隨著我國海上油氣田開發逐步由淺水區域向深水領域挺進，水下生產系統在我國應用愈發廣泛 [1-3] 。在我國陸豐油田、番禺35-1/35-2氣田、崖城13-1氣田、荔灣3-1氣田等項目中雖然已經實現了水下生產系統的開采應用，但水下生產系統關鍵技術及核心設備設施卻長期受制于國外壟斷，很大程度上會制約我國深水油氣田項目的開發，影響我國深水油氣資源的開采。水下管匯是水下生產系統中的重要設備，也是保證水下油氣安全順利從井口輸送至海洋平臺的關鍵一環。

 

1 水下管匯系統設計原則

1.1 總體設計

          結合目標油田的油藏參數，進行工藝模擬計算包括物料熱量平衡計算，管道內防腐計算以及與化學注入的計算等，并考慮水深環境特點、計量要求、連接要求、控制方案等，綜合確定管匯的總體設計方案，包括管匯集成設施的布置、配管、材料選擇、防護要求、接口形式等。

 

1.2 控制系統設計

          水下管匯作為水下井口和水面生產設施之間的橋梁和通訊樞紐，對于控制信號的反應速度是重要設計指標，特別是對于緊急關斷或是安全保護信號的及時響應是關系到安全的關鍵因素。根據回接距離不同，通常采用全液壓控制或者復合電液控制方案，以提高控制系統的可靠性和響應速度。

 

1.3 擴展性和通用性

          水下管匯設計在確保基本功能和安全的同時，應盡量簡化系統配置，減少管匯的復雜性。針對項目中可能存在的未來周邊油氣的接入，建議管匯系統設計時考慮具備一定的擴展性，并適當增加設計余量保證管匯的通用性。

 

1.4 可操作性及可維護性

充分明確水下管匯集成設備設施的操作要求及維護內容，在管匯設計時應予以考慮。設計階段可采用三維模型進行ROV或潛水員操作及維護模擬，保證管匯設計合理性，滿足設施的可操作性和可維護性。2 水下管匯工程樣機的改造與集成設計分析結合水下管匯系統設計原則，對“十二五”階段研制的水下管匯樣機進行改造設計，以滿足“十三五”階段水下管匯工程樣機的功能性要求。

 

2.1 結構改造分析

          結構改造包括甲板拆除及結構框架改造。水下管匯頂層甲板拆除主要為管道法蘭拆除和設備拆除做準備。在甲板拆除設計中，要鑒別拆除所有頂層甲板的必要性及合理性，結合水下管匯設計特點，分析可采取的實施方案，如使用倒鏈、千斤頂等工具評估設備設施側面裝入的可行性等，從而減少拆除甲板的工程量。另外，拆除甲板切割時，盡量保持切口規整，以便在完成管匯設備集成后回裝利用，降低改造費用。拆除前后的管匯樣機頂甲板見圖1~2。

          對水下管匯結構框架進行改造為新設施提供安裝空間，結構框架改造設計還應滿足設備設施集成在管匯上的合理布置，并兼顧設備滿足操作空間要求。

 

2.2 管匯集成設計

          水下管匯集成設施包括如下工程樣機：水下閥門、多相流量計、水下連接器及水下控制模塊（即SCM）等。水下管匯的改造設計不僅要考慮工程樣機的尺寸、重量及集成位置，還要明確管匯與工程樣機之間的界面參數，如管線接口形式及材質規格、操作空間及要求、供電參數、供貨范圍等，確保改造設計的合理性及可實施性。

 

2.2.1 水下閥門

          水下管匯集成的水下閥門樣機包括1臺6寸閘閥和1臺12寸球閥，適用水深1500m，且配置ROV及液壓單作用執行機構。水下閘閥和球閥的主要參數見表1。水下管匯改造的集成設計考慮閥門尺寸、質量及操作要求，還要兼顧水下管匯與閥門的界面數據及供貨劃分，如閥門執行機構液壓接口螺紋口設計形式；為便于ROV操作的閥門墊塊供貨范圍；閥門袖管與水下管匯主管道材料匹配性（管匯材質為雙相不銹鋼）；對閥門袖管長度的要求等。

2.2.2 多相流量計

          水下管匯集成1臺多相流量計工程樣機，主要參數見表2。水下管匯改造設計要兼顧與多相流量計的界面參數，如水下多相流量計樣機兩個端面的6寸SPO法蘭是雙相不銹鋼材質，水下管匯應與其匹配對接；多相流量計兩端接入管道的袖管長度及材質應明確；供電飛線的接口位置及接頭類型。另外，多相流量計為精密設備，在管匯改造設計中考慮合理的安裝方式及防護要求，避免精密設備的損壞。

2.2.3 水下連接器

          在水下管匯改造設計中需確定與水下連接器的界面參數，包括垂直管匯連接器與水下管匯的接口尺寸，端口開坡口形式以及材料類型等。其中，水下管匯改造設計時所選材料需與該材料具有良好的焊接性能。

 

          另外，垂直連接器配有專用安裝工具，連接器的鎖緊及解鎖通過液壓及ROV配合操作。管匯改造設計應滿足連接器下放安裝及更換拆卸的操作空間及局部結構強度要求。

2.2.4 水下控制模塊

          水下管匯集成1臺水下控制模塊工程樣機（即SCM），系統設計采用開式復合電液控制，SCM為可回收設計，并需要專用回收設備配以ROV實施操作。SCM主要用于管匯閥門樣機的液壓開關控制、多相流量計的采集信號傳輸，以及管匯的溫度和壓力數據采集及傳輸。管匯改造設計應保證滿足SCM的安裝要求及操作空間，并兼顧減少管匯改造工程量。SCM為精密設備且需要進行水下回收，對安裝精度要求較高，在管匯改造設計中考慮合理的安裝方式及防護要求，避免精密設備的損壞。SCM及其配套安裝工具主要參數見表3。

          此外，水下管匯與SCM的界面接口數據也是改造設計中的關注重點，包括電飛線的接頭連接位置及飛線接頭的存放位置；SCM液壓液管線的輸入、輸出接頭尺寸及方位，與管匯液壓液輸入面板的接頭尺寸匹配性，以便管匯改造設計考慮是否需要變徑；SCM與水下管匯壓力溫度傳感器連接參數，如信號類型、量程等。

2.3 管匯改造施工設備

          水下管匯改造時的主要施工設備包括：25t汽車吊、磁力切割機、等離子切割機等。由于水下管匯的12寸及6寸管道材質為雙相不銹鋼，因此進行管段切除改造時，不能用普通火焰切割，必須用等離子切割機。

3 結束語

          本文對水下管匯系統設計原則進行了梳理，并基于科研工程樣機實例總結分析了水下管匯改造與集成設計的技術要點，對設計中如何減少改造工程量降低成本，合理布置集成的設備設施滿足操作要求，以及管匯設計中應關注的界面要求等設計要點進行歸納，為水下管匯工程樣機后續的陸上聯調測試及海試奠定了重要基礎，有助于推進深水管匯在我國深水海域油氣田開發中的應用，為深海油氣資源開發提供必要的技術支持。