海管终端连接装置设计研究

吴旭维, 李 晋, 杨士明, 韩 旭, 赵周林

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452 )



海管终端连接装置设计研究

吴旭维, 李 晋, 杨士明, 韩 旭, 赵周林

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452 )

该文对水下海管终端连接装置进行研究，自主设计并建造了一种展翼式海管终端连接装置，同时在我国南海300 m水深某油田得到实际应用，实现了水下系统管道连接领域的国产化。结合此装置积累的实际经验，重点介绍其设计和建造过程中主要考虑的问题和解决方法，对今后类似项目有一定的借鉴作用。

水下生产系统；海管终端连接装置；海管；接头

0 引言

近年来，随着陆上和近海油气资源的日益枯竭，油气田开发逐步从近海走向深水领域。使用水下生产系统开发深水油气田，可以避免建造昂贵的海上采油平台，节省大量建设投资，而且水下生产系统受天气影响较小，可靠性强，因此成为开采边际油气田和深水油气田的关键技术。水下生产系统在国外经过了大量的工程项目实践检验，对于3 000 m水深以内的水下生产系统设计、建造、安装技术已经比较成熟。我国深水油气田开发起步较晚，水下生产系统还处于起步阶段，在应用方面缺乏实际经验，这一现状影响了我国深海油气资源的开发。因此开展水下生产技术的研究，实现水下生产设施国产化对我国适应未来深水油气田的开发是十分必要的。

1 水下生产系统

我国南海某油田的水下生产系统如图1所示，由井口、采油树、水下管汇、海管终端连接装置(Pipeline End Terminal，简称PLET)、脐带缆终端分配装置、跨接管、海管及脐带缆等构成。多个井口油气通过跨接管与水下管汇汇集后，再由跨接管与海管终端连接装置相连，最终输送到接收终端，而控制信号、动力源及化学药剂等通过脐带缆与脐带缆终端分配装置输送至各个控制点和注入口。

图1 典型的水下生产系统

2 海管终端连接装置

海管终端连接装置(PLET)与跨接管一起用于连接海管与水下管汇，一般情况下立式连接较卧式连接简单经济。图2为国外某公司的PLET模型，图3为我国首个自主设计和建造的PLET，并在南海某油田中实现了首次国产化应用。如图3所示，该PLET接头为国外公司提供，用以连接跨接管，因PLET在铺管过程中需要通过铺管船上的流水作业线，因此设计成可拆卸展翼式。PLET入水后浮子钩连接浮筒以保持其在水中平衡，留尾钩连接留尾绳以控制其平缓下降着床，下降至海底一段距离后，在ROV(水下机器人)的操控下，使其顺利展翼并最终平稳地坐落在预设着床位置，为海管连接做好准备。

图2 国外某公司PLET 图3 南海某油田PLET

3 工艺与设计要求

3.1 总体要求

海洋石油行业具有高风险、高投入、高回报的特点，要求水下设施满足3R要求(Reliability可靠性，Redundancy冗余性，Retrievability可回收性)，因此对PLET的设计、选材、制造、检验和功能测试等提出了更高的要求。PLET主体采用ISO13628或API 17《水下生产系统设计与操作》设计，其中海管部分采用DNV-OS-F101 《海底管线系统》设计，同时还要满足国内相关法律法规的要求。设计过程中除考虑管内介质对结构的影响外，还要考虑外部洋流、渔网拖拽、抛锚撞击等生命周期内的所有外部因素对结构的影响。

3.2 基础要求

考虑PLET着床位置的土壤松软情况、海床地势平坦程度等因素，采用防沉板扎入海底的方式进行作业。防沉板设计成上部为普通带孔钢板，以承载PLET，防止其下沉，使其能够在防沉板上相对滑动，以抵消海管伸缩对其产生的轴向负载，洋流对其产生的横向负载，弯矩对基础的不均匀沉降。防沉板下部设置成可扎入海床的型钢以固定于海床之上。

3.3 安装要求

在安装至最后一段海管时，预先下放海管至海底，以最大限度释放长距离铺管所引起的过大扭矩和轴向位移，否则会导致PLET着床位置定位偏差和结构额外负载过大，在内部介质和外部洋流等因素共同作用下发生强度失效、过大倾斜、甚至倾覆。

3.4 结构设计要求

为清管需要，PLET内的海管需与外部海管材料和壁厚保持一致，然而其受力情况却比海管复杂得多，因此对于浮子钩和留尾钩的作用点附近进行局部应力分析，该部位采用整体锻件以保证强度，而海管主体则通过展翼结构来支撑，以克服外部因素对其影响。PLET其他部分作为辅助结构，除了考虑结构自重、着床冲击、洋流、腐蚀等因素的影响外，还要预留足够的空间为ROV对PLET进行水下测试与操作，因此PLET不应设计得太紧凑。

4 建造与测试要求

4.1 PLET制造难点

PLET的着床精度直接影响海管连接的难易程度，水下安装的成本要远远高于陆地安装，因此为降低水下安装难度，应尽可能提高陆地建造精度。然而PLET大多数零部件为焊接形式，且存在大量运动副，如果对精度提出过高要求，不但增加了建造成本，而且结构可靠性往往也会降低。因此，在综合考虑经济性和可靠性的基础上，制造PLET的最大难点在于焊接件的变形控制和展翼着床精度控制。

4.2 焊接件的变形控制

PLET结构设计成可拆卸式，存在很多管插管结构，如图4所示。这种管插管结构一直是钢结构工程中一个难点，悬臂管长度越长，两管间隙越小，制造难度越大。组对时，预先使悬臂小管插入大管，间隙内均布1 mm～3 mm间隙片，其值等于大小管间隙，5组悬臂管同时采用小电流氩弧焊对称焊接，焊接完成后，加温焊缝以释放应力，待焊缝冷却后，移除间隙片和小管，进行试拆和试装，对局部卡住的部分进行打磨处理，最终使得所有管插管结构能够自由插入。

图4 多悬臂管插管结构

4.3 展翼着床精度控制

图5 展翼误差分析

PLET着床展翼主要控制点为着床位置精度和PLET接头竖直度。着床位置精度由铺管方法控制，精度一般控制在米级，接头竖直度由防沉板水平度和PLET接头垂直度控制。防沉板水平度在水下控制较难，因此竖直度控制的最有效方法是把PLET展翼着床后接头的垂直度控制在0.5°范围内。如图5所示，该PLET存在14处管插管结构，24处转动副，8处移动副。误差主要由运动副间隙误差、结构件长度误差、展翼角度误差、焊接变形误差等累计而成，其中运动副间隙误差和焊接变形误差占主要地位。间隙越大，可靠性越好，但着床精度越低，因此为同时保证可靠性和精度，以小热输入、对称焊接来控制变形、减小误差，以工厂展翼后调节翼尾插入深度、调平翼尾滑板的方法来补偿运动副间隙误差，最终把PLET接头的垂直度控制在设计范围内。

4.4 试验和测试要求

PLET制造过程中和完成后需要做各种强度试验和性能测试，以验证其能够满足3R要求。当主结构海管焊接完成后，做通径试验以确保该段海管内部无过大焊瘤，可以满足后续水下清管作业要求；通径试验完成后对海管段进行水压试验，验证其满足强度要求；整个结构完成之后，需模拟海上安装工况，做翼尾插入翼根可靠性测试，做展翼测试，做浮子钩和留尾钩转向测试，模拟ROV机械手对PLET进行水下操控测试。

5 结论

尽管PLET走出了水下系统国产化的第一步，但不难发现离完全国产化还有很多路要走。在所有水下对接装置中，包括PLET、JUMPER等，海管对接接头作为其核心部件尚没有能力国产化，仍然处于攻关阶段。然而，国内某些高校也对海管连接器进行了很多理论研究工作，制成了各种实验样机，通过各项实验室水池模拟实验，取得了很大的进步，但一直没有经过实际应用的检验。今后各水下油气田业主应考虑首先以备用方案使用国产设备，直至完全推广，为PLET完全国产化提供。

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The Research on Subsea Pipeline End Terminal

WU Xu-wei, LI Jin, YANG Shi-ming, HAN Xu, ZHAO Zhou-lin

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd， Tianjin 300452， China)

Researched on the subsea pipeline end terminal(PLET), independently designed and constructed a type of PLET with spread wings, and has been applied in an oilfields of 300m water depth in the South China Sea , and domestically applied in subsea pipe connection field of subsea production system(SPS). Then, Combined with the actual experiences, specially introduced the main problems and it’s resolvents in design and fabrication process, and given a useful reference in similar further project.

SPS; PLET; subsea pipeline; connector

2014-01-15

吴旭维(1982-)，男，工程师。

1001-4500(2015)03-0007-04

P75

A