中国船级社 万 波 杨清峡 王 泓 海洋石油工程股份有限公司 琚选择 中国石油大学 李育房

海洋石油工程特别是深水作业平台是一个庞大的系统工程。除从外观上能看到的巨大的外壳、复杂的甲板机械设备外，还有一个重要的组成部分就是水下生产系统。其专业性强、技术含量高、可靠性要求高，是深水开发方案中非常重要的系统，也是一个充满挑战的领域。

水下管汇是一种由金属制造的大型设备，主要由管道和阀门组成，其技术十分复杂。深水管汇可以将不同井口产出的油气输送到一条单独的管线中，也可对不同的井口进行注水、注气和注化学药剂等工作。

目前，ISO13628-15标准是专门针对水下连接系统的标准，一般来说，ISO13628-1以及其等效标准API17A和GB/T21412.1中对水下设备的一般要求都要考虑，尤其是安装、实验与拆除部分；同时管路的设计还应参照ASME B31.3、ASME B31.8标准；焊接采用AWS D1.1/D1.1M标准；电气及电 缆 参 照IEC60885、IEC60811、IEC60794等标准。

从主性能、主功能的实现及安全的角度，结合水下安装、测试、维护的特点，水下管汇设计验证的关键要点归纳为以下几点：

（1）水下管汇的整体性能和功能验证；

（2）保证水下管汇的强度和密封性的设计、材料及防腐要求，以保证水下管汇的基本性能要求；

（3）水下管汇的安装工具的功能要求，包括ROV 操作介面（interface）的要求；

（4）制造过程中关键点的质量控制。

水下管汇设计验证标准

水下管汇是水下生产系统的重要组成部分。除水下管汇外，水下生产系统还主要包括：水下采油树、跨接管、脐带缆、水下终端、控制系统、海底管线以及管线终端。水下生产系统如图1所示。依据ISO13628-15水下管汇的定义如下：由管汇连接器，分支管和阀门组成的系统，用于水下油气的集输，可对不同的井口进行注水、注气和注化学药剂等工作。典型的水下管汇如图2所示。

图1 水下生产系统Fig.1 Subsea production systems

图2 水下管汇Fig.2 Subsea Manifold

水下生产系统设计验证相关标准较为全面的是API6A、API 17系 列 标 准、ISO13628系 列 标准和NORSK标准，国内采用了ISO13628系列标准而制定了GB/T 21412系列国家标准。这些标准可分为两部分，一部分是水下生产系统总体要求标准，如API17A、ISO13628-1和GB/T21412.1标准；另一部分是水下生产系统各个部分的标准。

水下管汇是水下生产系统中的一部分，是与其他设备共同完成采油、注入等生产任务的。所以，水下管汇设计验证，可参考的标准除了管汇的专业标准ISO13628-15外，还应结合水下生产系统中的其他标准，如ROV操作介面要求，水下接头等相关标准。可参考的标准主要如表1所示。

表1 水下管汇设计验证参考标准Table 1 Reference standard for design veri fi cation of subsea manifold

性能验证实验（PVT）

性能验证实验一般应验证水下管汇在额定的压力、温度和材料级别相适应的试验流体中的条件下，其性能符合设计及其适用规范、标准的要求，包括承载能力、操作力或操作扭矩的验证 。

ISO13628-15标准中没有给出水下管汇的性能验证实验程序，其性能验证实验可参照API 6A附 录F、ISO13628-4 5.1.7、ISO10423附录F[12]及等效的国标GB/T21412.4 5.1.7[13]、GB/T 22513-2008附录E[14]。通过对比分析，并结合水下管汇的特点总结出水下管汇性能验证试验（PVT）主要包括管汇本体在室温下的静水压力试验、室温下的气压试验、阀的性能鉴定试验、操作性能试验等。

1. 静水压实验和气压实验

接受准则:

1） 室温下的静水压试验：

室温下的静水压试验，在规定的试验保压期间无可见泄漏，应予验收。保压期间压力测量装置上观测到的压力变化，应小于试验压力的5%或3.45MPa（500psi），择其小者。

2） 室温下的气压试验：

在性能鉴定试验前，应满足所有生产试验要求。室温下的气压试验，若无可见连续气泡，应予验收。若观测到泄漏，则在大气压下观测得到的泄漏量，在规定的保压期间应小于表API 6A附录F.1的规定。

试验压力:

参考ISO10423标准，对于水下管汇，本体静水压力试验压力最低应为额定工作压力的1.5倍；气压试验的试验压力应等于设备的额定工作压力。

2. 静水压力循环试验

接受准则:

1）通过前后两次的标准静水压（或气压，如适用）试验，来检验经过静水压循环之后的承压完整性。

2）标准静水压（或气压，如适用）试验：参考静水压试验和气压试验接受准则。

试验压力:

1）静水压循环压力：额定工作压力。

2）标准静水压（或气压，如适用）试验压力：参考静水压试验和气压试验。

循环次数:

对于静水压力循环试验次数，ISO13628-15标准中没有明确给出，可以参照ISO13628-4标准中水下井口和采油树的最低测试要求，见下表2。

表2 水下井口和采油树压力循环试验要求Table1 Test requirements of pressure cycling test for subsea wellhead and tree equipment

从表2可知，水下管汇压力循环试验的循环次数可定为200次。

3. 阀的性能鉴定试验

阀的性能鉴定试验包括：室温下的开启/关闭循环动态压力试验、室温下的低压阀座试验、最高/最低温度下的开启/关闭循环动态气压试验、最高/最低温度下低压阀座试验、封存流体兼容性、操作力或扭矩、压力/温度循环。

工厂验收实验（FAT）

水下管汇的功能及性能试验，一般原则是在陆上尽可能地模拟出水下所有工况过程，主要水下设备的试验大纲应进行批准。设备的单个部件及组装件，以及设备之间、设备与工具之间的接口配合，应符合规定的要求，并通过工厂验收试验（FAT）予以验证。

水下管汇的测试内容主要包括功能测试、组件压力测试、和ROV操作介面测试。

工厂接收试验应根据ISO13628-15 6 Validation and verification of design进行。

工厂验收试验一般涵盖以下项目：

（1）各个部件测试；

（2）可能时用真实的水下设备和工具进行组装配合和功能测试；

（3）可能时用真实的水下设备和工具进行接口检查；

（4）互换性测试；

（5）液压试验：

a）包括操作压力下的阀密封测试；

b） 确认管线准则要求；

c）持续时间可根据设计准则，如果没有规定，推荐1小时；

d） 包括密封试验和端口封闭。

根据ISO13628-15以及相关水下生产系统标准，水下管汇FAT测试工艺程序如图3所示。

系统完整性实验（SIT）

1. 一般要求

图3 水下管汇FAT测试工艺程序Fig.3 Subsea manifold FAT procedure

试验的目的是为了在陆上模拟所有可能在海上进行的操作，并在一定的程度上验证所有永久安装于海底的相关的设备/系统。

系统完整性试验应根据ISO13628-15 6 Validation and verification of design 6.2.3 System integration testing进行。

系统完整性试验一般包括：

（1）部件和子系统完整性试验和记录；

（2）最终功能试验和记录，包括孔测试和泄漏试验；

（3）最终的电控和液压控制接口功能试验和记录；

（4）所有连接部件和模块的方向和引导配合测试和记录；

（5）模拟实际安装、干预和产品模式操作，以确认和优化相关程序和规格书；

（6）在实际中可能遇到的特殊条件包括极端恶劣条件下操作，以发现系统、工具和程序中的任何不足；

（7）在相关实际条件下进行操作，关停操作，以提供诸如响应时间之类的系统数据；

（8）安装、装配试验，以验证设备可以按程序进行装配（必要时在湿的条件下），并完成其功能；

（9） 用适合的流体和滑油装填，按规格进行清洁、防护和包装。

（10） 相关水下结构之间的连接试验：

① 利用ROV操作工具，对水下连接器的连接、锁紧及拆卸功能进行功能完整性测试；

② 测试密封圈更换功能、毂清洁功能。

（11） 修井控制系统对管汇/基盘的功能试验；

（12） 控制箱的运行和复位；

（13） 脐带缆（液压/化学注入管线和电连接）的连接试验；

（14） 管汇系统重装后的公差检查；

（15） 通球试验。

2. ROV与安装工具介入（Interface）试验

ROV功能及可接近性试验:

大型管汇的ROV操作阀门众多，所以ROV介入测试非常重要。

要求所有ROV工具应在水下管汇的ROV介面上进行测试，ROV及其机械臂与安装工具邻近结构、管路无碰撞，并能实现其预定功能。

依据技术规格书的要求进行的系统完整性试验，主要有（但不限于）：

（1）ROV与管汇ROV操作面板的接口试验；同时测试阀门位置指示器能否正确指示；

（2） 管汇上收发器的下放试验；

（3） 管汇的吊装试验；

（4） 下放/安装工具接口试验；

（5）支撑与保护结构的展开与收起。

ROV停靠及可接近性试验:

（1）该测试可用与水下机器人一样尺寸的模型进行模拟试验，目的是为了检查水下机器人能在水下顺利固定在设备上；

（2）所有水下机器人固定梁的都应进行该试验。

结论

1. 水下管汇作为水下生产系统重要组成部分，其整体性能和功能设计验证是保证管汇性能和功能实现的必要过程，以使由于设计缺陷、制造过程质量控制缺陷、测试不到位等导致的设备质量不达标的风险降至最低。

2. 本文依据相关标准和工程经验，从水下管汇设计验证标准、PVT、FAT、SIT四个方面给出较为详细、完整的设计验证方法，为将来标准解释和制订完善适合国产化的标准提供了技术参考。

3. CCS可提供的服务：

（1）水下生产系统、控制系统的设计审查；

（2）产品的原型试验鉴定；

（3）水下生产设备、控制设备、分离设备、增压设备鉴证检验：

制造过程检验；工厂/出厂试验（FAT）；延伸工厂试验（EFAT）；系统完整性试验（SIT）；场地接收试验（SAT）；安装与回收等。

4. 客户获益：

（1）水下生产系统包括控制系统与设备符合我国主管机关（国家安监生产监督总局）的相应要求；整个水下生产系统获得CCS签发的符合证书。

（2） 水下生产设备、控制设备、分离设备、增压设备等产品获得CCS签发的“海上固定设施产品检验证书”。

（3）新产品的设计获得CCS的认可。