水下M形剛性跨接管關(guān)鍵制造技術(shù)

黃凱，陳建軍，呂英創(chuàng)，李大帥，韓泉涌

（海洋石油工程股份有限公司惠州分公司 516082）

1 引言

水下剛性跨接管主要用于水下油氣生產(chǎn)設(shè)施相互連接，使水下生產(chǎn)系統(tǒng)形成一個貫通的整體。相較于柔性跨接管，剛性跨接管具有制造、安裝難度小，成本低，適用水深范圍廣等特點[2]，在目前的水下油氣開采模式下，剛性跨接管應(yīng)用非常廣泛。南海某深水氣田群是我國第一個完全自營作業(yè)的大型深水氣田，最大作業(yè)水深超1500米，該項目的水下M形剛性跨接管創(chuàng)造了目前國內(nèi)同級別跨接管作業(yè)水深之最、同作業(yè)水深規(guī)格之最等多項記錄。本文根據(jù)該項目M形剛性跨接管的制造、測試經(jīng)驗，分析其中的關(guān)鍵制造技術(shù)。

2 M形剛性跨接管制造技術(shù)

2.1 M形剛性跨接管簡介

M形剛性跨接管主要由水下連接器、剛性管組成，其整體布局呈字母“M”形（圖1、圖2），剛性管一般為碳鋼管或CRA雙金屬復(fù)合管等剛性材料。由于功能設(shè)計、連接器操作方式等差異，有些跨接管還會安裝Tubing、ROV面板、VIV螺旋列板、浮力單元等附屬部件。水下連接器按接口方向分為水平連接器和垂直連接器，不同制造商的連接器在結(jié)構(gòu)和操作方式上存在差異[3]，配套的專用設(shè)備、工具以及使用方法也有所不同，跨接管制造過程中用于連接器位置調(diào)整的工裝在設(shè)計時應(yīng)對這些區(qū)別予以充分考慮。

圖1 M形剛性跨接管

圖2 M形剛性跨接管

CVC Connector Test Skid是跨接管陸地制造時用于模擬水下設(shè)備接口的結(jié)構(gòu)（圖3），該結(jié)構(gòu)上的Test Hub與水下設(shè)備接口采用了相同的設(shè)計，通過調(diào)節(jié)Test Skid上的定位螺母，能精確模擬水下接口位置狀態(tài)，連接器與Test Hub對接、鎖緊后，需進(jìn)行背壓測試來驗證連接器的密封性能，然后進(jìn)行總裝、附件安裝、測試等工作。

圖3 CVC Connector Test Skid

圖4 密封圈

為保證連接器與水下接口能精確對接，陸地制造時需依據(jù)水下測量數(shù)據(jù)精確調(diào)整出Test Hub位置，同一跨接管兩側(cè)連接器的高度、跨距偏差要控制在±20mm范圍內(nèi)，角度偏差控制在±0.5°以內(nèi)。由于連接器重量大，18”跨接管的垂直連接器單臺重量達(dá)11噸，跨接管整體重量布局呈“兩頭重中間輕”的狀態(tài)。在連接器支撐設(shè)計方面，應(yīng)著重于采用與Test Skid相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)，便于連接器的操作、調(diào)整，同時考慮支撐的承重能力以及承受橫向風(fēng)載時的安全性能。支撐布置方面，應(yīng)考慮連接器操作方式、方向、兩側(cè)連接器高差、中間水平段距地面高度等因素，同時避免支撐與跨接管產(chǎn)生干涉，便于焊接、測試等。對于小規(guī)格跨接管，中間水平段支撐間距不宜過大，以防止鋼管出現(xiàn)較大的下垂變形或晃動。

2.2 M形剛性制造關(guān)鍵點

（1）尺寸測量基準(zhǔn)點選擇

全站儀、電子水平尺是在制造過程中確?？缃庸艹叽鐪y量偏差滿足設(shè)計要求的高精度測量儀器，采用全站儀精確測量前，準(zhǔn)確選取基準(zhǔn)點（零點）對后續(xù)組成尺寸控制網(wǎng)至關(guān)重要，Test Hub與連接器相接觸的精加工剛性面稱為Hub Face，連接器鎖緊后，Hub Face位置、角度在無破壞性外力作用下沒有相對移動，測量時選擇Hub Face中心點作為基準(zhǔn)點（零點），能有效控制后續(xù)組網(wǎng)尺寸的累積誤差。

（2）現(xiàn)場焊口精確定位

跨接管高度一般在10～15米范圍內(nèi)，采用分段預(yù)制能最大限度將工作量放在地面，有效降低高空作業(yè)風(fēng)險，水平分段預(yù)制好后，預(yù)留3～5道現(xiàn)場總裝、調(diào)整焊口（圖5）。通過前期連接器角度調(diào)整，首尾“幾”字彎管段會出現(xiàn)相應(yīng)的角度，與底部水平段連接處會產(chǎn)生“拐點”，過大的“拐點”斜交角度不僅會造成應(yīng)力集中，也會影響焊縫的抗疲勞強度，在實際制造過程中，對于角度超過3°的斜交口，應(yīng)將其分解成2～3道口，逐段過渡，每道口的過度角度保證在2°以下（圖6），這種過渡方法可降低焊縫的應(yīng)力集中程度，保證抗疲勞強度滿足設(shè)計要求，采用全站儀也能精確測量斜交口的切割位置和角度，但過渡段數(shù)量應(yīng)盡可能少，以規(guī)避焊縫數(shù)量過多帶來的其他風(fēng)險。

圖5 跨接管分段預(yù)制、總裝

圖6 斜交口角度過渡示意

（3）CRA雙金屬復(fù)合管焊接

跨接管使用的剛性管通常為碳鋼管或CRA雙金屬復(fù)合管，目前，國內(nèi)的碳鋼管焊接工藝和質(zhì)量控制方法都比較成熟，但對于CRA雙金屬復(fù)合管的焊接（本項目復(fù)合層為Inconel625，基層為X65），因復(fù)合層厚度一般只有2～3mm，且存在厚度、圓度偏差，再加上坡口加工精度等問題，在焊接時很容易產(chǎn)生缺陷，因復(fù)合層的焊接都集中在焊縫根部，一旦產(chǎn)生缺陷，返修將會非常耗時費力，另外，復(fù)合層焊縫背面成形差，余高過大也會對跨接管通徑、通球造成卡阻風(fēng)險。

為保證CRA復(fù)合管的成型質(zhì)量以及一次焊接合格率，焊縫坡口加工質(zhì)量、組對尺寸、焊工培訓(xùn)、焊接設(shè)備選擇、焊接工藝、焊材等方面都應(yīng)嚴(yán)格加以控制。焊接方法上，手工氬弧焊（GTAW）目前廣泛應(yīng)用于CRA雙金屬復(fù)合管的焊接，GTAW成形效果好，熔池尺寸容易控制，能適應(yīng)全位置焊接，焊接合格率較高。但其熔覆效率低，導(dǎo)致生產(chǎn)效率不高。為提高焊接效率，本項目采用了TT自動焊接系統(tǒng)，經(jīng)過對比，使用TT自動焊接系統(tǒng)較常規(guī)焊接設(shè)備的焊接時間降低了30%以上，大幅提高了復(fù)合管的焊接效率，也使焊接質(zhì)量得到了可靠保證。

（4）測試

為驗證跨接管制造是否符合設(shè)計要求，需進(jìn)行嚴(yán)格的測試工作，跨接管的測試分為工廠接收測試（Factory Acceptance Test，F(xiàn)AT）、擴(kuò)展工廠接收測試（ExtendFactory Acceptance Test，EFAT）和系統(tǒng)集成測試（System Integration Test，SIT）[4]，EFAT、SIT在多數(shù)情況下會有重復(fù)的內(nèi)容，參與測試的人員需對測試程序、專用工具、設(shè)備操作非常熟悉。通過強化人員交底、培訓(xùn)，優(yōu)化測試流程，能有效節(jié)省測試時間和測試資源。

工廠接收測試（FAT&EFAT）是驗證跨接管整體制造是否符合設(shè)計要求的重要環(huán)節(jié)，F(xiàn)AT&EFAT不僅驗證了跨接管的設(shè)計符合性和合理性，同時也檢驗了跨接管的完整性和使用功能，F(xiàn)AT&EFAT流程如下：

系統(tǒng)集成測試（SIT）是驗證跨接管整體安裝性能的環(huán)節(jié)，由于跨接管在安裝時經(jīng)常會面臨嚴(yán)苛的海況，例如本文所述項目的安裝時間點基本集中在南海冬春季，這段時期海面風(fēng)力大，浪流復(fù)雜，跨接管下放至水下一千多米，以及吊具、安裝工具回收都會面臨各種不確定因素[5]。因此，通過SIT驗證跨接管的整體安裝性能就顯得尤為必要。SIT流程如下：

吊裝測試是SIT中驗證跨接管安裝性能的典型環(huán)節(jié)。吊裝測試不僅能檢驗連接器的入水狀態(tài)，也能檢驗整個系統(tǒng)的吊裝穩(wěn)定性。南海某深水項目跨接管規(guī)格從4.5”～18”不等，為保證在水下安裝時的安全性，以及連接器的準(zhǔn)確對接，所有跨接管在吊裝測試前都要對吊點、索具進(jìn)行準(zhǔn)確匹配。

由于跨接管整體呈“兩頭重中間輕”的重量布局，且連接器之間的跨距通常都有30～40米，直徑較大的跨接管（8”以上）因鋼管本身剛性較大，吊裝時連接器姿態(tài)更易保持，但對于小直徑跨接管（8”以下），因鋼管剛性較差，不合理的吊索具匹配，在吊裝時跨接管會產(chǎn)生很大撓度，連接器側(cè)會出現(xiàn)明顯下垂，難以保持已調(diào)整好的連接器對接姿態(tài)。對于此類跨接管，需重點考慮連接器側(cè)的吊索具匹配，根據(jù)試吊時的撓度大小及方向，吊索具長度需進(jìn)行適當(dāng)補償或縮減，同時，撓度較大的位置應(yīng)適當(dāng)增加吊點。

采用ANSYS仿真技術(shù)分析跨接管吊裝狀態(tài)是一種行之有效的方法，在分析過程中，采用Beam188、Link180、Solid185單元分別建立平衡梁、剛性管、吊索具、連接器模型，在連接器與剛性管之間建立耦合，由于吊裝過程較為勻速、緩慢，將整個吊裝系統(tǒng)簡化為承受慣性力的靜力系統(tǒng)，載荷為重力加速度，吊鉤處施加全約束，同時對面內(nèi)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動自由度進(jìn)行約束，求解后能直觀看出吊裝系統(tǒng)中各元件的受力和變形狀態(tài)。從下圖可以看出，跨接管吊裝經(jīng)過優(yōu)化后，應(yīng)力集中、吊裝姿態(tài)都得到了很大改善。

圖7 優(yōu)化前

圖8 優(yōu)化后

3 結(jié)論

南海某深水氣田開發(fā)項目M形剛性跨接管，最大作業(yè)水深超1500米，在整個制造過程中，通過對預(yù)制、測量、總裝、測試等工作的合理安排，并對關(guān)鍵工序進(jìn)行嚴(yán)格工藝控制和質(zhì)量把關(guān)，既保證了跨接管的質(zhì)量和工期要求，又降低了項目運行成本，為南海某深水氣田群的順利投產(chǎn)打下了堅實的基礎(chǔ)。本文通過對深水跨接管制造過程中的幾個關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，對后續(xù)同類型剛性跨接管制造提供了借鑒。

圖9 跨接管整體吊裝