深水防噴器控制系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)研制

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(河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)

深水防噴器控制系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)研制

王莎，耿艷東

(河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)

針對(duì)深水防噴器組控制系統(tǒng)體積龐大，直接進(jìn)行整機(jī)海試，存在風(fēng)險(xiǎn)高、成本高的問(wèn)題。通過(guò)簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，保留核心功能，建立縮尺寸試驗(yàn)樣機(jī)。利用深水高壓艙對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行模擬深水環(huán)境試驗(yàn)及可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(shè)計(jì)加工技術(shù)以及相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為國(guó)內(nèi)首臺(tái)電液多路深水防噴器組控制系統(tǒng)的研制奠定基礎(chǔ)。

深水防噴器；控制系統(tǒng)；模擬試驗(yàn)；海試；可靠性

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

近年來(lái)，我國(guó)海洋油氣開(kāi)發(fā)取得長(zhǎng)足進(jìn)展，作業(yè)水深也由淺水逐漸延伸到深水，鉆井平臺(tái)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化替代率日益增高。但是，平臺(tái)鉆井包核心設(shè)備——水下防噴器組及控制系統(tǒng)的國(guó)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(fēng)險(xiǎn)、高附加值的井控裝備，全球市場(chǎng)一直由NOV、Cameron等國(guó)外廠家壟斷[1-2]。雖然國(guó)內(nèi)已有河北華北石油榮盛機(jī)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(jī)直接海試風(fēng)險(xiǎn)高，成本高的問(wèn)題，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)替代品無(wú)法海試，制約了用戶的認(rèn)可，也制約了國(guó)內(nèi)海工裝備的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)度。此外，由于深水防噴器組控制系統(tǒng)的控制對(duì)象眾多，體積龐大，造成水下防噴器控制系統(tǒng)無(wú)法在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有試驗(yàn)條件下進(jìn)行全尺寸樣機(jī)的外壓試驗(yàn)。雖然有仿真分析軟件可以進(jìn)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(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐，才能更加準(zhǔn)確地進(jìn)行模擬仿真[3-4]。因此，如何驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)設(shè)備在海水環(huán)境中的可靠性，取得相關(guān)基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，成為國(guó)內(nèi)廠家必須跨過(guò)的一道門(mén)檻。

1 總體設(shè)計(jì)

為了解決上述問(wèn)題，有必要研制一套可以在現(xiàn)有高壓艙內(nèi)進(jìn)行模擬深水環(huán)境試驗(yàn)的縮尺寸試驗(yàn)樣機(jī)。通過(guò)簡(jiǎn)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(shè)備——水下控制箱的結(jié)構(gòu)，建立縮尺寸試驗(yàn)樣機(jī)，并利用深水模擬試驗(yàn)裝置的大口徑高壓艙，對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行模擬深水環(huán)境試驗(yàn)及可靠性試驗(yàn)，從而驗(yàn)證深水防噴器組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yàn)樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)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(jiǎn)化系統(tǒng)搭建

因?yàn)閿M用于試驗(yàn)樣機(jī)模擬深水環(huán)境試驗(yàn)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(yàn)樣機(jī)的整機(jī)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(dòng)作大多為開(kāi)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(jí)的并列功能，這些重復(fù)的并列功能導(dǎo)致了水下防噴器控制系統(tǒng)規(guī)模龐大。通過(guò)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(yàn)的要求。

整套試驗(yàn)樣機(jī)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(shí)現(xiàn)控制信號(hào)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(guò)框架連接。因?yàn)樗驴刂葡湫栝L(zhǎng)期在海水中使用，耐蝕性要求很高，所以控制箱整機(jī)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(zhuān)用進(jìn)口防水漆或特殊涂層。

一杭說(shuō)：“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(lái)，用不著的，我把它扔到垃圾桶去。”對(duì)于這個(gè)建議，老太太很滿意，把那臺(tái)舊電視留下來(lái)了，還有一張字臺(tái)和一個(gè)簡(jiǎn)易衣柜。“字臺(tái)我留下，里面的東西你拿走吧。不過(guò)，我沒(méi)有鑰匙，你有嗎？”

水下控制箱縮尺寸試驗(yàn)樣機(jī)的液壓原理簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖1 縮尺寸水下控制箱試驗(yàn)樣機(jī)

1—單向閥；2—蓄能器；3—傳感器；4—先導(dǎo)調(diào)壓閥；5—水下液壓閥；6—管匯調(diào)壓閥。圖2 試驗(yàn)樣機(jī)液壓原理簡(jiǎn)圖

2.1.2管匯設(shè)計(jì)制造

為使試驗(yàn)樣機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，其管匯主要油路均集成在幾個(gè)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(qiáng)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(shí)配以液壓管線形成一個(gè)完整的水下控制箱。液壓管線承壓能力均按照ASME B31.3計(jì)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(qiáng)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(shè)計(jì)，閥板上有大量的長(zhǎng)徑比較大的細(xì)長(zhǎng)孔需要加工，加工難度很大。設(shè)計(jì)人員經(jīng)大量工藝試驗(yàn)，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(guò)電信號(hào)或光纖信號(hào)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(gè)水下電子艙中。試驗(yàn)樣機(jī)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(wú)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(shè)計(jì)

電子艙屬于受外壓的壓力容器的范疇。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB150《鋼制壓力容器》進(jìn)行設(shè)計(jì)。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巍＿M(jìn)行穩(wěn)定性分析即屈曲分析時(shí)，通常首先進(jìn)行特征值屈曲分析，然后參考其分析結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性屈曲分析并最終確定結(jié)構(gòu)的臨界載荷。應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)電子艙進(jìn)行了特征屈曲分析、非線性屈曲分析以及強(qiáng)度分析，如圖3所示。分析證明設(shè)計(jì)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(gè)密閉的容器，內(nèi)部安裝的電子模塊工作時(shí)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(dǎo)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(shè)計(jì)，同時(shí)增大電子模塊與艙體散熱接觸面積，并對(duì)內(nèi)部模塊耗散的熱量和電子艙表面的散熱能力進(jìn)行計(jì)算校核。經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)樣機(jī)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(shí)，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(chǎng)試驗(yàn)

試驗(yàn)樣機(jī)配合液壓站、蓄能器組、大口徑高壓艙、司鉆面板、中央控制臺(tái)、光電復(fù)合纜等外圍設(shè)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(shí)現(xiàn)水下防噴器組及控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)測(cè)試，如圖4所示。

該試驗(yàn)樣機(jī)已完成地面與模擬水下工況的多項(xiàng)試驗(yàn)，完成了與FZ35-35型防噴器的聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，動(dòng)作正常，獲取了一批寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，證實(shí)了112路電液復(fù)合控制系統(tǒng)原理可行；以試驗(yàn)樣機(jī)為測(cè)試平臺(tái)，對(duì)多種國(guó)產(chǎn)化關(guān)鍵閥件進(jìn)行測(cè)試，取得了相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及性能曲線，證明這些部件的性能可靠，滿足設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)112路水下控制系統(tǒng)工程樣機(jī)的成功研制打下基礎(chǔ)。

圖4 水下防噴器控制系統(tǒng)及防噴器聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)示意

作為控制井噴事故的關(guān)鍵井控設(shè)備，其響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求。美國(guó)石油學(xué)會(huì)API在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范中規(guī)定：水下防噴器組控制系統(tǒng)對(duì)每一個(gè)閘板防噴器的關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不超過(guò)45 s，對(duì)每一個(gè)環(huán)形防噴器的關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于60 s[9-10]。為驗(yàn)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(yàn)樣機(jī)，對(duì)FH48-70型水下環(huán)形防噴器、2FZ48-105型水下閘板防噴器進(jìn)行反復(fù)關(guān)閉試驗(yàn)，環(huán)形防噴器的關(guān)閉時(shí)間，基本穩(wěn)定在39 s，閘板防噴器的關(guān)閉時(shí)間穩(wěn)定在25 s，符合API Spec 16D規(guī)范對(duì)大通徑水下防噴器的響應(yīng)時(shí)間要求。

4 結(jié)論

1) 該試驗(yàn)樣機(jī)采用先進(jìn)的電液多路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)建造，具備體積小、代表性強(qiáng)等特點(diǎn)，可替代體積龐大的真實(shí)控制系統(tǒng)進(jìn)入模擬深水環(huán)境高壓艙內(nèi)試驗(yàn)，驗(yàn)證國(guó)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(chǔ)核心的部件是液壓閥件，但國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)支撐產(chǎn)業(yè)。該試驗(yàn)樣機(jī)則為這些閥件的國(guó)產(chǎn)化提供了試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)化關(guān)鍵閥件進(jìn)行艙內(nèi)測(cè)試，獲得了一系列寶貴的水下試驗(yàn)數(shù)據(jù)，有利于國(guó)產(chǎn)閥件的功能驗(yàn)證以及性能改善。

3) 在試驗(yàn)樣機(jī)試制過(guò)程中，對(duì)水下防噴器及控制系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備研制所需的關(guān)鍵加工技術(shù)以及重大技術(shù)改進(jìn)進(jìn)行了驗(yàn)證，并可隨時(shí)向顧客展示水下控制系統(tǒng)的性能，有利于增強(qiáng)客戶信心，提高顧客對(duì)該產(chǎn)品的認(rèn)可度，推動(dòng)了水下防噴器及控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)度。

4) 國(guó)產(chǎn)化井控設(shè)備利用縮尺寸模型在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬深水環(huán)境試驗(yàn)，驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)。下一步爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)單元設(shè)備乃至全套水下防噴器組及控制系統(tǒng)的海試應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)鉆井平臺(tái)井控設(shè)備國(guó)產(chǎn)化。

[1] 楊川恒，杜栩，潘和順，等.國(guó)外深水領(lǐng)域油氣勘探新進(jìn)展及我國(guó)南海北部陸坡深水區(qū)油氣勘探潛力[J].地學(xué)前緣，2000，7(3)：247-256.

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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(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)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(jī)械控制技術(shù)方面的研究工作，E-mail：wangsha789@sohu.com。