基于電液復合控制系統功能的淺水測試技術研究

劉立新，蘇　鋒，肖仕紅，陳　斌，梁　政，范玉楊，張汝彬

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.西南石油大學，四川 成都 610500）

基于電液復合控制系統功能的淺水測試技術研究

劉立新1，蘇鋒1，肖仕紅2，陳斌1，梁政2，范玉楊1，張汝彬1

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.西南石油大學，四川 成都 610500）

為掌握水下液控系統淺水測試技術，以常用的電液復合控制系統為基礎展開研究。分析電液復合控制系統的組成、工作原理和功能要求，結合現有標準要求和國內外測試現狀，提出淺水測試場需配置的測試系統及其連接方式，明確測試內容，編制測試流程，并闡述具體的測試方法。研究結果可為國內淺水測試場建設及水下液控系統淺水測試作業提供參考。

淺水測試技術；水下生產裝備；電液復合控制系統；測試流程

0　引　言

隨著全球能源需求的迅猛增長，陸上及近淺海油氣資源已難以滿足需求，越來越多的國家把目光轉向深海。深海開采對水下生產系統需求逐年增加，2012年，在役水下生產系統約3500多套，到2025年，預計達到7114套[1]。與陸上和淺海油氣生產設備相比，深水水下生產裝備具有施工風險高、技術要求高、投入成本高、設備維修成本高等特點[2]，并且對水下生產裝備的性能和可靠性提出了嚴格要求。為此，深水水下生產裝備在安裝前需完成一系列的測試，其中包括淺水測試[3-4]。特別是開發的新產品，通過淺水測試可以驗證設備的功能與可靠性，節約開發成本，降低風險。為了掌握水下生產裝備的淺水測試技術，需要深入研究淺水測試內容、測試流程和測試方法等技術。鑒于電液復合控制系統是深水水下生產裝備常用的控制系統[5]，本文主要針對該系統進行淺水測試技術研究。

1　電液復合控制系統簡介及其功能要求

電液復合控制系統[5-6]主要由主控站（MCS）、供電單元（EPU）、調制解調器、不間斷電源（UPS）、液壓動力單元（HPU）、水面控制纜終端（TUTA）、臍帶纜、水下控制纜終端（SUTA）、電液飛線、水下控制模塊（SCM）等組成。其控制通過電控系統和液控系統交互實現。電控系統工作原理為：地面MCS發送的控制信號通過EPU/調制解調器進入到TUTA，再通過臍帶纜到達SUTA，之后經過SUTA上的電信號分配模塊將控制信號分配到各采油樹、管匯或其他油氣田內的電飛線上，最后到達相應的SCM，SCM將信息解碼后采取適當的動作，如開關水下電磁閥或查詢水下傳感器；而水下傳感器采集到溫度、壓力等數據，再通過原路反饋到MCS。液控系統工作原理為：HPU輸出的控制液依次通過TUTA、臍帶纜、SUTA、液飛線，進入到SCM的水下蓄能器中。一旦SCM的水下電磁閥打開，則控制液通過水下電磁閥與水下生產裝備（如水下采油樹、水下管匯）上執行器的液壓管線驅動該執行器，從而打開液驅閥；一旦水下電磁閥關閉，則執行器中的液壓液與液壓回路相通，執行器通過彈簧力復位，從而關閉液驅閥。

為了保證水下油氣裝備的安全，在ISO 13628-6——2006[7]中，對水下生產裝備控制系統提出了相應的功能要求：

1）一般性能要求。為安全操作提供足夠的數據回讀信息，并對所需的過程關斷做出快速響應；確保系統在規定時間內的緊急關斷（ESD）功能。

2）操作壓力要求。在閥門制造商規格書中所給出的最惡劣工況下，控制系統應能提供足夠的壓力以打開水下閥門；最小操作壓力至少要比閥門制造商規定的最惡劣工況下的最小開啟壓力大10%；確保一個水下閥門打開時其操作壓力不能減少到使其他打開的閥開始關閉。

3）故障安全要求。水下生產系統在失去液壓動力時處于故障安全狀態。

4）響應時間要求。接到關閥指令，水下控制系統應使用主控模式在不超過10min的響應時間內關閉所有的水下閥，要求單個閥總關閉時間和總開啟時間中動作時間都不超過3min。

5）其他要求。滿足水下采油樹上各閥間的互鎖要求；能對水下設備進行所需的診斷和規范所規定的泄漏試驗等。

2　電液復合控制系統淺水測試現狀

2.1標準要求

水下生產裝備控制系統在投入使用前需經歷一套完整的測試：單元合格性測試、FAT測試、現場接收檢查、陸地測試（子系統測試、系統試驗、互換性試驗）、淺水測試、深水測試和后期完整性測試。所有功能要求不需在每個階段都進行重復測試，各階段的測試目的、測試環境和測試內容不同。

淺水測試是在成功完成陸地測試后進行的測試，在ISO 13628-1——2005[3]中，對淺水測試的必測內容提出了10項要求，其中與控制系統相關的內容為第6項 （使用修井控制系統進行的采油樹功能試驗）和第7項（使用水下生產控制系統進行的采油樹功能試驗）。

2.2國外研究現狀

早在20世紀60年代美國就開始了水下生產裝備的研究[8]，到70年代已實現了水下生產裝備的陸上測試和水下測試[8-10]。

20世紀80年代末，挪威Aker Vetco A/S、美國Vetco Gray Inc.和英國Vetco Gray UK Ltd.在開發位于挪威Tommeliten油田的第一個10 000 psi（1 psi=6894.76 Pa）水下采油樹系統時，承包商除了進行標準的工廠驗收試驗外，還進行了其他測試：水下氣密測試、擴展的FAT I和II、淺水測試和陸上集成測試[11]。在完成擴展的FAT I和II測試后，兩個采油樹和控制系統被運送到挪威水下技術中心進行淺水測試（如圖1所示），測試水深接近20 m；測試兩臺水下采油樹和控制系統在同時被測試情況下液壓控制系統的流速和反應時間以及控制邏輯等。

21世紀初，TEPC和FMC在開發MohoBilondo水下生產系統時，將一臺水下采油樹和一臺水下管匯沉于干船塢進行熱測試和淺水測試（見圖2）[12]。

2012年，FMC在開發Pazflor SSPS工程時，對水下生產系統和水下分離單元（SSU）進行了詳細的水下測試。主要包括TQP、FAT、EFAT、CDT、FT、SIT、SWT和HFT[13]。圖3為水下分離器的FT測試，將水下分離器部分浸入水中，測試所用的控制系統為實際工程操作所用的系統，測試平臺主要包括緩沖罐、循環泵、供給管線、回路管線、能供給高壓電力的高壓網站、臍帶纜模擬器、100m臍帶纜（與交付的臍帶纜規格相同）和空氣壓縮機。

目前，國外水下生產裝備的研制、安裝和應用技術已趨成熟。由于淺水測試成本較高，國外主要針對水下處理系統等新型水下生產設施進行淺水測試，而很少測試常規水下產品[14]。國內對水下生產裝備的研制還處于起步階段，其測試、安裝技術還需要展開深入研究。

圖1　水下生產裝備淺水測試

圖2　水下采油樹及管匯淺水測試

圖3　SSU部分水下測試

3　電液復合控制系統功能淺水測試技術

3.1測試系統

測試前，需建立完整的測試系統。圖4為電液復合控制系統功能淺水測試的典型測試系統，整個測試系統模擬了真實的控制系統，具有與實際生產設備相同的功能。如測試用液壓動力單元（THPU）為淺水測試場配置的專用測試設備，包含HPU的功能。圖中水上設備可以由測試方提供，相應測試設備固定在測試場中。若被測方只提供采油樹或管匯等水下設備，則只需將被測設備在淺水池安裝好，再通過臍帶纜或高壓軟管和測試電纜將水下設備與水面控制纜終端連接，從而形成測試系統。若被測方提供了用于油田生產的實際水下生產控制系統（主要指MCS、UPS、EPU、調制解調單元和HPU），則水上相應的設備可進行替換，將實際油田應用設備作為測試系統的一部分。淺水測試中若未提供臍帶纜，可通過擴展臍帶纜模擬器模擬實際臍帶纜的電液性能，以降低測試誤差。

圖4　電液復合控制系統功能淺水測試系統

3.2測試內容

通過調研分析國外的淺水測試技術，結合標準要求，確定電液復合控制系統功能淺水測試的內容主要有以下3個方面：

1）通信功能測試。測試整個電控系統的通信功能，即測試從地面操作臺、MCS到水下SCM、水下傳感器之間的通信功能。主要包括操作臺啟動測試、SCM通信測試和水下傳感器讀數測試。

2）SCM試運行測試。通過SCM試運行檢查THPU在內部管路充壓后的油箱液位高度；檢查整個高/低壓液壓系統各自的充壓時間及充壓后THPU的油箱液位高度；檢查系統充壓后SCM內部高/低系統的壓力值是否達到期望值。

3）閥操作測試。主要測試水下生產裝備（如水下采油樹、水下管匯）上任一水下閥的開/關性能，以及液壓系統的泄露程度；驗證整個控制系統的ESD功能。

通過淺水測試，驗證被測系統在濕環境下的通信、操作壓力、故障安全、響應時間、ESD等功能。

3.3測試流程

整個測試工作需嚴格按照圖5中測試流程進行。主要開展如下工作：

圖5　電液復合控制系統功能淺水測試流程

1）測試前準備工作。開始測試前，被測件應已完成了淺水測試之前的相關測試；已按照淺水測試要求安裝到位，如被測采油樹已安裝到淺水池中的假底上；所需測試設備已準備到位；此外，整個地面測試系統（包括電力/通信系統和液壓系統）已成功連接到位。

2）測試系統連接。主要完成地面設備與水下設備的連接，即TUTA與SCM的電力/通信和液壓連接。若采用臍帶纜，可通過單根臍帶纜同時實現，否則需采用測試線纜和測試軟管分別實現。若設備制造方提供了水下分配單元（SDU），則先進行TUTA與SDU連接，再進行SDU與SCM的連接。此外，若存在無線電通信，則需建立安全和可靠的無線電通信。

3）控制系統啟動測試。在完成了測試系統的連接后，啟動前需對整個測試系統進行電連接檢查、液壓系統檢查和上部動力及冗余檢查。即檢查MCS、EPU、HPU（或THPU）等的供給電壓/頻率，并依次啟動MCS、操作臺、EPU、HPU（或THPU）等地面控制設備，并建立MCS-EPU、MCS-HPU（或THPU）和MCS-操作臺兩兩間的通信。

檢查HPU（或THPU）蓄能器的預充壓力及油箱內油液清潔度，及HPU（或THPU）的輸出壓力；驗證THPU、EPU和MCS的冗余功能。

4）最后進行功能測試。即進行被測系統的通信功能、SCM試運行和ESD關閉功能測試。

3.4測試方法

3.4.1通信功能測試

操作方法：啟動操作臺，安裝好被測水下設備配套的控制軟件；然后按照SCM規格書檢查操作臺與SEM A和SEM B的通信，以保證操作臺與SEMs的通信正常；再檢查水下傳感器與SCM的通信，并記錄由SEMA和SEMB傳送到操作臺和MCS顯示屏上的水下傳感器（主要指生產壓力/溫度傳感器、環空壓力/溫度傳感器和流量傳感器）讀數。

通過通信功能測試，實現濕環境下電控系統的功能驗證。

3.4.2SCM試運行

SCM試運行即為通過MCS操作水下閥。測試步驟為：

1）關閉TUTA截止閥，給地面低壓（LP）和高壓（HP）管路充壓，確保供給油箱和返回油箱的液位處于正常操作范圍，記錄相應值。

2）通過ESD系統給LP和HP的ESD電磁閥通電。

3）打開TUTA截止閥，為HP和LP系統充壓，并記錄充壓時間和供給油箱液位高度。

4）驗證SCM入口的液壓等級，并記錄相關數據；期望值：LP為靜水壓+LP的最大工作壓力（MWP），HP為靜水壓+HP的MWP。

5）記錄SCM內部傳感器LP1、LP2、LP和HP1、HP2、HP的壓力。

若測試系統中采用的是測試場提供的THPU，則取消第2步。

通過SCM試運行測試，檢查淺水環境下HPU（或THPU）的供液/儲液能力和系統充壓性能。由于臍帶纜和水深原因，整個電液復合控制系統有別于實際系統，所獲取的數據難以直接驗證被測系統的性能，需借助仿真測試共同驗證。

3.4.3閥操作測試

1）閥操作測試總體要求

①在閥操作前，所有液壓管線應先連接到位并經過預調試。

②所有閥操作命令均來自MCS，并要求水下設備（如ROV）能記錄閥的操作時間。

③包含除了SCSSV外的所有閥的操作。

④建立操作臺與ROV之間的實時通信，記錄操作臺命令開始時間、水下閥打開/關閉時間及水下閥打開/關閉反饋給操作臺的時間。

⑤在閥功能測試期間，完成THPU或HPU的完全預充壓。

⑥確保閥能由SEM A和SEM B在線操作。

⑦每次只操作一個閥門，禁止多個閥門操作或同時操作。

2）XT閥測試

主要測試閥門的開/關性能和液壓線路泄漏程度；在操作前，通過操作臺確認水下每個液控閥的液壓；對于XT，還需確保隔離措施到位。

①閥門的開/關性能測試。通過水下設備采集和軟件采集兩種方式驗證閥門的開/關性能。

a）水下設備采集方式。利用秒表和ROV實時圖片記錄閥接受MCS命令后從起點到終點所用時間，即通過ROV實時圖片確認閥狀態，ROV獲取的圖片需保存在操作臺中。

b）軟件采集方式。通過操作臺獲取閥接受MCS命令后從起點到終點所用時間，所用時間由SCM內對應閥執行器管路上的壓力傳感器的壓力變化規律推導獲得，若閥上安裝有位置傳感器，也可通過在操作臺上讀取位置傳感器信息來獲得。

由于臍帶纜和水深原因，所獲取的數據仍需借助仿真測試共同驗證被測系統的性能。

②液壓線路泄漏程度測試。通過SCM中的流量傳感器來對比水下液控閥打開和關閉過程的累積流量的差異，驗證被測設備液壓線路的泄漏程度；原則上，打開過程的累積流量等于關閉過程的累積流量。

閥流量=總流量前-總流量后

其中：

閥流量：單個閥打開或關閉時累積流量。

總流量前：閥打開或關閉之前的累積流量。

總流量后：閥打開或關閉之后的累積流量。

3）關閉測試

主要測試采油樹的關井功能，需依次測試和驗證ESD-4、ESD-3A和ESD1&ESD2情況下緊急關閉的執行，關閉邏輯參照制造商提供的相關文件。

關閉測試需滿足以下總要求：

①測試前，將XT設置成操作模式，以允許其他程序的應用。

②閥操作期間，如果PMV的PPTT或AMV的APT壓力讀數高于靜壓力，測試必須終止。

③確保THPU或HPU返回油箱有充裕的體積容納ESD關閉測試所返回的液體。

④要求所有關閉測試在任何時間必須進行隔離配置。

4　結束語

淺水測試是水下生產裝備控制系統在投入使用前必需完成的測試，本文通過對深水生產中常用的電液復合控制系統的淺水測試技術研究，確定了電液復合控制系統功能淺水測試的測試系統構成，明確了測試內容、測試流程、測試方法及相關操作程序與要求，可供國內淺水測試場的建設及淺水測試作業參考。

[1]黃培山.海洋石油生產的關鍵技術——水下生產系統技術和設備[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/link?url=YWGD z2ZvT79SdfGZRMvtkPibKq4lGmz_rhtu87Jhdv6HXHOVt78 fgPmdodNACqgpPLqHllJ8U52q_1osETbKBVCkdFIsxASrh SGA_0cIlpS，2009.

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Study on shallow-water test technology based on the function of multiplexed electro-hydraulic control system

LIU Lixin1，SU Feng1，XIAO Shihong2，CHEN Bin1，LIANG Zheng2，FAN Yuyang1，ZHANG Rubin1
（1.COOEC Engineering Company，Tianjin 300451，China；2.Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

Studies have been conducted to master the shallow-water test technology of subsea hydraulic control system based on the multiplexed electrohydraulic control system.The test systems and their connection needed for shallow-water test sites were proposed after the compositions，operating principle and functional requirements of the system were analyzed and the existing standards and the testing state at home and abroad were studied.Testing items were determined，testing procedures established and testing methods elaborated.The testing results can be used as a reference for the construction of shallow-water test sites and shallow-water test operation at home.

shallow-water test technology；subsea production equipment；multiplexed electrohydraulic control system；testing process

A

1674-5124（2015）12-0005-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.12.002

2015-07-20；

2015-08-18

國家科技重大專項（2011ZX05027-004）

劉立新（1984-），男，河北承德市人，工程師，碩士，主要從事海洋石油水下裝備的研發工作。