水下跨接管与管道终端测试技术研究

韩 峰，董 楠，段梦兰，李婷婷，何 同

（1.中国石油大学海洋油气研究中心，北京102249；2.复旦大学力学与工程科学系，上海200433） ＊

水下跨接管与管道终端测试技术研究

韩 峰1，董 楠1，段梦兰1，李婷婷1，何 同2

（1.中国石油大学海洋油气研究中心，北京102249；2.复旦大学力学与工程科学系，上海200433）＊

水下生产系统的安全可靠性与可操作性是深水油气田开发工程的关键。基于水下生产设备测试的工程实例，重点研究了水下跨接管、管道终端等主要水下设备的工厂验收测试、系统集成测试的内容和标准要求，总结了相关的测试步骤，探讨了我国建设水下装备测试基地的必要性与可行性。为“十二五”珠海水下装备测试基地的建设提出了建议，对我国水下装备测试技术的深入研究具有参考价值。

跨接管；管道终端；工厂验收测试；系统集成测试

海洋石油开发的高风险、高投资决定了深水油气田安全、平稳运行的重要性。水下生产系统在深水油气田中广泛应用，设计合理的水下设备是减少海上施工时间及设备高效运行的前提。试验测试是检验设计是否合理的重要依据，同时也是培训相关专业操作人员的重要平台［1］。

目前，海上油气田的水下生产、应急维修［2］等设备在安装前都进行了专业的理论分析与实际测试［3］，主要包括功能验证测试（Performance Verification Test，PVT）、工厂验收测试（Factory Acceptance Testing，FAT）、扩展工厂验收测试（Extended Factory Acceptance Testing，EFAT）、系统集成测试（System Integration Testing，SIT）、浅水测试（Shallow Water Testing，SWT）等，并形成了规范化的测试流程、系统化的测试内容以及专业化的测试基地。

我国的深水钻井工程刚刚起步，目前已经取得了一定的成绩［4－6］，但还没有完全掌握深水装备的设计与试验测试技术。因此，研究国外的相关技术，对形成我国具有自主知识产权的深水水下装备测试技术、组建我国专业的水下测试基地、培养自己的深水工程专业人员、指导我国南海深水油气资源的开发具有深远的意义。

基于上述分析，本文以水下生产设备中最为广泛应用的跨接管、管道终端为例，介绍了FAT、SIT的测试内容与特点、测试检验目的、测试参考标准，探讨了我国建造水下测试基地的可行性与必要性，并提出了测试基地建设的建议。

1 工厂验收测试（FAT）

工厂验收测试是在水下设备加工制造完成之后立即开展的一系列试验测试。FAT的主要作用是核实制造商是否按照要求进行设备的制造，并达到预期功能。水下生产系统有可能在试运行、开始阶段或者正式运行阶段产生问题而导致失效，因此所有的水下设施都需要进行FAT测试。

根据对跨接管、管道终端等水下设备FAT测试内容的归纳，将FAT测试分为通用FAT测试与专用FAT测试2类。

1.1 通用FAT测试

通用FAT测试技术即所有的水下设备在工厂验收测试时都需要考虑的测试内容，水下设备通用的测试内容与各自的测试目的及特点如表1所示。表1中每项FAT的实际测试内容涵盖很多方面，例如对于水下设备中应用较多的阀门，巴西石油公司标准中规定其性能测试顺序为［7］：

1） 基于油脂的阀门及阀门驱动器的初始密封测试。

2） 常压下的功能测试（压力测试与扭矩测试）。

3） 油脂从阀门上移除。

4） 常压下的周期循环测试，包括静水压循环测试、密封测试、空气中的功能测试、扭矩循环测试等内容。

5） 温度测试。

6） 初始高压功能测试（非强制性）。

7） 完整的扭矩测试（常压与高压下）。

8） 高压下的周期循环测试。

9） 外压密封测试。

10） 完整的高压功能＼性能测试。

11） 拆卸检查。

12） 测试报告与标准审核。

13） 对比PVT与FAT。

1.2 专用FAT测试

专用FAT测试更加具有针对性，例如跨接管、管道终端设备间结构的差异性决定了二者均有其专有的FAT测试内容、特点以及不同的侧重点。在本文第1.1节测试内容的基础上，PLET更关注于其特有的安装方式；跨接管更关注于其连接器与测量工具的性能。

1.2.1 PLET的安装模拟

根据管道铺设方向的不同，PLET的安装分为首端安装与末端安装2种类型。2种安装方式都需要PLET同管线一起下放安装，并且在下放过程中需要调整其形态，以保证安装的顺利进行以及设备的安全着陆，因此PLET的FAT进行安装模拟验证是十分必要的（例如设备的竖立、YOKE臂的旋转等）。试验测试目的是验证设计安装方法的可行性与可靠性，如图1所示为在墨西哥湾应用的铰接式PLET吊装旋转FAT测试［8］。

图1 PLET吊装旋转测试

1.2.2 跨接管的性能检测

跨接管的结构较为简单，通常是在2个端部安装有连接器接头并带有一定形状的管段。其连接器与PLET、PLEM、管汇、采油树等设备上的毂座相连。在FAT阶段［9］，除了需测试表1中的内容之外，对于跨接管，重点需要测试连接器和测量工具的性能。

1） 连接器性能测试 连接器的测试一般是由连接器制造商来完成，并且需要专门的试验测试台，通常包括连接性能测试、锁紧／解锁测试、外载荷测试、内压测试、弯曲测试、扭转测试、疲劳测试等测试内容。连接器外载荷测试［10］如图2所示。

2） 测量工具测试 跨接管在设计时容许测量和制造误差，但在实际安装前，精确的测量跨接管所连接的毂座相对位置极其重要［11］。测量工具的FAT一般由测量工具制造商来完成，而对于业主和安装承包商，在陆上进行重复的测试也是必要的。

1.3 FAT测试标准与规范要求

FAT的测试是基于设备的设计标准开展的，表2列出了部分参考规范对PLET在结构设计与制造时的要求。

表2 PLET设计制造参考的标准

1.4 FAT测试关键技术

FAT的关键技术包括测试内容的制定、测试方法的选择、测试步骤的制定、检验测试合格的指标等。

1） FAT包括机械、结构强度、密封、控制系统等子功能的测试，制定的测试内容与目的应根据具体的实际工程制定，并与所测设备的设计标准、设计的预期功能相一致。

2） 测试方法的选择需要综合考虑现有测试设备、参考规范的要求等方面内容。

3） 测试步骤应遵循循序渐进的原则，如上文中提到的巴西石油公司的阀门FAT测试顺序为从常规常压测试到最后的高压测试。

4） 检验测试合格的标准是对设备的作业工况进行详细模拟，充分考虑各种可能失效工况，经过甲乙双方同意并可能在第三方参与下，充分考虑设备功能、现有规范要求的基础上制定的。

本文只对跨接管、管道终端的FAT进行介绍，管汇［12］、采油树［13］等大型水下设备的FAT还需要考虑更为全面的管路、设备安装等测试内容。总之，制定水下设备FAT测试内容的原则是：验证设备是否达到设计标准，并对每种设备的作业工况进行模拟，防止设备在实际作业时发生故障。

2 系统集成测试（SIT）

当所有的测试设备均通过FAT之后，开始进行SIT测试，应尽可能真实模拟整个水下系统的安装过程和操作性能。

EFAT是独立于FAT与SIT的一项测试内容，例如清管压力测试等。为了表述SIT内容上的完整性，本文把SWT、EFAT归结为SIT的一部分。

2.1 陆地SIT测试

陆地SIT测试主要验证系统各个设备的安装配合、ROV操作时与设备间的干涉检查［14］、系统压力测试等。其特点是考虑到大型水下设备的不便运输，通常在需测试的大型水下设备的加工基地进行，利用陆地开阔的地面、吊机、测试检测设备及其他测试所需设备来完成。

系统SIT测试时的跨接管安装测试［15－16］如图3所示，其主要目的有：验证跨接管连接器与设备上的毂座的性能、建立跨接管极限安装工况（海床倾斜或有角度误差）、检测清管设备的尺寸、预见并防止任何实际安装出现的问题、检查所有设备的柔性［17］等。

在安装测试之后还将进行系统静水压测试、密封测试、电液控制系统测试［18］、ROV可操作性等系列化的测试。测试时海上安装承包商、安装作业人员、操作人员通常都会参观或参加SIT现场测试的过程，这对于熟悉设备操作、减少实际操作失误具有重要意义。

图3 SIT测试现场

2.2 浅水测试

SWT的主要目的是验证设备的安装与回收、电液控制系统测试、水下工作性能、系统的气密性检查、保温性能验证、防腐能力测试、长时间水下可靠性能测试、ROV水下操作等。其特点是在实验室内模拟水下环境，测试系统的可靠性，较陆地SIT技术更为真实地反映整个水下生产系统的安装、在位工况下的各项性能。图4为刚果Moho Bilondo深水油气田水下设备在挪威进行浅水测试的照片［19］。

目前，全球各大石油公司、相关高校对此都十分感兴趣，但浅水测试场地的搭建是一项庞大的技术工程，十分具有挑战性。全球目前只有部分高校、石油公司具有功能强大的水池、浅水测试基地用于科学研究与实际工程的测试［20］。

图4 浅水测试

2.3 SIT测试标准与规范要求

SIT测试标准的制定应与设备参照的设计标准要求相一致。表3列出了部分SIT测试可以参照的规范。

表3 部分SIT测试参照规范

2.4 SIT测试关键技术

SIT测试技术较FAT测试技术更为系统化，是在试验测试场地进行水下生产系统作业工况的真实模拟［21］，意义重大。不仅能够直观地检验水下作业、水下应急等工况下系统的性能，更是培养水下操作专业人员，进行新设备的全面系统测试的重要方式。

SIT的关键技术与FAT的关键技术类似，其中较为重要的方面包括测试系统的组建、测试内容与流程的制定、测试结果的评估、检验测试合格的指标等。

1） SIT测试系统的组建是实现陆地模拟实际系统工况的基础。组建应遵循尽量反映实际的原则，重要的验证部分应尽量采用实际作业的设备与部件，辅助构件实现功能即可。

2） 测试内容与测试流程是综合检验系统功能的手段。测试内容与流程的制定需综合考虑系统的设计功能、参考的设计规范、实际作业时可能出现的失效形式、甲乙双方的协议等。

3） 测试结果的评估是检验系统功能的标尺。对测试结果的正确评估建立在完善的试验测试监测检测系统之上，其结果直接反映系统的可靠性能。例如，当系统在密封与压力测试时，对泄漏量的影响评价直接决定了系统的可靠度。

4） 检验测试合格的指标是验证系统可靠性的凭证。其制定的指标与测试内容与流程、对测试结果的评估紧密联系，同样需要综合考虑多方面的因素。

3 测试基地建设

3.1 必要性与可行性

我国的深水工程技术起步较晚，国内还没有完全掌握深水设备的制造测试技术，目前只有少数单位拥有水池、高压舱等大型试验测试设备，还没有形成系统化的加工测试基地。随着我国深水技术的发展，水下设备的制造测试技术国产化是必然的［22］，综合测试基地的建造迫在眉睫。

以中海油为代表的大型石油公司及相关科研院所、高校正在积极发展我国的深水海洋石油事业。海洋石油201、海洋石油981等大型深水工程船舶的建造完成，以及南海荔湾3－1深水气田的开发标志着我国的深水工程领域正在蓬勃发展，我国的深水石油装备制造、测试技术定会突飞猛进。因此，我国建造珠海水下测试基地是必要的，也是可行的。

3.2 对测试基地建设的建议

1） 为了便于测试，测试基地内至少包含加工制造中心、陆地测试中心及浅水测试中心等几大功能核心区。

2） 测试基地内应配备有大型吊机、液压站、加压设备、高压舱、拉力和扭矩测试仪器等。

3） 在测试的基础上制定一套水下装备制造测试的标准。

4） 若条件允许，浅水测试场应可以模拟海洋环境，以便开展更为精确的模型试验研究。

4 结论

FAT、SIT是2种最具有代表性的测试技术，目前只有少数跨国石油公司形成了自己的专业测试内容与测试规范。我国相关技术刚刚起步，对测试技术的研究迫在眉睫。本文总结了跨接管、管道终端等水下生产设备在FAT、SIT阶段的测试内容、意义及关键技术，给出了水下设备测试的一般步骤。对珠海测试基地建设的必要性与可行性进行了分析，为测试基地的建造提出了相关的建议，对于发展我国的试验测试技术、培养专业的深水工程队伍具有一定的指导意义。

致谢：本文得到了中海油研究总院、海洋石油工程股份有限公司相关领导专家的指导和中国石油大学（北京）海洋油气研究中心的全力支持，在这里一并表示感谢。

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Testing Technology of Subsea Jumper and PLET

HAN Feng1，DONG Nan1，DUAN Meng－lan1，LI Ting－ting1，HE Tong2
（1.Offshore Oil／Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing102249，China；2.Dept.of Mechanics and Engineering Science，Fudan University，Shanghai 200433，China）

The safe reliability and operability of subsea structures is critical for deep－water oil and gas field development.Based on the investigation of a great many engineering projects of testing of subsea structures，the activities and criterion requirements of typical Factory Acceptance Testing and system integration testing for PLET，jumper are highlighted，the related testing procedure is summarized.Then，the necessity and feasibility for China to construct subsea structure testing base is discussed，and suggestion for the construction of Zhuhai subsea structure testing base is advanced，which is of certain value for China to further study the subsea structure testing technology.

jumper；PLET；FAT；SIT

1001－3482（2012）07－0001－06

TE952

A

2012－01－20

国家科技重大专项“深水水下生产设施制造、测试装备及技术”（2011ZX05027－004）

韩 峰（1984－），男，山东东营人，博士研究生，主要从事海洋石油装备设计理论与方法研究。