水下产品三维技术能力提升及应用研究

何鑫，姬兴达，王康，张皓，王焱(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引言

当前，三维技术能力的应用已经涉及到很多大型复杂装配体中，但对于水下产品大型复杂装配体的建模仍缺乏经验，并且在水下产品的三维设计过程中，结构和总体、机械两条线并行，专业接口容易出错，效率低，以往模型的重用度不高，三维建模的规范性不高，标准化系列化不足，维模型和图纸未能绑定驱动，模型修改之后，还需要进一步导出CAD 修改，设计效率低。

以当前水下产品的项目要求为例，当项目水深突破1 500 m 时，一般要求30 年免维护，并且工艺管线、液控/化学注入超双小管工作量大，小管加设、施工、测试往往缺乏经验，缺少施工、测试专用设备。业主供货材料(CPI)种类繁多，有时会多达24 大类，超过2.3 万件材料，且没有相关使用经验，还会存在对业主方的文件体系和要求不熟悉的情况。面对项目工期短、任务重的情况，如何能够合理利用水下产品三维技术，扩展应用场景，解决应用过程中的关键技术问题，是目前需要解决的主要问题[1-2]。

1 三维技术概要

三维模型是三维一体化出图的基础。只有高准确度、高精细度、高完成度的三维模型才能满足后续工作的需求(例如：工程图绘制、料单统计、干涉检查、重量中心提取、电缆布线等工作)。图层是数据组织和管理的基本单位，对空间数据进行分层是对数据管理的重要内容，分层管理便于数据处理和分析，在图层支持下，地图编辑、制图综合、专题制图会更加方便、准确、迅速，在三维设计平台上完成工程图绘制，可以让设计人员在编辑三维模型时所做的每处更改，自动更新到相关联的视图、图纸和工程图中。叠置分析是三维空间技术常用的方法之一，图层叠置分析是指多个图层在空间上进行叠加产生新图层，并对新图层进行计算分析，产生用户需要的结果或回答用户提出的问题。图层叠置分析需要两个或两个以上图层参与，涉及到逻辑并、逻辑交、逻辑差的运算。因此设计人员无须手工重新编辑工程图纸，从而降低发生错误的可能性，极大地提高了工作效率。在三维设计平台上完成料单的统计，具有快速、清晰、简易、模型联动的特点。设计人员无须进行机械式的统计工作，统计出来的数据也会随着产品设计的变化而变化，极大地提高了工作效率[3]。

以某管汇的三维模型建立工作为例，在应用三维技术完成模型建立后，以此为基础，可以提升水下产品大型装配体的建模技术能力，完成突破三维模型到二维工程图的转化能力，完成水下产品企业库搭建，并且运用Visualize 完成渲染图，包括中心管汇效果图，总体布置效果图等，并完成PDM 功能的搭建与应用[4]。

2 三维模型解决途径

模块化：对于常用的水下产品，做成块或者基型产品进行保存，项目需用时，按需求调用，采用“拼积木”的方式进行搭建即可；

参数化：对于同种类型的水下产品或者零部件，在做设计时充分考虑参数化驱动，在需要修改时，只需要修改关键的驱动参数，就能生成新的产品或者零部件；

自动化：对于标准件库或者外购件库、实现分类收集管理，项目需用时，直接调用即可自动生成[5]。

三维模型问题的主要解决途径主要包括：标准化三维模型、标准化零件库、标准化设计库、标准化文件等。

标准化三维模型：PLET(固定式、滑移式、折叠式)、PLEM、带压开孔结构、PLR(立式、水平)、法兰保护器、HDM、EDB、MQC；标准化零件库：标准件库、外购件库、厂标件库、模块库；标准化设计库：素材库、材料库、注释库、焊件截面库；标准化文件：零部件命名规则、工程图绘制方法、焊件截面设计方法。

3 案例分析

某30-88 水下中心管汇是A 公司承担的带控制系统的管汇，该中心管汇设计水深2 000 m，应用水深670 m，中心管汇将实现与8 口水下采油树的连接，具有SCM、SRM、连接器、水下阀门、电液飞线、多相流量计等整套设备，管汇重量超220 t，整体结构的设计非常紧凑，集成度非常高，制造、测试难度较大。

3.1 项目困难

该项目水深突破1 500 m，是公司第一个自主开发的深水项目，A 公司首次全面开展带控制系统中心管汇的制造、测试工作，当前面临的主要困难包括：(1)项目对于技术、质量、采办、安全、过程控制要求严格；(2)项目工作量大、工期紧；(3)超双小管的长度突破10 km，洁净度要求高，安装和测试难度大；(4)缺乏各方面相关经验。

另外，在管汇结构建造难点，主要包括：(1) 管汇结构：次结构数量占比约 50%(对结构制造流程和防腐有很大的影响)；(2) 尺寸精度控制严格，关键尺寸需使用全站仪测量和控制；(3) ROV 面板需要等离子切割，以保证仪控管线定位的准确性；(4)焊缝多为全熔透焊接；加大了检验的难度和工作量。

3.2 三维模拟的主要内容

基于三维技术的水下产品模型设计，三维模型可以详细地说明水下产品所涉及的材料、功能、建造、技术要求等所需要的资料信息。三维建模的方法能有效重构出领域内专家的知识及知识的运用，为水下产品的设计提供了重要手段，将水下产品的信息内容、采用规则的形式存于知识库，作为三维设计的主要依据。主要包括四个方面：安装阶段，顶部操作，前后左右四个面操作，连接器操作。安装阶段是指卸扣拆除、向柱安装拆除。顶部操作是指阀门操作、SCM/EDB 舱盖打开。前后左右四个面操作是指阀门操作、电飞线操作、CIMV 操作。连接器操作是指垂直连接器(VCS)操作、脐带缆连接器(HCS)操作。

3.3 解决的关键技术

针对当前存在的诸多困难，A 公司克服利用三维建模，解决了该项目在建设过程中的关键技术[6-8]，主要包括：(1)深水管汇尺寸控制技术。提前规划管汇关键尺寸(94 个关键尺寸)，提前对尺寸控制点进行技术交底，施工人员和QC 人员根据精度控制需要开展工作，整个流程完成闭环控制。(2)深水管汇核心设备/部件安装技术。翻译整理核心设备/部件管理程序(含保管、存储、搬运、维护、使用等)，通过培训/交底的方式传递给施工方/项目管理/质控人员，并且解读CPI 程序、图纸和操维手册，开展多次技术澄清会、培训交流、技术交底，确保内容传达到位。(3)深水管汇工艺管线总装技术。包括：管线预制、安装定位主管阀门、安装主管线及管件、安装定位支管阀门、安装支管管线及管件、顶板及连接器总装、剩余结构杆件总装及补漆等。(4) 化学注入/ 液控tubing 管线制造相关技术。化学注入/液控tubing 管线分段设计技术。化学注入/液控tubing 管线冷弯技术：攻克化学注入/液控tubing 管的连续自动冷弯技术，并开发了100°过弯冷弯工艺，通过了第三方(DNV.GL) 的认证。化学注入/液控tubing 管线清洁技术：tubing 管线预制及总装阶段，通过设置独立加工区域、人员培训、管线端部保护、工机具使用、吹扫等措施，有效保障了管线内部清洁度；化学注入/ 液控tubing 管线焊接技术：开发了25Cr 超双tubing 管线焊接工艺；化学注入/ 液控tubing 管线现场组装技术：确立了tubing 管线的施工顺序安排、分区组装技术。(5)深水管汇核心设备/部件测试技术。包括固定端、逻辑帽、长期压力帽、保护帽、冲洗帽在内的系列产品的测试技术，SCM、EDB、电飞线等控制模块的测试技术，水下液控阀门、水平多孔连接器、水下蓄能器等产品的测试技术。(6)化学注入/液控tubing 管线高效冲洗技术。根据计算确定冲洗流量需求，考虑温度、管径、黏度等因素，结合测试实际，总结确定冲洗时间，在最优的时间内达到清洁效果，清洁度要求：液控系统达到6 级，化学药剂系统达到8 级。(7) 深水管汇制造及运输程序。包括：建造程序、吊装程序、焊接程序、弯管程序、涂装程序、运输和装船程序等。(8)深水管汇测试方案。编制了中心管汇测试方案确定了冲洗、通球、压力测试、tubing 冲洗及试压、阀门功能等FAT 测试内容，明确了测试接收标准，确定了装配、压力帽、连接器、通讯、ROV 接口及通道测试等EFAT/SIT 测试内容，明确了测试接收标准。(9) 深水管汇质量控制体系。包括：ITP、尺寸控制程序、无损检测程序等，建立了MQC、HCS、VCS等产品拆卸的完整材料追溯体系，建立了水下产品风险控制制度，推动建立水下产品质量案例制度。

3.4 功能测试

(1) 结构FAT。分为管汇模块结构FAT 和吸力桩结构FAT(可穿插在其他活动中进行)，测试内容包括：关键尺寸检查；标识检查确认；拖曳点检查；阳极位置/类型/数量检查确认；螺栓扭矩&电连续性确认；密闭空间泄流孔确认；牛眼调平；ROV 抓手位置检查；卸扣适配检查；缓冲器软着陆检查；SCM，HR 插头和EDB 舱盖测试；罗经支架界面测试；ROV 套筒界面检查/ 西部管汇阀门；MQC、EFL 方向及装配检查；重量、重心测量。(2)管线FAT。分为大管线FAT 和小管线FAT。(3) eFAT。验证控制系统工作是否正常。电缆连续性/绝缘/电阻测试；光缆测试；水下控制模块(SCM)接口检查/ 软件；启动/ 传感器测试/ 电力测试/ 隔离阀测试等；EDB 接口检查/ 界面测试/ 通讯测试等；液压控制阀门操作；压力温度传感器(PT/PTT)通信测试；自动清管球探测器(APD)通信测试；化学药剂注入计量阀(CIMV) 功能测试。(4) SIT。验证水下ROV 可操作性

3.5 主要成效

首次实现了大于600 m 带控制系统水下中心管汇的工程应用，实现了1 500 m 水深带控制系统水下中心管汇的批量工程应用。包括：形成了带控制系统复杂深水管汇的施工工艺流程、确定了带控制系统复杂深水管汇工艺管线总装技术，掌握了带控制系统复杂深水管汇尺寸控制技术、带控制系统复杂深水管汇核心设备/部件安装技术、化学注入/液控tubing 管线分段设计技术、冷弯技术、清洁技术、焊接技术、现场组装技术、带控制系统复杂深水管汇核心设备/部件测试技术、化学注入/液控tubing 管线高效冲洗技术，形成了一套完整的带控制系统复杂深水管汇测试流程。跟踪并了解复杂带控制系统深水管汇的扩展工厂接收测试(EFAT) 及系统集成测试(SIT) 技术，为后续自主完成相关测试工作奠定了基础。掌握了工程化垂直连接器(VCS)、水平多孔连接器(HCS)散供后厂内组装及出厂测试(FAT)技术。形成了一套完整的带控制系统复杂深水管汇制造及运输程序、带控制系统复杂深水管汇测试方案，建立了带控制系统复杂深水管汇的质量控制体系，研制配套了一系列深水管汇制造、测试所需的关键设备及工装，并且培养了一批水下生产设施制造、测试实施团队。

4 结语

本文运用三维技术，分析水下产品在设计、施工等阶段的关键技术，以三维模型，解决水下产品在全流程过程中的多个关键问题，加强水下产品今后的可靠性，并且建模的成果可以重复使用，并且在今后的运用过程中，不断修正结构，确保设计要求符合现场实际情况。同时，技术的应用可以更加明确水下中心管汇制造、程序和流程，确定主框架整体预制，先设备、次管件、后调整段、对称施焊的焊接工序，除了以上应用成效之外，提升水下产品的三维技术能力，还可以用于其他方面的技术成果提炼，包括：完善水下中心管汇的施工工艺。优化工艺管线和控制管线的加工设计方法、管汇整体框架反造、翻身的制造工艺，更好地保证了焊接的质量，减小了焊接变形。

掌握中心管汇尺寸控制标准。建立了水下管汇“结构-长度”尺寸公差表；建立焊接后“直线度、平面度、平行度”尺寸公差表；识别管汇关键尺寸，掌握了全站仪全程测量技术，保证了中心管汇的建造精度。

掌握水下中心管汇核心部件安装技术。建立了核心部件管理程序(含保管、存储、搬运、维护、使用等)；确立核心部件安装精度控制技术；建立核心部件全过程质量控制体系。