深水防噴器控制系統(tǒng)試驗樣機研制

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(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)

深水防噴器控制系統(tǒng)試驗樣機研制

王莎，耿艷東

(河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552)

針對深水防噴器組控制系統(tǒng)體積龐大，直接進行整機海試，存在風險高、成本高的問題。通過簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，保留核心功能，建立縮尺寸試驗樣機。利用深水高壓艙對試驗樣機進行模擬深水環(huán)境試驗及可靠性試驗，試驗結(jié)果驗證了深水防噴器組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性。掌握了關(guān)鍵部件設計加工技術(shù)以及相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，為國內(nèi)首臺電液多路深水防噴器組控制系統(tǒng)的研制奠定基礎。

深水防噴器；控制系統(tǒng)；模擬試驗；海試；可靠性

Keywords：deepwater BOP；control system；simulation test；marine test；reliability

近年來，我國海洋油氣開發(fā)取得長足進展，作業(yè)水深也由淺水逐漸延伸到深水，鉆井平臺設備的國產(chǎn)化替代率日益增高。但是，平臺鉆井包核心設備——水下防噴器組及控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化替代率并不高。特別是深水防噴器組及其控制系統(tǒng)，屬于高風險、高附加值的井控裝備，全球市場一直由NOV、Cameron等國外廠家壟斷[1-2]。雖然國內(nèi)已有河北華北石油榮盛機械制造有限公司等單位著手研制，由于深水防噴器組控制系統(tǒng)整機直接海試風險高，成本高的問題，導致國內(nèi)替代品無法海試，制約了用戶的認可，也制約了國內(nèi)海工裝備的國產(chǎn)化進度。此外，由于深水防噴器組控制系統(tǒng)的控制對象眾多，體積龐大，造成水下防噴器控制系統(tǒng)無法在國內(nèi)現(xiàn)有試驗條件下進行全尺寸樣機的外壓試驗。雖然有仿真分析軟件可以進行水下防噴器組及控制系統(tǒng)的模擬分析，但是必須有相關(guān)試驗數(shù)據(jù)進行支撐，才能更加準確地進行模擬仿真[3-4]。因此，如何驗證國產(chǎn)設備在海水環(huán)境中的可靠性，取得相關(guān)基礎試驗數(shù)據(jù)，成為國內(nèi)廠家必須跨過的一道門檻。

1 總體設計

為了解決上述問題，有必要研制一套可以在現(xiàn)有高壓艙內(nèi)進行模擬深水環(huán)境試驗的縮尺寸試驗樣機。通過簡化現(xiàn)有112路電液多路水下防噴器組控制系統(tǒng)關(guān)鍵設備——水下控制箱的結(jié)構(gòu)，建立縮尺寸試驗樣機，并利用深水模擬試驗裝置的大口徑高壓艙，對試驗樣機進行模擬深水環(huán)境試驗及可靠性試驗，從而驗證深水防噴器組控制系統(tǒng)設計方案的可行性、可靠性、關(guān)鍵閥件的使用性能并掌握控制系統(tǒng)關(guān)鍵加工技術(shù)[5-7]。

試驗樣機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗樣機技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件研制

2.1液壓控制系統(tǒng)

2.1.1簡化系統(tǒng)搭建

因為擬用于試驗樣機模擬深水環(huán)境試驗的大口徑高壓艙最大直徑1.5 m，最大有效深度2.6 m，所以水下控制箱縮尺寸試驗樣機的整機尺寸必須限制在此范圍內(nèi)。由于水下防噴器組由多組水下防噴器及閘閥組成，其動作大多為開啟、關(guān)閉、解鎖、鎖緊等功能，這些功能所用壓力相同，屬于同一級的并列功能，這些重復的并列功能導致了水下防噴器控制系統(tǒng)規(guī)模龐大。通過刪減這些并列功能，保留有代表性的核心功能及相關(guān)控制油路，即可大幅縮減水下控制箱尺寸，使其滿足高壓艙內(nèi)試驗的要求。

整套試驗樣機由水下液壓管匯、水下電子艙、框架等組成，分上下兩層安裝，如圖1所示。上層為水下電子艙部分，主要用于安放電子控制模塊，實現(xiàn)控制信號轉(zhuǎn)化與信息反饋。下層主要是水下液壓管匯部分，該部分采用模塊化結(jié)構(gòu)，液壓油路及閥件均集成在液壓閥板上，便于更換調(diào)試。兩部分通過框架連接。因為水下控制箱需長期在海水中使用，耐蝕性要求很高，所以控制箱整機材料主要為耐海水腐蝕性好的奧氏體不銹鋼；非不銹鋼材質(zhì)部件則涂裝專用進口防水漆或特殊涂層。

一杭說：“這些東西反正他也用不上了，你看，你要是用得著的，就留下來，用不著的，我把它扔到垃圾桶去?！睂τ谶@個建議，老太太很滿意，把那臺舊電視留下來了，還有一張字臺和一個簡易衣柜。“字臺我留下，里面的東西你拿走吧。不過，我沒有鑰匙，你有嗎？”

水下控制箱縮尺寸試驗樣機的液壓原理簡圖如圖2所示。

圖1 縮尺寸水下控制箱試驗樣機

1—單向閥；2—蓄能器；3—傳感器；4—先導調(diào)壓閥；5—水下液壓閥；6—管匯調(diào)壓閥。圖2 試驗樣機液壓原理簡圖

2.1.2管匯設計制造

為使試驗樣機整機結(jié)構(gòu)更加緊湊，其管匯主要油路均集成在幾個閥板中，液壓閥件采用板式連接或管式連接，所有承壓螺栓均采用抗拉性能超強的合金材質(zhì)，閥板螺紋部分也采用特殊工藝用以保證螺紋使用壽命。這些閥板安裝在框架上，同時配以液壓管線形成一個完整的水下控制箱。液壓管線承壓能力均按照ASME B31.3計算校核。液壓接口根據(jù)壓力以及通徑不同選擇不同形式，保證控制箱各部分的承壓能力。

由于水下控制箱使用了許多高韌性的奧氏體不銹鋼材料以及一些高強度、高硬度的合金材料，這些材料均為難加工材料，加之控制系統(tǒng)采用集成的模塊化設計，閥板上有大量的長徑比較大的細長孔需要加工，加工難度很大。設計人員經(jīng)大量工藝試驗，確定了不同材料所需的切削參數(shù)，最終掌握了這些材料的加工制造技術(shù)。

2.2水下電子艙

由于深水防噴器組控制系統(tǒng)采用電液多路控制模式，其與傳統(tǒng)的分離式液控最大的區(qū)別在于水下存在電子控制模塊，水上水下通信通過電信號或光纖信號傳輸[8]。為了保證系統(tǒng)電控系統(tǒng)的可靠性，除少量必須裸露在水中的傳感器電氣接頭外，大部分的水下電子模塊均封閉在一個水下電子艙中。試驗樣機需模擬在3 000 m海水環(huán)境下使用，因此所有裸露在海水中的電器元件與液壓附件均需承受近31 MPa的外壓。由于控制系統(tǒng)電子模塊無法滿足海水外壓及絕緣要求，因此需將電子模塊放置在水下電子艙中。

2.2.1電子艙結(jié)構(gòu)設計

電子艙屬于受外壓的壓力容器的范疇。按照國家標準GB150《鋼制壓力容器》進行設計。外壓容器的失效形式主要是失穩(wěn)，例如受側(cè)向外壓作用的圓柱型容器的失穩(wěn)形狀通常是橫截面變?yōu)椴ㄐ?。進行穩(wěn)定性分析即屈曲分析時，通常首先進行特征值屈曲分析，然后參考其分析結(jié)構(gòu)進行非線性屈曲分析并最終確定結(jié)構(gòu)的臨界載荷。應用有限元分析軟件對電子艙進行了特征屈曲分析、非線性屈曲分析以及強度分析，如圖3所示。分析證明設計的電子密封艙能夠承受水深3 000 m的外壓。

圖3 電子密封艙有限元模型

2.2.2電子艙散熱分析

鑒于水下電子艙是一個密閉的容器，內(nèi)部安裝的電子模塊工作時要散發(fā)熱量，而模塊工作環(huán)境最高允許溫度為60 ℃，為避免熱量積聚導致系統(tǒng)故障，水下電子艙內(nèi)部電子模塊的選擇與布局均做了優(yōu)化設計，同時增大電子模塊與艙體散熱接觸面積，并對內(nèi)部模塊耗散的熱量和電子艙表面的散熱能力進行計算校核。經(jīng)計算，試驗樣機電子艙內(nèi)電子模塊的總功率為1 700 W，電子艙最大散熱能力為2 634 W，電子艙的散熱能力大于電子艙內(nèi)部電子模塊的耗散熱量，所以電子艙在深水3 000 m工作時，內(nèi)部電子模塊的熱量很容易散發(fā)掉，不足以影響電子模塊正常工作。

3 現(xiàn)場試驗

試驗樣機配合液壓站、蓄能器組、大口徑高壓艙、司鉆面板、中央控制臺、光電復合纜等外圍設備，即可形成一套基本功能齊全的電液多路控制系統(tǒng)，可完成水下防噴器的控制，實現(xiàn)水下防噴器組及控制系統(tǒng)聯(lián)動測試，如圖4所示。

該試驗樣機已完成地面與模擬水下工況的多項試驗，完成了與FZ35-35型防噴器的聯(lián)動試驗，動作正常，獲取了一批寶貴的試驗數(shù)據(jù)，證實了112路電液復合控制系統(tǒng)原理可行；以試驗樣機為測試平臺，對多種國產(chǎn)化關(guān)鍵閥件進行測試，取得了相關(guān)試驗數(shù)據(jù)及性能曲線，證明這些部件的性能可靠，滿足設計要求，為后續(xù)112路水下控制系統(tǒng)工程樣機的成功研制打下基礎。

圖4 水下防噴器控制系統(tǒng)及防噴器聯(lián)動試驗示意

作為控制井噴事故的關(guān)鍵井控設備，其響應時間有嚴格要求。美國石油學會API在相關(guān)標準及規(guī)范中規(guī)定：水下防噴器組控制系統(tǒng)對每一個閘板防噴器的關(guān)閉響應時間應不超過45 s，對每一個環(huán)形防噴器的關(guān)閉響應時間應不大于60 s[9-10]。為驗證水下防噴器及控制系統(tǒng)滿足上述要求，利用水下控制箱試驗樣機，對FH48-70型水下環(huán)形防噴器、2FZ48-105型水下閘板防噴器進行反復關(guān)閉試驗，環(huán)形防噴器的關(guān)閉時間，基本穩(wěn)定在39 s，閘板防噴器的關(guān)閉時間穩(wěn)定在25 s，符合API Spec 16D規(guī)范對大通徑水下防噴器的響應時間要求。

4 結(jié)論

1) 該試驗樣機采用先進的電液多路控制系統(tǒng)設計理念設計建造，具備體積小、代表性強等特點，可替代體積龐大的真實控制系統(tǒng)進入模擬深水環(huán)境高壓艙內(nèi)試驗，驗證國產(chǎn)112路水下防噴器控制系統(tǒng)方案的可行性及可靠性。

2) 水下防噴器組控制系統(tǒng)中最基礎核心的部件是液壓閥件，但國內(nèi)尚無相關(guān)支撐產(chǎn)業(yè)。該試驗樣機則為這些閥件的國產(chǎn)化提供了試驗平臺，通過對國產(chǎn)化關(guān)鍵閥件進行艙內(nèi)測試，獲得了一系列寶貴的水下試驗數(shù)據(jù)，有利于國產(chǎn)閥件的功能驗證以及性能改善。

3) 在試驗樣機試制過程中，對水下防噴器及控制系統(tǒng)關(guān)鍵設備研制所需的關(guān)鍵加工技術(shù)以及重大技術(shù)改進進行了驗證，并可隨時向顧客展示水下控制系統(tǒng)的性能，有利于增強客戶信心，提高顧客對該產(chǎn)品的認可度，推動了水下防噴器及控制系統(tǒng)國產(chǎn)化進度。

4) 國產(chǎn)化井控設備利用縮尺寸模型在實驗室中進行模擬深水環(huán)境試驗，驗證了相關(guān)技術(shù)。下一步爭取實現(xiàn)單元設備乃至全套水下防噴器組及控制系統(tǒng)的海試應用，最終實現(xiàn)鉆井平臺井控設備國產(chǎn)化。

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DevelopmentofExperimentalPrototypeforDeepwaterBlowoutPreventerControlSystem

WANG Sha，GENG Yandong

(RongshengMachineryManufactureLtd.ofHuabeiOilfield，Renqiu062252，China)

TE951

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.05.015

1001-3482(2017)05-0071-04

2017-03-12

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)“深水防噴器組及控制系統(tǒng)工程化研制”(2013AA09A220)

王 莎(1983-)，女，河北辛集人，工程師，現(xiàn)在從事石油機械控制技術(shù)方面的研究工作，E-mail：wangsha789@sohu.com。