基于玻璃纤维增强塑料水下结构物的防护设计

李 想 高 爽 石锦坤 李义全 张云鹏

（1.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东 深圳 518000；2.中海油深圳海洋工程技术服务有限公司，广东 深圳 518000；3.北京玻钢院复合材料有限公司，北京 102101）

中国南海油气开发逐渐走向深水领域，与传统的导管架平台开发的昂贵成本相比，水下生产系统不仅开发成本低而且受海洋环境影响极小，因此被广泛运用于深水油气开发。随着近海渔业迅速发展，渔业捕捞活动给水下油气设施安全运行埋下了极大的风险隐患，例如渔船拖网设备对水下油气生产设施产生了拖挂、缠绕、倾覆现象以及来往船只造成的落锚冲击情况等，这都将严重影响油田正常生产。目前，国内通常采用钢制格栅保护罩的形式，抗冲击韧性一般，不仅质量大，且应对深水的恶劣海洋环境耐性较差，需要采取较好的防腐措施。在过去的二十年里，以玻璃纤维为代表的复合材料由于其具有严格的力学性能、较小的自重、良好的耐盐水腐蚀性和隔热性能，被欧洲海洋工程公司逐步应用于海洋石油开发领域。而国内起步较晚，工程经验较少，相应的设计手段和设计规范较为缺乏[1]，长期依赖于产品进口。

以南海某油田的海底管线终端（PLET）为保护对象，基于DET NORSKE VERITAS（DNV）标准NORSOK-U-001和ISO 13628-1规定的水下油气设施的防护设计指标，并结合结构物海上安装要求，完成了首套国产玻璃纤维复合材料PLET防护罩的研发工作。该文介绍了其设计规则，为国产复合材料防护结构在海洋石油工程领域的设计及应用积累相应的工程经验。

1 南海水下油气设施现状

1.1 南海水下油气设施损伤现状

随着渔业捕捞装置的进步和捕捞范围扩大，水下油气生产设施受到渔业活动的影响也越来越严重。根据前期对水下油气生产设施的检查结果可知，目前，水下180m～300m油气生产设施受渔业损坏事件频发，可发现有多处管缆、采油树出现渔网缠绕、拖挂以及渔锚拖挂现象，严重影响油田的正常投产运行，造成极大的经济损失。从目前所掌握的资料来看，损伤集中发生在未采用保护措施的水下油气生产设施上，而已经采取保护的水下结构物暂未发现异常。如图1所示，由于渔船抛锚拖挂，在水深300m的水下采油树上出现了大面积的渔网覆盖和缠绕现象，在水深200m处的海底脐带缆出现了打扭和损伤的情况，因此，对南海油气田水下生产系统结构物影响最大的仍然是渔业活动。在规范ISO 13628—15中也明确指出，水深750m以内的水下油气生产设施应该考虑捕捞发展所带来的不确定性影响，提前采取保护措施，因此，在南海范围内的油气田水下生产系统的保护需求也要重新评估和确认。

图1 南海渔业活动对水下油气设施的影响

1.2 渔业活动的影响

从文献[2-3]中可以分析渔业捕捞活动对水下油气生产设施的影响：在渔业捕捞过程中，随着船只和渔具不断向大型化发展，其抛锚的深度及触底的深度也不断增加（见表1），对水下油气设施的冲击事件不断增加，严重威胁油气设施的安全运行。

表1 各作业方式渔具及渔船锚触底的深度

近海渔业的捕捞作业方式有拖网、张网和钓具等。由于单拖网其捕捞深度为300m～400m，作业形式灵活，因此具有较好的效益，在渔业活动中得到更广泛地运用。在拖网作业过程中，网具上的拖板会在船舶运动下产生张力，使渔网完全展开，并在重力作用下下沉至海底触泥，在拖动过程中极容易对水下油气设施的运行造成威胁，其作业形式如图2所示。

图2 拖网捕捞作业形式

2 玻璃纤维复合材料防护结构设计

2.1 水下生产设施防护的通用要求

目前，国际一些知名工程公司（例如国民油井华高NOV、挪威CSUB、英国壳牌等）对水下油气生产设施防护具有较为丰富的应用经验，特别是在英国北海及挪威等地的石油公司，很早就针对当地发达的渔业捕捞活动进行评估和防护设计[4]，基于实际工程应用经验建立NORSOK、ISO 13628-15等规范来指导设计，保障油田生产安全。对水下生产设施结构防护来说，其设计应满足以下3个要求：1）根据被保护物的形状特征，不同保护罩的外形尺寸即使存在一定差异，但整体结构外形应符合渔网易于通过型，其边角与水平地面夹角≤58°。2）结构物整体应光滑，外表无突起结构，舱门与ROV抓手应设计为内凹式。3）其结构强度和技术指标应满足NORSOK STANDARD U-001及DIN EN ISO 13628-1的相关规定，可有效抵抗冲击变形，其指标见表2和表3。

表2 防渔网拖挂设计参数

表3 冲击载荷参数

于春洁等进行了水下生产设施结构在东海渔业作业方式下承受的撞击力和拖挂力试验研究，NORSOK规范推荐数值与其结果相比是保守的，基于该数值设计的水下油气生产设施防护结构物可满足油田水下生产系统的防护要求。4）应当充分考虑ROV（遥控无人潜水器）工作的友好性，同步设计方便ROV操作的把手和稳定身形的抓手，方便ROV在水下结构物的安装过程和检测过程进行操作。这是因为在进行海上安装施工的过程中，对结构物的就位位置、水平度和艏向的精度要求极高[5]，在人员无法到达的水下，水下结构物的就位安装工作只能交由ROV来完成。在投产后，由ROV定期对结构物在生命周期内进行检测、维修和维护是海上油气田安全生产和设施完整性管理必不可少的工作[6]。

2.2 复合材料在海洋工程中的应用优势

在海洋中，化学腐蚀与海生物附着一直是影响钢制结构物寿命的重要因素，需要对其进行反腐蚀设计并进行定期维护检查，需要长久的维护成本以保证水下钢制结构物结构的完好性。目前，我国海域已经开发了约40个海上油田，具有广阔的海上油气发展前景[7-8]，有大量以前投产的水下油气生产设施亟需进行后保护设计，以防止受外在因素的影响。因此，与传统的钢结构保护罩相比，密度为钢的1/3～1/4、耐海水腐蚀且具有强度极高的复合材料，更适用于深海油气开发，具有以下钢结构无法比拟的优势：质量轻，耐腐蚀，可以有效地减轻自重，不仅能节约能源，而且易于施工；复合材料结构成型工艺简便，维修便捷，可采用同一模具批量生产、周期短；优异的耐海水腐蚀和抗海生物特性使其与同类钢产品相比，整体运营成本低[9]，具有显著的经济效益。

3 玻璃纤维复合材料PLET保护罩结构设计

以防止渔业活动对PLET的影响为设计重点，结合规范NORSOK STANDARD U-001及DIN EN ISO 13628-1，本项目设计生产的玻璃纤维复合材料PLET保护罩具有防渔具拖挂、抵抗落锚/落物冲击、ROV友好功能。如图3所示，其总体尺寸为19.2m×11.8m×3.3m，由保护罩与底部钢质基座组成，保护罩承担包括渔具拖挂、落物冲击的防护功能，钢质基座主要起到安装和服役过程中的配重和就位过程中的导向和锁定功能。保护罩整体结构设计分为结构本体、帽形筋以及吊耳3个部分，结构物本体的结构厚度为36 mm，帽形筋的整体结构设计与结构本体一致，为了避免海底泥沙在帽形筋中堆积，在其上方铺设厚度为20 mm的上表面，同时具备一定的增强作用。吊耳进行了加强设计，总厚度96 mm。

图3 玻璃纤维复合材料PLET保护罩

在ROV友好设计方面，在开关舱门、就位稳定已经锁定插销部位留有可供ROV抓手抓紧的结构物（如图4所示），使ROV能够在指挥、吊机、船舶以及定位等岗位的协同下，高效精准地将结构物在水下安装就位，并实现后续检测、回收功能。

图4 玻璃纤维复合材料PLET保护罩ROV友好性设计

4 产品试验

根据水下生产设施防护的通用要求，对玻璃纤维复合材料PLET保护罩进行渔网通过性测试、落物冲击测试及ROV友好性测试，以验证其是否满足工程应用要求。

4.1 渔网拖挂试验

按照NORSOK-U-001和ISO 13628-1设计要求，该保护罩边角与地面夹角设计为57°，结构物外表光滑平齐无任何障碍物，所有舱门和ROV抓手都是内凹式设计，无任何突起，使用行吊拖拽渔网分别从PLET保护罩的长边和短边进行拖挂，控制速度为3m/s。经过试验，渔网均能顺利通过保护罩结构整体，未产生拖挂现象，可满足渔网的通过性要求。

4.2 落物冲击试验

冲击性能测试是重要的产品质量验证手段，本次试验采用自由落体的方式，将重物提升至一定高度进行释放，利用重物的重力和加速度对试件进行冲击，如图5所示。

图5 冲击试验设计图

4.2.1 玻璃纤维复合材料样件

长宽尺寸为2m×2m的玻璃纤维复合材料层合板。

4.2.2 金属落物

为满足20kJ、50kJ和冲击能量对应区域的要求，落物的参数设计见表4。

表4 冲击参数

4.2.3 举升装置

利用桥式起重机作为落物提升装置，将高度提升0m～10 m，通电使电磁吸盘产生磁力，紧紧吸住接触在吸盘表面的金属圆柱体，当举升至预定高度时，采用断电消磁的方式使金属冲击金属圆柱体，自由落体冲击玻璃纤维复合材料层合板。

如图6所示，在20kJ和50kJ的落物冲击下，该玻璃纤维复合材料层合板在表面存在一些冲击痕迹，当冲击载荷达到50kJ时，中心冲击区域出现明显的分层现象，但整体结构完好，能有效抵抗50kJ的冲击能量，可认为设计强度符合规范要求。

图6 冲击测试结果

4.3 ROV友好性试验

ROV陆地协同测试是验证ROV友好设计能否支持水下安装工作的重要手段，能够提前发现设计方面的不足，提出改进措施，提高海上安装工作效率。测试将使用1台工作级ROV Furgo FCV3000，具有1个5Te和7Te的机械臂，模拟完成PLET保护罩安装就位的过程。ROV舱门开合测试：由ROV机械手臂测试舱门开合过程，达到海上安装时开关舱门以观察连接器状态及后续检修的目的。ROV把手测试：由ROV机械手臂进行抓合测试，确保抓手强度和空间能满足海上安装需求，有效减少就位过程中的ROV身形不稳问题。水下回接吊耳测试：在水下生产设施出现故障需要回收保护罩进行维修时，ROV可使用ROV卸扣在水下连接吊装索具，实现保护结构回收功能。

5 结语

随着南海油气开发向300m以上的深水不断挺进，其油气田的开发模式愈发侧重于水下的整体开发模式。而南海渔业捕捞活动的加剧，严重威胁油气设施安全稳定生产。因此与钢材相比，质轻高强而又耐腐蚀的复合材料就成了水下生产设施防护的新思路。

该文基于NORSOK STANDARD U-001和ISO 13628-1规范，设计首套国产玻璃纤维复合材料PLET保护罩，从设计上考虑防渔网拖挂、防抛锚冲击和ROV友好性，并完成相应的试验，成功地实现了其海上工程的应用，保护了南海某油田海底管线终端，不仅是国产复合材料在海洋油气开发领域的一次重要突破，还能起到给国产复合材料在海洋石油领域的设计方向和设计手段提供参考的作用，并积累海洋环境应用经验，推动国产复合材料在深水油气开发领域发挥更大作用。