部壓力測試入口的水壓試驗壓力pt=1.25pd=26.63 MPa。水深產生的液柱壓力ph=ρgh。其中，試驗介質密度 ρ=1.025 kg/m3，重力系數g=9.8 N/kg，水深h=1 367 m。帶入數值計算，得到ph=13.73 MPa。水下設施內部的試驗壓力 pt+ph=26.63+13.73=40.36（MPa）。

可以看出，在這個水深條件下，水下設備的試驗壓力超過了 34.5 MPa（5 000 psi）。按照API 6A—2010劃分的額定壓力等級 （3 000 psi、5 000 psi、10 000 psi、15 000 psi 等），需要選擇 10 000 psi（69 MPa）這一級才能滿足要求，與40.36 MPa的設計壓力相比余量較大。

經過和各制造廠家充分溝通，廠家擁有51.75 MPa（7 500 psi）額定壓力等級的成熟產品（之前經過完整的評定測試并有供貨業績），所以從安全和經濟性兩方面綜合考慮，最后將立管PLET上的閥門和連接器的額定工作壓力等級確定為 51.75 MPa（7 500 psi）。

5 結語

深水條件下的海底管道系統水壓試驗中，立管中液柱高差會對水下設施承受外壓的定量產生影響。水下設備承受的內、外壓力不能簡單抵消。對于含有多道密封或具有圈閉空間的水下設備，內部壓力和外部海水靜水壓力并不作用在同一部件上，無法平衡內、外部壓力，需要結合最大內部壓力進行設計。對于API 17TR11—2015中說明的5種不同的深水壓力試驗水下設備壓差效應情況，通常情況1的使用條件是需要遵守的，否則可能會對設備造成損害，需要咨詢設備廠家的正式意見，或者結合具體應用條件進行專門的評定和測試。

深水開發在國內還處于起步階段，國內的設備生產廠家不應只關注設備本身，還應關注深水工程實施中的具體問題。工程設計方也需對水下設備的結構特點和限制條件深入研究，二者應有機結合。