深水压力试验中水下设备压力设计

张 飞，李 刚，石 磊，曹 永

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

压力试验是保障深水水下设施及海底管道强度、密封可靠性的重要手段。安装后的水下设施与海底管道通常作为一个整体进行压力试验，其试验压力、水压时间依据相关设计规范确定。海底管道设计规范主要包括DNVGL ST F101—2017《Submarine Pipeline Systems》［1］、API RP 1111—2015 《Design，Construction,Operation,and Maintenance of Offshore Hydrocarbon Pipel-ines （Limit State Design）》［2］、ASME B31.4—2016《Pipeline Transportation Systems for Liquid Hydrocarbons and Other Liquids》［3］、ASME B31.8—2016《Gas Transmission and Distribution Piping System》［4］等。应用这些标准确定海底管道水压试验的压力时，应考虑海底管道水压试验对水下设施的影响。在浅水应用条件下，海底管道的水压试验对水下设施的影响可以忽略。文中对深水条件下海底管道系统受立管中液柱高差产生的压力影响进行探讨。

1 水下设施受压条件分析

海底管道系统中，管内液柱高度和管外海水静水压力可以平衡，不会因水深而引起超压，而水下设施则不一定。水下设施一般由1个或多个水下设备、管道以及结构组成，某些水下设备含有多道密封或具有圈闭空间，内部压力和外部海水静水压力作用不在同一部件上，无法平衡内外部压力，因此需要结合最大内部压力进行设计。设计过程中涉及的水下设备部件包括水下阀门［5-6］的阀杆密封组件和 O型密封圈（图 1）、水下连接器［7］的金属密封和O型密封圈（图2）以及压力传感器的隔膜等。常见水下设备工厂水压试验压力条件包括，①水下阀门的阀座密封测试压力为1.1倍额定工作压力。②水下阀门的阀体水压试验压力为1.5倍额定工作压力（阀门半开状态）。③水下连接器的工厂水压试验压力一般为1.5倍额定工作压力。

图1 水下阀门的阀杆和阀盖密封

图2 水下连接器的密封构造

水下设备与水下设施集成为一体进行水压试验 （包括水下设施的工厂测试）。无法平衡内、外部压力而且水压试验压力超过上述规定压力的水下设备，需要进行单独评定和测试。例如，水下阀门在全开启或全关闭状态下的测试压力不要超过1.1倍额定工作压力，半开状态下最大不要超过1.5倍额定工作压力。但是半开状态阀座和球体只是部分接触，对阀座弹簧推力有影响，该状态持续时间不宜过长，工厂测试时间一般小于4 h。有些设备厂家会要求设备安装后的试验压力不能超过额定工作压力，所以在设备采购中需要结合工程实际条件与厂家澄清和明确相关的要求。

2 海底管道系统深水压差效应

按照 API 17TR11—2015《Pressure Effects on Subsea Hardware during Flowline Pressure Testing in Deep Water》［8］中的定义，深水海底管道压力试验中水下设备额定工作压力（RWP）为按照规范要求的设备标准压力系列，绝对额定工作压力（RWPa）为只考虑内压的设备或材料的额定工作压力，压差额定工作压力（RWPd）为考虑内、外压差后的设备或材料的额定工作压力。压差额定工作压力主要适用于内、外压差能够平衡并且可承受更高内部压力的设备或材料。API 17TR11—2015介绍了5种深水压力试验下的水下设备压差效应情况。

2.1 情况1

水下试验压力等于或小于绝对额定工作压力。通常情况下，情况1的使用条件是设计时需要遵守的，对设备和材料不会有损害，不需要特别的评定工作。

2.2 情况2

水下试验压力大于RWPa但小于等于RWPd。由于超过了RWPa，使用者或操作方需要咨询设备厂家以确认该压力不会对设备的部件产生影响。尤其是针对所阐述的应用场合，对于水下阀门等设备可能会要求厂家对相应部件进行适应性设计和测试，并完成评定。

2.3 情况3

水下试验压力大于RWPd但小于等于1.5倍RWPa。这种情况下，水压试验压力大于压差额定压力但是小于设备的工厂接收试验 （FAT）的压力，通常为1.25倍或1.5倍RWPa，和情况2一样，使用者或操作方需要咨询设备厂家以确认该压力不会对设备的部件产生影响，对于水下阀门等设备可能会要求厂家对相应部件进行适应性设计和测试，并完成评定。对于水下阀门，如果确实需要压力试验至1.5倍RWPa，可以考虑将阀门半开，使阀体承受较大的试验压力，但是不建议超过阀门的FAT壳体试验压力（1.5倍额定工作压力）和试验时间（比如4 h）。有些设备厂家可能建议水压试验在FAT试验压力的基础上留出一定余量即可，比如不超过90%的FAT试验压力，但是针对这一点还没有形成统一的标准要求。

2.4 情况4

水下试验压力大于1.5倍RWPa但小于等于1.5倍RWPd。除非特殊情况，不要出现水压试验压力大于1.5倍RWPa，否则应进行评估、设计以及评定测试，尤其是针对多道密封构件、承受圈闭压力部件的设备。评定测试时需要精确模拟水下试验时设备部件所承受的最大内部压力和外部压力，以及能够涵盖水压试验实际打压的时间和试验次数。模拟测试结束后还应对部件进行性能试验 （比如，API 6A—2010 《Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment》［9］性能等级PR2），以验证部件的使用性能是否满足设计要求。

API 17TR12—2015 《Consideration of External Pressure in the Design and Pressure Rating of Subsea Equipment》［10］针对上述情况下的设备设计进行了阐述，具体见第4节内容。

2.5 情况5

水下试验压力大于1.5倍RWPd。此情况应该尽量避免。设备部件在1.5倍RWPd的峰值应力应已接近材料的屈服应力，且海上水压试验一般比FAT的保压时间长得多，这种高应力且长时间承压情况很可能造成设备的损坏。

2.6 应用建议

对于新建的海底管道和水下设施，如果能够将深水海底管道和深水立管有效隔离，比如立管底部基盘或管端水下设施PLET［11］上有合适的压力等级的隔离阀门，可按API 17TR11—2015中的建议分别对海底管道和立管进行单独试压，这样海底管道部分就不用考虑内部水柱水深静水压力的影响，但需要注意立管底部的隔离阀是否超过阀门的额定工作压力。对于旧的或长期存储的水下设施，则应进行单独的评估。

3 外压作用下水下设备评估

深水压力试验的水下设备压力设计实际上是设备承受外压情况下的一个典型情况。对于一般情况，API 17TR12—2015为承受外压情况下的设备评估给出了推荐做法，见图3［10］。图3中，DAWP表示深度调节工作压力，SWD表示指定的水深，DWP表示工作压力压差。

图3 外压作用下水下设备设计评估流程图

外压作用下水下设备主要评估过程包括，①全面了解系统/设备的运行和功能特性。②进行危险识别/风险评估。③确定设备类别，包括承压设备、带圈闭压力的承压设备、控压设备。④有限元分析(FEA)。⑤采用冯米塞斯应力，更准确地预测应力状态。⑥为保护下列情况而进行的核查，包括局部失效/局部应力集中、棘轮效应的影响。⑦FEA结果(应力)应符合适用的设计规范。⑧在高压舱中测试或用测试夹具模拟外部压力。⑨对于不适合进行高压测试的大型部件，可以通过ASME VV-10—2006 《Guide for Verification and Validation in Computational Solid Mechanics》［12］进行 FEA 验证。⑩FAT 符合产品规范。

4 南海某深水气田项目水压试验设计考虑

4.1 立管系统布局［13］

南海某气田项目采用水下生产系统进行开发，应用水深1 300～1 550 m，属于典型的深水开发项目。水下设施和上部依托设备通过1条直径45.72 cm（18 英寸）的立管（所在水深 1 367 m）连接为一体。立管采用钢悬链线立管（SCR），底部设有1个海底管道终端设施PLET。该气田海底管道和立管系统的设计压力为21.3 MPa,整个系统布局见图4。

图4 南海某气田立管系统布局示图

4.2 立管水下设备压力设计［14-16］

4.2.1 按浅水项目

水下阀门和连接器的额定工作压力主要依据为海底管道的设计压力pd。已知pd=21.3 MPa，则水压试验压力pt=1.25pd=26.63 MPa。根据计算结果选择额定工作压力为34.5 MPa（5 000 psi）的水下阀门和连接器即可满足要求，且还有一定的余量。

4.2.2 按深水项目

水面上部压力测试入口的水压试验压力pt=1.25pd=26.63 MPa。水深产生的液柱压力ph=ρgh。其中，试验介质密度 ρ=1.025 kg/m3，重力系数g=9.8 N/kg，水深h=1 367 m。带入数值计算，得到ph=13.73 MPa。水下设施内部的试验压力 pt+ph=26.63+13.73=40.36（MPa）。

可以看出，在这个水深条件下，水下设备的试验压力超过了 34.5 MPa（5 000 psi）。按照API 6A—2010划分的额定压力等级 （3 000 psi、5 000 psi、10 000 psi、15 000 psi 等），需要选择 10 000 psi（69 MPa）这一级才能满足要求，与40.36 MPa的设计压力相比余量较大。

经过和各制造厂家充分沟通，厂家拥有51.75 MPa（7 500 psi）额定压力等级的成熟产品（之前经过完整的评定测试并有供货业绩），所以从安全和经济性两方面综合考虑，最后将立管PLET上的阀门和连接器的额定工作压力等级确定为 51.75 MPa（7 500 psi）。

5 结语

深水条件下的海底管道系统水压试验中，立管中液柱高差会对水下设施承受外压的定量产生影响。水下设备承受的内、外压力不能简单抵消。对于含有多道密封或具有圈闭空间的水下设备，内部压力和外部海水静水压力并不作用在同一部件上，无法平衡内、外部压力，需要结合最大内部压力进行设计。对于API 17TR11—2015中说明的5种不同的深水压力试验水下设备压差效应情况，通常情况1的使用条件是需要遵守的，否则可能会对设备造成损害，需要咨询设备厂家的正式意见，或者结合具体应用条件进行专门的评定和测试。

深水开发在国内还处于起步阶段，国内的设备生产厂家不应只关注设备本身，还应关注深水工程实施中的具体问题。工程设计方也需对水下设备的结构特点和限制条件深入研究，二者应有机结合。