水下防噴器組控制系統深水模擬試驗裝置研制

顧和元，侯國慶，郭雪，劉立兵

（河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘 062552）①

防噴器組控制系統在深水環境的工作可靠性一直是鉆井裝備制造行業和使用單位高度關注的問題。國內外相關的生產制造單位和科研院校已努力建造了性能優異、試驗能力強的深水模擬裝置。例如：四川海洋特種技術研究所研制了15 MPa的壓力試驗艙和100 MPa的壓力試驗艙，直徑分別是?1800mm和?300mm，可分別模擬1500 m 水深環境和10000m 水深環境；中國石油大學研制了用于鉆完井理論研究的深水模擬試驗裝置［1］，內徑?1120mm，工作壓力可達50 MPa；中國石油天然氣集團公司海洋工程技術重點實驗室研制了用于海工結構物強度檢測的深水模擬試驗裝置［2］，30 MPa壓力的試驗裝置內徑?1000mm；美國Cameron公司有大型深水試驗艙，用于其水下防噴器控制系統的功能測試。其他國家也建立了規模宏大的深海環境實驗室［3］，為潛艇結構艙段、各類潛器、水下生產設施、探測儀器等新型深海裝備進行耐壓結構試驗、水密性試驗、設備調試等。河北華北石油榮盛機械制造有限公司承擔了國家的深水鉆井防噴器組及控制系統研制任務，研究的3000m 水下控制系統的控制箱原理樣機直徑為1200 mm 左右，功能接口多。國內現有的深水模擬試驗裝置滿足不了試驗要求，國外雖有同類深水模擬裝置，但試驗周期長，費用高，研究進度受到限制。為保證研制出的水下防噴器組控制系統具有較高的可靠性，且能夠實現設計、制造和檢測技術自主化，設計建造了一套大型控制系統及其閥件的功能測試和可靠性研究的深水模擬測試裝置。

1 總體設計

深水模擬試驗裝置由42 MPa 小高壓艙、30 MPa大高壓艙、艙室及被測部件增壓、穩壓及安全泄壓的液壓控制系統、PLC 電控系統及艙內監控系統組成。其中：42MPa小高壓艙可模擬4200m 深水工作條件，用于深水防噴器組控制系統深水電磁閥、深水液壓閥、梭閥、單個控制零件等控制元器件的深水功能測試和可靠性研究；30 MPa大高壓艙可模擬3000m 深水工作條件，用于深水防噴器組控制箱原理樣機及各類大型控制系統總成的深水功能測試和可靠性研究。控制系統可提供0～42MPa的壓力，可對高壓艙和測試部件進行增壓、穩壓，安全泄壓操作，模擬在深水環境中控制系統對控制對象的操作。電控系統可根據壓力變化和控制程序啟動和關閉蓄能器及增壓泵，實時記錄控制系統壓力變化曲線，生成報表；艙內水下攝像機可實時監控艙內閥開關動作、電子艙耐外壓形變等試驗情況。

2 關鍵部件設計

2.1 高壓艙及光電纜接口

高壓容器的端部連接結構有法蘭連接、螺紋連接、卡箍連接等形式。通過對多種結構形式的分析對比，42 MPa高壓艙采用螺紋壓塊式連接結構，密封可靠，有效地降低了艙體的外形尺寸，拆卸方便。艙蓋上有艙室液控連接口、放氣口、控制電纜連接口測試元件液控連接口 30 MPa大高壓艙殼體與端蓋采用卡塊式連接結構，拆卸快速省力；側出口上具有多個液壓管線接口、監控電氣接口、濕式電氣接插件、深水光電纜穿艙密封機構。可對控制系統樣機、水下電子艙殼體、深水光電纜及終端等進行壓力、密封性、絕緣性等測試。研制的高壓艙如圖1～2所示，技術參數如表1。30 MPa高壓艙采用立式安裝方式，42 MPa高壓艙配有臥式支座，可根據試驗要求采用臥式或立式安裝方式。

圖1 30 MPa大高壓艙

圖2 42 MPa小高壓艙

表1 高壓艙技術參數

水下防噴器組控制箱原理樣機及各類大型控制系統總成在大高壓艙內試驗時要與艙外電控系統和液控系統連接及通信，通信光電纜密封的可靠性直接決定試驗的成敗。設計了專門用于?27.94 mm（1.1英寸）海底通信光電纜的穿艙密封裝置，如圖3所示。法蘭安裝在高壓艙殼體側出口上，法蘭通孔可通過海底光電纜直徑?110mm的光電纜接頭，內部安裝密封件密封高壓艙內30 MPa的壓力在高壓艙腔體內部安裝光電纜夾持機構，夾持光電纜，艙內的壓力將在光電纜表面施加正壓力，利用密封件和光電纜之間的摩擦力克服光電纜橫截面在艙內壓力作用產生的軸向位移。設計時應滿足式（1），即

式中：R為光電纜半徑；L為夾持機構夾持長度；f為摩擦因數。

圖3 光電纜穿艙密封裝置

2.2 液壓控制系統

液壓控制系統是由3臺高壓柱塞泵提供動力，1臺為大流量泵，流量60L／min，壓力90MPa；2臺為小泵，流量30L／min，壓力70 MPa。3臺泵組合理布局，泵組排量與壓力均衡且考慮各個試驗裝置的極限狀態。液壓控制系統動力源根據需要向大高壓艙、小高壓艙、水下液壓元件試驗臺、艙內試驗元器件和試驗樣機提供水或水－乙二醇介質的液壓液，模擬不同水深的壓力，進行被試設備的給壓及卸壓功能測試。液控原理如圖4，實物如圖5。

圖4 液壓控制系統原理

圖5 液壓站

左側柱塞泵為深水液壓閥（SPM）和深水電磁閥（DDV）壽命試驗提供液壓動力，液壓閥和電磁閥安放在小高壓艙內，由右側柱塞泵對高壓艙施加30～42 MPa的深水模擬壓力，液壓動力通過過濾器、減壓閥觸發電磁閥動作，電磁閥觸發液壓閥動作，高壓液壓液通過液壓閥，完成1次開關沖擊試驗。通過開關沖擊次數來檢驗深水環境中電磁閥和液壓閥的使用壽命。中間柱塞泵為高壓艙中控制系統原理樣機的電磁閥和液壓閥提供液壓動力，右側柱塞泵為大高壓艙提供模擬3000m 水深的壓力，液壓電磁閥觸發液壓閥動作，高壓液體通過液壓閥觸發執行機構（防噴器液壓腔）關閉或開啟。通過測量液控操作和執行機構的時間來檢驗深水防噴器的響應時間。

2.3 電控系統

電氣控制系統以西門子S7－200型PLC 作為主控制器，采用組態王監控軟件作為人機交互界面。通過PLC編程可以實現對控制系統元件動作的循環控制以及壓力、流量等信號的采集［4］，通過工控機和組態軟件實現對試驗過程的自動控制，使試驗操作簡單化，節省大量人力。電控系統操作臺與操作界面如圖6～7所示。

圖6 電控系統操作臺

圖7 電控系統操作界面

電氣控制系統由動力柜和操作臺組成。動力柜主要安裝斷路器、熔斷器、接觸器、熱過載保護器等電機主控元件。動力柜能給電機提供過流、過壓、過載、缺相等各種保護功能，保證油泵的正常運行。操作臺安裝有PLC、工控機、顯示器、直流電源、繼電器等控制元件。PLC 中運行電機控制、閥件開關控制、傳感器信號轉換等各種控制和保護程序；工控機中安裝組態王監控組態軟件，各種人機操作界面根據液壓控制要求設計，液控系統中電機的啟動和停止通過點動操作臺上的按鈕控制，各種閥件開關等操作在操作界面上控制。

2.4 水下監控系統

水下攝像監控系統主要由水下攝像機、水下照明燈、穿艙電纜組件、監控計算機組成。水下攝像機和照明燈是深水監控專業設備，額定工作水深高達4000m，供電電源為120VAC，照明燈亮度可以通過旋鈕進行調節。攝像機和照明燈的安裝位置和角度可以通過手動調節，便于準確采集圖像。穿艙電纜組件采用專用水密封穿艙件，額定工作壓力高達70 MPa，將電源和信號從控制室傳遞到高壓艙內。控制室中的監控計算機中安裝專用攝像采集卡和監控軟件，把從攝像機接收到的信號進行處理，清晰地顯示在電腦屏幕上。

3 試驗結果

3.1 深水設備外壓和密封性能試驗

對水下控制箱電子艙進行了30 MPa外壓和密封性能試驗。試驗后拆卸檢測電子艙關鍵尺寸，無超差，電子艙殼體可以承受30 MPa的外壓；檢測內部無漏水現象，電子密封艙艙底法蘭和鐘型罩之間密封性良好。試驗證明：所設計的電子艙能夠在水深3000m的環境中穩定工作滿足設計要求。

3.2 深水閥件開關試驗及壽命試驗

對于深水電磁閥和深水液壓閥，模擬3000 m水深環境的開啟和關閉試驗及密封試驗，閥開啟和關閉動作正常；試驗后拆檢閥，元件無損壞現象，內部無漏水現象。模擬了3000m 水深的2000次開關壽命試驗。試驗結果證明：設計的深水電磁閥、深水液壓閥開啟和關閉性能、密封性能及可靠性能夠滿足深水工作需要。

3.3 深水控制系統原理樣機聯動試驗

對水下控制系統原理樣機模擬3000m 深水環境進行了聯動試驗（如圖10～11）。試驗證明：水下控制系統原理樣機執行機構在30 MPa外壓下可以正常開啟和關閉。通過對FHZ48－70型環形防噴器、2FZ48－105型閘板防噴器進行多次聯動試驗，控制系統關閉環形防噴器的響應時間均不超過39s，關閉閘板防噴器的響應時間均不超過25s，符合API 16D 標準要求［5］。通過對水下控制系統原理樣機的試驗，為水下控制系統112路工程樣機的研制積累了大量試驗數據。

圖10 水下控制系統原理樣機模擬試驗現場

圖11 水下控制系統原理樣機模擬深水聯動試驗曲線

4 結論

1）該套深水模擬試驗系統是用于水下防噴器組控制元器件和樣機的試驗裝置，分別模擬3000 m 深水和4200m 深水壓力，可為研制的樣機進行海試提供必需的試驗數據。

2）對水下防噴器組控制系統電子艙、深水電磁閥、深水液壓閥、控制系統原理樣機進行了耐外壓試驗、水密封試驗、深水壽命試驗等，試驗結果符合設計和相關規范的要求，證明試驗裝置能夠滿足深水防噴器組控制系統的測試要求。

3）通過對小型控制箱原理樣機的試驗，為112路控制箱工程樣機提供了大量的試驗數據，縮短了水下防噴器組控制系統研制周期。

4）深水電磁閥和深水換向閥的壽命試驗為下一步深水防噴器及控制系統可靠性研究提供了有益的參考依據。

5）該套試驗裝置用于模擬深水環境，不僅為深水防噴器組控制系統閥件和深水控制系統的科研和生產提供了測試平臺，也可對其他深水環境下工作的設備進行外壓試驗、水密封試驗和控制系統的聯動試驗等。

6）該裝置僅可以進行常溫環境下的深水模擬試驗，如果進行深水高、低溫的模擬試驗還需對裝置進行改造，例如高壓艙增加可灌充乙醇的外夾套用于模擬深水低溫環境，或增加加熱裝置用于模擬深水高溫環境。

［1］楊進，劉書杰，周建良.深水石油鉆采設備工程深水模擬試驗裝置的研制［J］.石油機械，2011，39（8）：1－3.

［2］姚志廣，秦延龍.中國石油天然氣集團公司海洋工程技術重點實驗室特色試驗技術［J］.石油工程建設，2010，36（6）：79－80.

［3］姚志廣，秦延龍，趙開龍.深水高壓艙典型試驗實例研究［J］.石油工程建設，2011，37（增刊）：14－16.

［4］林鎮詩，余建星，王永更，等.深水海底管道屈曲試驗數據采集技術研究［J］.石油礦場機械，2011，40（12）：62－66.

［5］API Spec 16D.Specification for Control Systems for Drilling Well Control Equipment and Control Systems for Diverter Equipment［S］.Second Edition.2004.