分离式水下基盘的设计及应用
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摘 要：介绍了在海底混输管线中增加分离式水下基盘的设计方案，将水下基盘分为防沉板和WYE PACKAGE两部分，分别对防沉板和WYE PACKAGE进行了设计计算，并对防沉板和WYE PACKAGE的制造、测试和安装等过程中的重点环节进行了阐述。
关键词：水下基盘 防沉板 海底阀门 水下三通
水下基盘（PLET）是海底连接系统的一个重要组成部分。目前，我国水下生产系统的设计、建造和安装尚处于起步阶段，工程经验缺乏，技术储备较少，同国外相比差距很大，这一现状影响了我国深海油气资源的开发。本文介绍的这种分离式水下基盘的已在南海东部油田成功应用，为今后水下生产系统设计、建造和安装相关的工程和科研项目起到了积极的作用。
一、项目概况
番禺4-2与番禺5-1油田位于珠江口盆地珠I坳陷南部恩平凹陷东端，距香港约150km的15/34合作区内，两油田相距约19km，使用2座平台和一艘FPSO进行开发。
在番禺4-2和5-1油田调整项目的开发方案中，新建了2座新平台，同时新建了2条12’’长约1km海底柔性管道，将番禺4-2和5-1新平台生产的含水15%的原油，与番禺4-2和5-1老平台生产的原油汇总后输送至FPSO做进一步处理。
二、防沉板和WYE PACKAGE设计方案概述
为了将新平台和老平台的输送介质汇合，需要将与番禺4-2和5-1老平台立管相连的第二段膨胀弯拆除（每个平台有2段膨胀弯），并分别增加一座水下三通，同时在三通上设置隔离阀，在三通和阀门底部需要放置防沉板来起支撑作用。本文将海底阀门、水下三通、海底法兰和海管短节焊接而成的组合体定义为WYE PACKAGE。
在本项目中，考虑到海底安装和水下法兰连接的方便性，将防沉板和WYE PACKAGE设计为分离式。防沉板和WYE PACKAGE分开制造，安装时先将防沉板安装到设计位置，然后再将WYE PACKAGE放置到防沉板上面。通过调整WYE PACKAGE在防沉板上的位置，来实现其与老平台第一段膨胀弯及平管段的连接，防沉板和WYE PACKAGE之间的间隙使用灌浆袋来调平。
三、防沉板和WYE PACKAGE的设计
1.防沉板的设计
防沉板属永久性基础结构，要求主体能够支撑坐落在它上面的结构载荷而不发生破坏。本项目防沉板的设计承载能力为20吨，包括水下三通、海底阀门、法兰、连接管线和阳极的重量。在本项目中新建了两套防沉板，其结构对称，由于篇幅限制，下文仅以番禺4-2的防沉板为例进行介绍。
1.1在位分析
防沉板的在位分析，主要包括结构强度分析和稳性分析。
1.1.1结构强度分析
考虑安全系数后的总重量为296.48 kN，根据计算防沉板的最大UC值为0.62。
1.1.2稳性分析
稳性分析需要考虑海底的土壤数据和百年一遇的环境数据。分别根据静态的环境数据和百年一遇的环境数据计算出防沉板的最小方位安全系数分别为14.65和12.62，而允许最小安全系数分别为2.0和1.5。通过上述分析可以，番禺4-2防沉板的稳定性满足要求。
1.2 吊装分析
为了确保防沉板能承受吊装工况下的载荷，防沉板的吊装分析按API RP 2A-WSD标准执行。在防沉板上设计了四处吊点。防沉板的自重为71.48kN，其阳极重量为9.81kN，安全系数取1.1，动载系数取2.0，因此吊装的总重为178.84kN。经计算吊装过程中的防沉板的最大UC值为0.07。
1.3 与海底碰撞分析
为了确保防沉板能承受与海底的碰撞，防沉板的与海底碰撞分析按API RP 2A-WSD标准执行。主要考虑的载荷有防沉板的自重，阳极的重量和地面载荷，安全系数取1.1，海底土壤的承载能力为332.3kN/m2（整个防沉板为5981.4kN）。经计算防沉板与海底泥面接触时的最大UC值为0.96。
2.WYE PACKAGE的设计
WYE PACKAGE由2台海底阀门、1座水下三通、3片海底法兰和海管短节（袖管）焊接而成。
2.1海底阀门
海底阀门主要技术要求如下：（1）阀门类型：球阀，型式：Trunnion固定耳轴式；（2）尺寸：12''，压力等级：ANSI 900LB；（3）设计标准：API 6D SS，阀门制造等级：API 17D PSL 3；（4）阀体材质：ASTM A694 F65，阀芯材质：ASTM A182 F316L；（5）ROV接口标准：ISO13628-8，ROV接口等级：Class4，ROV接口方式：水平。
2.2水下三通
水下三通采用水平配置的Y型不对称结构，这样可以减小它的尺寸和重量，降低它的重心位置。
2.3 海底法兰
在WYE PACKAGE上使用的法兰有两种形式，分别为焊颈法兰和旋转法兰。
2.4 阀门和三通袖管
为了保证阀门和三通与海管的焊接性能，并减少袖管焊接对阀门和三通的损伤，要求阀门和三通出厂时袖管长度均为600mm。
3.水下防腐
3.1 防沉板的防腐
防沉板的防腐设计主要采取如下二种途径：（1）采用阴极保护：在防沉板上设置了3块阳极，阳极类型为GB/T 4948-2002，A11E-1。（2）使用3层防护涂层：底漆使用红色的环氧底漆，厚度为50μm，第二层为灰色的环氧玻璃鳞片，厚度为500μm；面漆为黄色的环氧玻璃鳞片，厚度为450μm。
3.2 WYE PACKAGE的防腐
海底阀门防腐涂层为Epoxy Phenolic，水下三通和海底法兰要求外涂FBE，在袖管与袖管及袖管与法兰连接的焊缝处需要涂环氧底漆，并包上热收缩带。 四、防沉板和WYE PACKAGE的制造及测试
1.制造
防沉板主体钢板的厚度为12mm，材料为Q235B，型钢为H400X200X8X13，材料也为Q235B，材料均须满足GB/T 700-2006的要求。WYE PACKAGE的制造都必须遵循DNV-OS-F101标准，所有的焊接程序都必须遵循AWS D1.1标准。所有的焊接应当严格按照检验程序检验，外观、超声波或其它类型的检验符合验收标准。
2.测试
由于水下生产设施高投入、高风险的特点，任何一个环节的失效都会对整个系统产生重大的影响，所以在设备安装使用前一定要通过严格标准的测试。WYE PACKAGE在陆地建造阶段主要进行下列测试工作。第一，清管、测径和水下试验。第二，电火花测试。第三，陆地开阀测试。
五、防沉板和WYE PACKAGE的安装
1.船舶资源和安装工具
防沉板和WYE PACKAGE安装所需的船舶资源和安装工具如下：（1）饱和潜水支持船（DSV）、饱和潜水设备和人员；（2）定位系统；（3）ROV；（4）吊装索具；（5）牛眼和电罗经等测量工具；（6）浮袋、手板葫芦和液压拉伸器等辅助安装工具。
2.海上安装
2.1 安装精度
防沉板在水平方向安装角度在参考方向上不超过±5°，位置在参考点一侧半径为500mm的半圆。WYE PACKAGE在防沉板上就位后，要确保阀门下至少有两根支撑梁，法兰应悬在防沉板外面。
2.2 安装方法
防沉板和WYE PACKAGE采用DSV进行安装，先通过DSV将它们运输至现场，然后再利用DSV船的吊机，下放至海底安装位置。
六、结论
本文介绍的这种分离式水下基盘的结构形式比较简单，但使用效果非常理想，在今后水下基盘的设计、建造和安装过程中要注意以下几个方面：
1.设计方案对后续的采办、建造和安装等环节都有着很大影响，因此设计方案需要提前与建造和安装等方提前沟通。
2.陆地建造、检验和测试等工作一定要按照相关规范和标准严格执行。
3.海上安装前，应可能分析和优化施工方案和资源，对突发事件要有有效的解决方案。
作者简介：石磊（1982-）男，硕士，工程师。从事海洋石油工程水下产品的科研和设计工作。
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