应用于水下生产系统的临时水下收发球筒设计

李 刚，王会峰，孟宪武，孙雪梅，王凤云

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引 言

水下收发球筒(PLR)是水下生产系统预调试[1]、海管内流体应急置换等不可或缺的设备[2]，在深水油气田开发[3]和浅水边际油气田开发中[4-5]均有应用。随着全球在深水油气田开发领域的逐步深入，水下PLR已经成为保证油气田顺利投产、安全服役的重要设备。

1 简 介

水下PLR为临时设备，其功能如下： 在海管预调试期间，分别作为收球筒和发球筒，实现海管的清洗、测径、除水、惰化等操作。其原理是通过PLR支管的驱动管线对球筒内的清管球进行打压，从而按顺序发射清管球。

自1985年第一台水下清管器发射系统成功解决北海油田管道结蜡问题以来[6]，国外已经成功应用了多球式水下发球筒[7]，如1999年在英国北海投产的ETAP项目[8]，2001年在墨西哥湾投产的Serrano项目[9]等。目前，国外水下PLR的设计技术已经成熟，产品类型众多，因为与油气田的安装资源、水深以及生产的要求(预调试、生产过程中定期自动清管)有关，所以不同的承包商对于不同的油气田，其PLR有不同的设计风格。除了本文提到的I型、L型、一字型、U型PLR以外，英国的FES公司还设计了全包裹式水下PLR(见图1)。

图1 全包裹式水下PLR

虽然在我国南海的PY35-2/35-1、 LW3-1等项目中，水下临时PLR已经成功应用，但是PLR产品是由Technip、 Saipem等国外公司设计。目前我国水下PLR设计技术已经起步，通过相关科研课题的研究，已经掌握了水下PLR设计技术，海洋石油工程有限公司于2017年和2018年分别获得了一个实用新型专利[10]和一个发明专利[11]，并且成功应用在LH29-1、 LH16-2、 LS17-2等南海深水油气田开发项目中，实现了深水水下临时PLR的独立设计，打破了国外技术垄断。图2为中海油自主设计的PLR产品，已经应用于陵水17-2项目。

图2 陵水17-2项目PLR

1.1 水下PLR种类介绍

水下PLR从功能上可分为发球筒、收球筒、收发球筒；从应用范围上可分为浅水PLR(潜水员辅助作业)和深水PLR(ROV辅助作业)；从结构形式上可分为L型(见图3)、 U型PLR、一字型PLR(见图4)、 I型PLR。其中，一字型PLR一般应用于浅水，其他三种形式可应用于浅水和深水。

图3 L型PLR

图4 一字型PLR

1.2 典型水下临时PLR结构组成

水下临时PLR主要由以下几个部分组成(见图3和图4)[10-11]：

(1) 球筒： 用来装填清管球。

(2) 驱动管线： 连接在球筒上的支管，用来接收压力源，为驱动清管球提供动力。

(3) 温度/压力监测系统： 海底管道进行水压试验时，用来监测其内部的压力和温度。

(4) 保护结构： 保护水下阀门和热插拔接口(hot-stab)等重要设备，避免其在PLR运输和操作期间被撞坏。

(5) 连接系统： 用来连接PLR和海管终端设施的连接设备。深水PLR采用水下连接器，由水下机器人(ROV)操作；浅水PLR采用法兰，由潜水员操作。

(6) 拖拉封头： 仅存在于浅水PLR上。可以实现PLR与海管连接后一起铺设，不需要水下单独连接PLR。

1.3 PLR设计流程

PLR产品的设计需要考虑海上施工方的施工要求，设计成果需要得到业主和独立第三方的确认，才可以进行建造和应用，图5为典型的水下PLR设计流程框图。

图5 典型的水下PLR设计流程框图

2 主要研究内容与结果

本文将针对典型PLR产品，进行构件的选型以及分析计算，使读者掌握深水PLR设计要点，并可以独立完成PLR设计。

设计参数如表1所示。

表1 PLR设计参数

2.1 球筒设计

球筒(见图6)是收发清管球的载体，球筒长度主要由清管球的个数和长度确定，在满足操作的前提下，球筒长度要尽量短，以减小作用在连接器上的弯矩；本案例没有特殊要求，为降低卡球的风险，建议球筒弯管选用5倍D的曲率半径弯管(D为球筒管道外径)。

因为本案例PLR应用在水深339 m处，潜水员无法进行水下作业，所以PLR与海管的连接设备不能选择法兰，本案例选择水下无潜连接器。

球筒另一端的封堵设备建议选用卡兰或者紧凑型法兰，因为与标准ANSI 16.5的法兰相比，前者重量轻，占用空间小，便于操作。

2.2 驱动管线及构件选型设计

海管两端分别安装一个PLR，一端发球，另一端收球。驱动管线(kicker line)布置在球筒上方，结构形式上是球筒的支路管线，其作用是通过控制阀门的开、关来导入和控制驱动介质(水或气)，当PLR作为发球筒时，将目标清管球依次推出球筒。每一根驱动管线上都设有一个水下阀门，相邻两根驱动管线之间的距离必须是一个清管球的长度，原因是清管球在球筒内为球顶球布置(见图5)[12]，两个球的端部都有橡胶做的鼻子，为驱动管线流出的驱动介质提供了空间，从而让驱动管线排出的驱动介质正好作用于两个清管球之间的鼻子上方，否则将存在发不出球的风险，所以本案例清管球的布置方式为球顶球布置。驱动管线的根数由海管预调试流程决定，在一般情况下，比单次预装的清管球个数多一根，目的是保证最后一个清管球能够顺利发出。因为本案例规定清管球个数为5个，所以驱动管线选择6根，如图6所示。

另外，驱动管线上的阀门建议选用API 6DSS标准的水下球阀，相比于普通水上用的API 6D球阀，其泄漏风险小，性价比高。阀门操作手柄设计为可双向操作的形式，所有阀门的阀体两侧必须喷涂阀门编号，以便ROV或潜水员在水下识别和操作。

驱动管线主管的端部需要设置热插拔接口(hot-stab)，如图7～图9所示，hot-stab为外接驱动源的接口。在hot-stab选型时须注意，其产品分为单面操作型和双面操作型。在用于深水PLR时，通常选择单面hot-stab(见图7)，但是用于浅水一字型PLR时，建议选择双面hot-stab(见图8)，因为浅水PLR会随着海管倒向泥面，选择双面hot-stab(见图9)，目的是无论PLR倒向哪一侧，潜水员或ROV都可以通过漏出来的一侧hot-stab连接驱动源。

图8 双面hot-stab

图9 双面hot-stab用于浅水PLR

2.3 止球器设计

由2.2节驱动管线的技术要求可知，必须保证清管球队列和所有驱动管线支管的相对位置，才能确保把清管球顺利排出。因为清管球之间是球顶球布置，这就要求排在队尾的第一个清管球的定位要准确，这个功能由止球器(pig stopper)来实现。如图10所示，止球器由一根圆钢和顶部的挡板组成，根据队尾的第一个清管球的位置计算出圆钢的长度，圆钢的直径一般为球筒内径的1/3左右，止球器的挡板用于固定清管球的位置，其直径稍大于圆钢直径即可，但一定能充分接触清管球的端部组件。止球器另一端固定于卡兰的盲端，与卡兰之间可以焊接，也可以用螺栓固定。

图10 止球器示意图

海上施工前，将所有清管球预装入PLR球筒内，第一个清管球一定要顶到不能向前移动为止，说明其与止球器已经接触，且定位到设计位置；同时，可以在顶入工具(如圆棒)上做好长度标记，确保每一个清管球都定位到设计位置，如图11所示。

图11 预装清管球

在设计球筒时须注意，止球器的长度不能太短，因为止球器周围的空间是用来存放清管球推出来的铁屑和残渣等的。如果止球器过短，会造成空间不够，导致残渣堆积到顶板以外，清管球无法精确定位，后续清管球无法正常进入收球筒。

2.4 温度/压力监测模块设计

本案例要求PLR产品需具备水下压力/温度监测功能，用来监测海管水压试验时整条海管内介质的温度/压力变化，所以在球筒上设置压力/温度监测模块，该模块由水下球阀、管道及管件、hot-stab、温度/压力记录仪(data logger)组成，其中，data logger与hot-stab公头组装在一起，由潜水员或ROV进行插拔，如图12所示。选用双通道hot stab，目的是一用一备。

图12 温度/压力监测模块

本案例选择设置压力/温度监测模块，优点是在海管试压期间，会将温度和压力参数及曲线记录在data logger上，允许施工船舶离开，去执行其他海上施工任务，不必在原地一直等24小时。待试压结束后，由潜水员或ROV在水下读取数据，或者将data logger取到船上进行数据读取。

2.5 L型水下临时PLR弯矩校核及应力校核

本案例选择L型PLR，其通过水下连接器与海管终端单元(PLET)连接，因为其结构存在偏心的特点，所以整个PLR作用在连接器上的弯矩最大，作用于连接器上部弯管的应力最大，必须对两者进行校核(见图13)，确保连接器受到的弯矩小于厂家规定的许用弯矩，弯管所受应力小于标准要求的许用应力。

图13 L型PLR弯矩和应力校核示意图

具体计算方法如下：

(1)

MPLR=WPLR·L·g

(2)

ID=OD-2·t

(3)

(4)

(5)

σ=0.72·SMYS

(6)

(7)

(8)

式中：OD是球筒管道外径，为168.3 m；ID是球筒管道内径；t是球筒管道壁厚，为11 mm；WdryPLR是PLR在空气中的重量；L是PLR重心到连接器管道轴心之间的距离，为2 236.35 mm；g是重力加速度；ρsteel是铁的密度，为7 850 kg/m3；ρseawater是海水的密度，为1 033 kg/m3；SMYS是规定的最小屈服应力，为450 MPa；Ca是连接器的许用弯矩，为326.379 m·kN；WPLR是PLR在海水中的重量；MPLR是PLR作用于连接器处的实际弯矩；I是转动惯量；σb是弯曲应力；σ是许用应力；UCCa是作用于连接器处的实际弯矩与连接器许用弯矩的比值;UCσ是作用于弯管处的弯曲应力与许用应力的比值，经过计算得出UCCa为0.162；UCσ为0.814，UCCa和UCσ都小于1，所以计算通过。

2.6 水下临时PLR保护结构设计及吊装分析

PLR结构框架的主要作用是保护阀门及管线，避免阀门及管线在吊装、运输等过程中磕碰等状况的发生，且为支管等设备提供支撑，吊点设置在结构框架上。在满足上述功能的前提下，结构设计力求简易、轻量化。

主要的设计标准规范如表2所示。

表2 PLR结构设计主规范

PLR结构设计需要保证结构框架在陆地吊装、海上运输及海上吊装中的结构强度。本案例对PLR在海上吊装的结构强度及吊耳强度进行了校核，结构强度均满足要求。具体计算过程请参考相关文献[13]。

2.7 运输框架设计

除了进行PLR本体设计外，还要考虑PLR运输过程中的保护。PLR在运输时须做好固定，有两个原因： ①避免PLR磕碰、损坏；②除了配备持球器(pig retainer)的PLR以外，其他PLR的球筒要水平布置，以免清管球错位，造成驱动管线无法驱动清管球。图2中PLR下方为运输框架。

2.8 PLR产品应用效果

本文技术成果已经成功应用于中国南海的陵水17-2项目，该项目共包括11个水下临时PLR，均应用本文的技术成果进行设计，且PLR产品按照项目规格书进行了测试，测试结果均满足要求，表3是具体测试项及测试结果，图14所示为PLR翻转测试现场；其中，10 in PLR和12 in PLR已经在10 in和12 in海底管道铺设后的清管、试压过程中得到了成功应用。图15所示为10 in PLR实际用于10 in海底管道的清管和试压工作。

上述示例证明，本文设计技术可靠，并且得到实际应用和验证。

表3 陵水17-2项目PLR测试结果

图14 陵水17-2项目PLR翻转测试现场

图15 陵水17-2项目PLR海上应用

3 结 语

深水油气田开发是当前海上油气勘探与开发的发展趋势，随着大型海上油气藏的不断发现和深海开发技术水平的不断提高，全世界油气田正由浅水转向深水。临时水下PLR是水下生产系统预调试，海管内流体应急置换等不可或缺的设备。但目前还没有PLR相关的设计规程或文献提供设计人员参考，使得各个项目的PLR产品设计形式多样，且不是最优最简设计，从而增加了项目成本。本文通过实例计算，详细阐述了PLR的设计方案和计算方法，计算结果表明该PLR产品满足深水环境的使用要求，且形式最简单，结构最优化。本文为设计人员提供了指导和参考，使读者可以独立完成深水PLR产品设计。