水下吸力錨基礎式帶控制系統中心管匯制造技術

趙曉磊，趙瑞云，王 偉，陳金玉，王立坤

(海洋石油工程股份有限公司，天津300452)

隨著陸地及淺海油氣資源的日益枯竭，深海油氣田的開采量逐年增加，深水油氣開發已經成為能源發展的必由之路。水下生產系統由于可靠性高、經濟效益明顯，在全球范圍內，該種模式產值迅速增長，目前可開采水深已達3 000 m[1]。

我國南海油氣資源豐富，其中70%位于深水區，受技術限制影響，國內采用水下生產系統的油田較少。在國家“十二五”期間，通過大量的研究，我國已初步掌握了水下海管終端、水下跨接管等水下產品的制造、測試技術[2]。由于對水下中心管匯的組成、制造及測試工藝流程、關鍵技術要求不清楚，未知風險比較多，水下中心管匯的制造、測試技術依然被FMC、AKER SOLUTION等國外少數公司所壟斷。

本文通過對國內外水下管匯項目進行系統研究，選擇了深水典型水下吸力錨基礎式帶控制系統中心管匯為研究對象，從其組成、設備及材料接收技術要求、制造及測試工藝流程、技術控制風險點方面闡述了水下吸力錨式中心管匯的制造、測試技術。

1 水下中心管匯簡介

1.1 水下中心管匯的作用

水下中心管匯是深水油氣開采水下設施中必不可少的設施，主要匯集來自周圍水下采油樹的井液或天然氣，集水下閥門、水下連接器、水下控制模塊、支管、主管及附屬系統于一體，通常用來分配、控制、管理石油和天然氣的流動，或用于向水下油氣生產系統中注入化學藥劑，同時具備腐蝕、流量、溫度、壓力檢測等功能[3]。典型的水下中心管匯如圖1所示。

圖1 典型水下中心管匯示意

水下管匯的主要作用包括：

1) 水下管匯可以減少浮式裝置(平臺)上立管的數量，從而減少平臺所受載荷及節省平臺空間，并能降低管線成本。水下管匯具有將不同油井產出的油氣進行匯總，然后通過1根單獨的輸油管線(立管)輸送到儲油裝置的功能，這樣就避免了不同油井采用單獨的輸油管線向儲油裝置輸油的狀況。

2) 水下管匯在水面裝置安裝之前先進行安裝，從而縮短油田建設工期。

3) 水下管匯可以優化水下設施布局，若不采用水下管匯，輸油管線和水下設備數量將大幅增加，這樣對水下布局是個極大的挑戰。

1.2 水下管匯的種類

按照結構形式，水下中心管匯主要包括[4]：

1) 基盤式管匯(template manifold)。屬于早期的水下管匯，集水下采油樹、水下井口于一體，具有鉆井的功能。由于在鉆井時就需要安裝好，工期長，不適合深水。

2) 中心管匯(CM)。集水下閥門、管線、控制系統于一體，匯集來自周圍多口采油樹的井液或天然氣，適用于油氣田儲量比較大且集中油田的開發。建造完成之后單獨安裝，可以節省工期。而且水下管匯可以通過控制模塊對各井口進行控制，從整體上可以提高深水水下采油的可操作性。

3) 管線終端管匯(PLEM)。屬于中心管匯簡化的一種形式，適用于井口數較少時油氣田的開發，具備來自附近其它海底管道井液匯集功能。

4) 在線管匯(ILM)。用于在海底管線側面有油井時，且管匯需要與海管一起鋪設時采用的一種管匯結構。管匯需要同海底管線一同鋪設，結構尺寸要求比較高，尺寸較大則無法通過鋪管船的張緊器。

各形式管匯如圖2所示。

圖2 水下管匯的形式

1.3 水下中心管匯的基礎形式

基礎的作用是為水下管匯系統提供支撐，并將其裝配到海底，主要分為滑橇式、防沉板式、吸力錨式、樁基礎4種類型。

1) 滑撬式基礎。結構放置于海床表面上，對海底表面的承載力要求高，限制結構的質量，用于接頭數量少于 3且海底表面承載力高的情況。

2) 防沉板式基礎。防沉板式基礎依靠本身重量沉入海底一定的深度，通過擴大基礎的面積來增加基礎的承載力，通過與土壤的摩擦力來抵抗水平載荷。

3) 吸力錨基礎 。采用一種上端封閉、下端開口的鋼制桶形結構。通過頂部抽水孔實現負壓，將筒體壓入海底而提供較大的豎向承載力基礎。

4) 樁基礎 。傳統基礎，對于深水來說，安裝工期長、操作困難，受到天氣影響大，對于土壤條件可以應用吸力錨的情況，盡量不應用樁基礎，以便減小費用和工期。

2 水下吸力錨式帶控制系統中心管匯的組成

水下吸力錨式帶控制系統中心管匯一般由上部管匯結構、下部吸力錨式基礎兩部分組成，主要部件如圖3～4所示[5]。

圖3 上部管匯結構主要部件

圖4 下部吸力錨基礎主要部件

3 關鍵設備及材料接收技術要求

水下帶控制系統中心管匯涉及水下連接器、水下閥門、水下電接頭、水下多路液壓連接接頭、水下控制模塊、水下路由器等很多非常規設備及材料，其現場接收測試也是一項比較重要的內容，應滿足項目規格書、相關標準及規范的要求。

1) 水下連接器。

應對水下連接器及其附屬裝備的完備性進行檢查，主要包括對水下連接器、下放安裝工具、密封圈替換工具、試壓用壓力帽、長期壓力帽、水下機器人操作面板、連接器調整框架、液壓連接接頭等設備的型號、規格、數量，并通過實際連接操作完成現場接收測試[6]。

2) 水下多路液壓連接接頭。

應對水下多路液壓連接接頭及其附屬結構的完備性進行檢查，主要包括水下多路液壓連接接頭、測試結構、邏輯帽、防塵帽、長期封堵帽、專用操作工具、備品備件等設備的型號、規格、數量，并通過實際連接操作完成現場接收測試[7]。

3) 水下控制模塊。

水下控制模塊是接收平臺各種電力、液壓、光纖等控制信息，并傳給各個水下設備，并將水下設備監控的信息實時反饋至平臺的中控系統，相當于水下控制的“大腦”[8]， 應對水下控制模塊的到貨狀態進行檢查，具備包括水下控制模塊的完整性、回收工具、測試工機具等。

4) 水下復合管。

水下復合管接收關鍵技術要求：

①復合管復合層結合力、鐵元素稀釋率應符合規格書的相關要求。

②復合管堆焊的焊接工藝評定應包含以下測試內容：外觀檢查、PT、彎曲試驗、堆焊層宏觀、堆焊層化學成分分析、金相組織分析、G48點蝕試驗、硬度試驗、沖擊試驗。如規格書有要求，還應進行裂紋尖端張開位移測試。

③水下復合管彎管在彎制過程中很容易出現裂縫、彎后強度降低等問題，應重點控制。彎管的橢圓度、彎曲角度、彎曲半徑、減薄率、垂直度應符合規格書的相關要求。

4 制造工藝流程

1) 上部管匯結構。

上部管匯結構制造面臨焊接空間小、組裝精度要求高、工藝設備集中的特點，通過對某油田水下中心管匯進行深入研究，根據各專業工藝要求，結合建造場地的能力，編制了切實可行的上部管匯結構制造工藝流程，如圖5所示。

2) 下部吸力錨基礎。

根據海上油氣田開發需要，水下吸力錨基礎的質量從幾十噸至幾百噸不等，通過對某油田水下中心管匯吸力錨基礎深入研究，編制了吸力錨基礎立式制造工藝流程，如圖6所示。各項目應結合具體吸力錨的尺寸、安裝駁船能力確定吸力錨采用立式還是臥式的建造工藝。

在吸力錨基礎制造過程中，由于圓筒直徑可達幾十米，受卷板能力限制，其筒節一般由3片或更多片弧板焊接而成，在筒節焊接過程中需要專用的臨時工裝以控制焊接變形，臨時工裝如圖7所示。

3) 技術控制風險點。

在水下中心管匯制造過程中，存在很多技術風險點，應提前考慮解決措施，主要包括：

① 復合管、超級雙相不銹鋼流體管線及高強度儀表管線焊接質量是項目成敗的關鍵因素之一[9],應根據各個實際工程的需要，開展必要的焊接工藝評定工作，應覆蓋所有的焊接工作，各種水下設備、材料購置時，應一并購置焊接評定用測試環，并充分考慮焊接工藝評定對項目工期的影響。

② 水下流體管線焊接收縮問題，累積的收縮量可能導致部分設備無法組裝。

圖5 上部管匯結構制造工藝流程

圖6 吸力錨基礎制造工藝流程

圖7 筒節焊接臨時工裝

③ 多管束、三維走向儀表管線彎制精度要求比較高，焊接、無損檢測空間非常受限，應提前制定實施方案。

④ 液壓控制管線清洗的潔凈度要求達到清潔度SAE AS4059 CLASS 6 (B-F),且一般要求使用水基液壓油，防止可能的泄露對海水產生污染。

⑤ 應注意水下閥門、水下電飛線、水下連接器、水下牛眼等設備的安裝方向，一旦出現問題，可能影響后續海上安裝工作。

⑥ 水下管匯制造精度要求比較高，如水下連接器角度尺寸公差為±0.75°，應采取對稱施焊、預留調整段等方法控制最終產品的建造尺寸[10]。

⑦ 采用涂層時，金屬表面鹽分含量控制非常嚴格，要求小于35 mg/m2。

5 測試工藝流程

由于水下設備設計使用年限一般為20～25 a，出現任何的問題都需要大型的船舶資源進行維修，動輒幾千萬損失，因此出廠測試是保障水下中心管匯質量的重要手段。本著合理、高效、現場操作方便的原則，優化出廠測試工藝流程，如圖7所示[11-13]。

圖8 出廠測試流程

5 實施效果

形成的帶控制系統中心管匯制造技術已經成功應用于南海的流花、陵水、陸豐等水下項目，并經過了第三方船級社認證，擁有了超深水應用業績。

6 結語

通過對國內外水下中心管匯進行系統研究，詳細說明了水下吸力錨基礎式帶控制系統中心管匯的制造、測試工藝流程，識別了項目的風險點，為我國深水水下中心管匯制造、測試技術奠定了基礎。考慮到國內已具備深水帶控制系統水下生產設施總裝集成技術，后續重點應加強水下連接類、控制類、儀表類等關鍵設備、材料的研究，特別是加大水下設備可靠性、安全性、耐久性基礎性研究的投入，努力盡早實現整套水下生產系統的國產化，對于保障國家能源安全意義重大。