随着我国海上油气田开发逐步由浅水区域向深水领域挺进，水下生产系统在我国应用愈发广泛 [1-3] 。在我国陆丰油田、番禺35-1/35-2气田、崖城13-1气田、荔湾3-1气田等项目中虽然已经实现了水下生产系统的开采应用，但水下生产系统关键技术及核心设备设施却长期受制于国外垄断，很大程度上会制约我国深水油气田项目的开发，影响我国深水油气资源的开采。水下管汇是水下生产系统中的重要设备，也是保证水下油气安全顺利从井口输送至海洋平台的关键一环。

 

1 水下管汇系统设计原则

1.1 总体设计

          结合目标油田的油藏参数，进行工艺模拟计算包括物料热量平衡计算，管道内防腐计算以及与化学注入的计算等，并考虑水深环境特点、计量要求、连接要求、控制方案等，综合确定管汇的总体设计方案，包括管汇集成设施的布置、配管、材料选择、防护要求、接口形式等。

 

1.2 控制系统设计

          水下管汇作为水下井口和水面生产设施之间的桥梁和通讯枢纽，对于控制信号的反应速度是重要设计指标，特别是对于紧急关断或是安全保护信号的及时响应是关系到安全的关键因素。根据回接距离不同，通常采用全液压控制或者复合电液控制方案，以提高控制系统的可靠性和响应速度。

 

1.3 扩展性和通用性

          水下管汇设计在确保基本功能和安全的同时，应尽量简化系统配置，减少管汇的复杂性。针对项目中可能存在的未来周边油气的接入，建议管汇系统设计时考虑具备一定的扩展性，并适当增加设计余量保证管汇的通用性。

 

1.4 可操作性及可维护性

充分明确水下管汇集成设备设施的操作要求及维护内容，在管汇设计时应予以考虑。设计阶段可采用三维模型进行ROV或潜水员操作及维护模拟，保证管汇设计合理性，满足设施的可操作性和可维护性。2 水下管汇工程样机的改造与集成设计分析结合水下管汇系统设计原则，对“十二五”阶段研制的水下管汇样机进行改造设计，以满足“十三五”阶段水下管汇工程样机的功能性要求。

 

2.1 结构改造分析

          结构改造包括甲板拆除及结构框架改造。水下管汇顶层甲板拆除主要为管道法兰拆除和设备拆除做准备。在甲板拆除设计中，要鉴别拆除所有顶层甲板的必要性及合理性，结合水下管汇设计特点，分析可采取的实施方案，如使用倒链、千斤顶等工具评估设备设施侧面装入的可行性等，从而减少拆除甲板的工程量。另外，拆除甲板切割时，尽量保持切口规整，以便在完成管汇设备集成后回装利用，降低改造费用。拆除前后的管汇样机顶甲板见图1~2。

          对水下管汇结构框架进行改造为新设施提供安装空间，结构框架改造设计还应满足设备设施集成在管汇上的合理布置，并兼顾设备满足操作空间要求。

 

2.2 管汇集成设计

          水下管汇集成设施包括如下工程样机：水下阀门、多相流量计、水下连接器及水下控制模块（即SCM）等。水下管汇的改造设计不仅要考虑工程样机的尺寸、重量及集成位置，还要明确管汇与工程样机之间的界面参数，如管线接口形式及材质规格、操作空间及要求、供电参数、供货范围等，确保改造设计的合理性及可实施性。

 

2.2.1 水下阀门

          水下管汇集成的水下阀门样机包括1台6寸闸阀和1台12寸球阀，适用水深1500m，且配置ROV及液压单作用执行机构。水下闸阀和球阀的主要参数见表1。水下管汇改造的集成设计考虑阀门尺寸、质量及操作要求，还要兼顾水下管汇与阀门的界面数据及供货划分，如阀门执行机构液压接口螺纹口设计形式；为便于ROV操作的阀门垫块供货范围；阀门袖管与水下管汇主管道材料匹配性（管汇材质为双相不锈钢）；对阀门袖管长度的要求等。

2.2.2 多相流量计

          水下管汇集成1台多相流量计工程样机，主要参数见表2。水下管汇改造设计要兼顾与多相流量计的界面参数，如水下多相流量计样机两个端面的6寸SPO法兰是双相不锈钢材质，水下管汇应与其匹配对接；多相流量计两端接入管道的袖管长度及材质应明确；供电飞线的接口位置及接头类型。另外，多相流量计为精密设备，在管汇改造设计中考虑合理的安装方式及防护要求，避免精密设备的损坏。

2.2.3 水下连接器

          在水下管汇改造设计中需确定与水下连接器的界面参数，包括垂直管汇连接器与水下管汇的接口尺寸，端口开坡口形式以及材料类型等。其中，水下管汇改造设计时所选材料需与该材料具有良好的焊接性能。

 

          另外，垂直连接器配有专用安装工具，连接器的锁紧及解锁通过液压及ROV配合操作。管汇改造设计应满足连接器下放安装及更换拆卸的操作空间及局部结构强度要求。

2.2.4 水下控制模块

          水下管汇集成1台水下控制模块工程样机（即SCM），系统设计采用开式复合电液控制，SCM为可回收设计，并需要专用回收设备配以ROV实施操作。SCM主要用于管汇阀门样机的液压开关控制、多相流量计的采集信号传输，以及管汇的温度和压力数据采集及传输。管汇改造设计应保证满足SCM的安装要求及操作空间，并兼顾减少管汇改造工程量。SCM为精密设备且需要进行水下回收，对安装精度要求较高，在管汇改造设计中考虑合理的安装方式及防护要求，避免精密设备的损坏。SCM及其配套安装工具主要参数见表3。

          此外，水下管汇与SCM的界面接口数据也是改造设计中的关注重点，包括电飞线的接头连接位置及飞线接头的存放位置；SCM液压液管线的输入、输出接头尺寸及方位，与管汇液压液输入面板的接头尺寸匹配性，以便管汇改造设计考虑是否需要变径；SCM与水下管汇压力温度传感器连接参数，如信号类型、量程等。

2.3 管汇改造施工设备

          水下管汇改造时的主要施工设备包括：25t汽车吊、磁力切割机、等离子切割机等。由于水下管汇的12寸及6寸管道材质为双相不锈钢，因此进行管段切除改造时，不能用普通火焰切割，必须用等离子切割机。

3 结束语

          本文对水下管汇系统设计原则进行了梳理，并基于科研工程样机实例总结分析了水下管汇改造与集成设计的技术要点，对设计中如何减少改造工程量降低成本，合理布置集成的设备设施满足操作要求，以及管汇设计中应关注的界面要求等设计要点进行归纳，为水下管汇工程样机后续的陆上联调测试及海试奠定了重要基础，有助于推进深水管汇在我国深水海域油气田开发中的应用，为深海油气资源开发提供必要的技术支持。