電液復合型控制系統水下控制模塊的出廠測試技術

張錚一 馬建強 張家珍 李楠 劉秀紅

摘 要 針對國產水下控制模塊的構成、原理和功能需求，總結了一套適用于國產水下控制模塊的出廠測試技術，重點對測試項目的技術方法和要點進行說明，為深水海洋工程裝備的建造與測試提供參考。

關鍵詞 水下控制模塊 電液復合 出廠測試

中圖分類號 TP273? ?文獻標識碼 B? ?文章編號 1000?3932（2023）03?0387?05

作者簡介：張錚一（1987-），工程師，從事海洋石油裝備設計與制造工作，zhangzhy36@cooec.com.cn。

引用本文：張錚一，馬建強，張家珍，等.電液復合型控制系統水下控制模塊的出廠測試技術［J］.化工自動化及儀表，2023，50（3）：387-391.

水下控制模塊（Subsea Control Module，SCM）在海洋油氣資源開發中應用廣泛。SCM出廠測試是水下控制系統集成測試之前非常關鍵的環節，SCM的測試結果需符合API 17F［1］的相關要求，是水下生產系統安全、平穩運轉的保證。同時，通過SCM的出廠測試可以驗證水下生產系統的性能是否滿足規范及工程設計要求，確保設備在設計生命周期內安全可靠地工作。

1 SCM簡介

SCM主要由水下電子模塊（Subsea Eletronic Module，SEM）、蓄能器、鎖緊機構及補償器等組成，如圖1所示。

復合電液控制系統的水上設備有液壓動力單元、電力單元、不間斷電源、主控站和水上臍帶纜終端等；水下設備包括臍帶纜、水下控制模塊、水下分配單元、跨接軟管及跨接纜等。復合電液控制系統具有控制距離長、功能靈活、響應時間短、安全事故處理能力強、水下控制設備和水上監控系統實時雙向通信的特點［2，3］。

SCM的主要功能是實現水下采油樹的控制和監測?？刂乒δ馨▓绦蠱CS下達的采油樹閥門操作指令、執行MCS下達的井下閥門操作指令。監測功能包括井下壓力、溫度，生產通道溫度、壓力，SCM液壓源壓力、SCM輸出回路壓力、SCM控制液流量、SEM內部各卡件狀態及SEM內部壓力和溫度等參數。

2 測試目的及范圍

SCM出廠測試的目的是驗證SCM系統性能是否滿足規范及特定要求，確保設備在設計壽命周期內安全可靠地工作。

測試內容主要包括SCM的機械接口、壓力完整性、清潔度、通信功能以及電液功能是否正確。

3 出廠測試內容

依據API 17F標準，SCM出廠測試內容主要包括：機械接口測試、供電和絕緣測試、靜壓測試、蓄能器預充及檢查、液壓換向閥內漏測試、液壓換向閥功能測試、閥門功能測試、壓力變送器測試、電控測試、清潔度測試和密封測試。SCM測試設備組成如圖2所示。

3.1 機械接口測試

主要測試SCM液壓插頭和電氣插頭能否完好對接，鎖緊機構能否順利鎖緊和解鎖（注：解鎖試驗可在試驗過程中需要移除SCM時進行，無需單獨進行），此項測試過程禁止帶壓操作。

機械接口測試包括：SCM底部與水下控制模塊安裝基座（Subsea Control Module Mounted Base，SCMMB）接口對接功能測試；鎖緊機構旋轉鎖緊的圈數及扭矩測試；鎖緊機構旋轉解鎖的圈數及扭矩測試。

3.2 供電與絕緣測試

主要是確保在SCM供電之前，測試供電設備的輸出電壓在規定范圍，SCM供電接口的絕緣值滿足要求。步驟如下：

a. 用絕緣電阻測試儀分別測試SCM頂部電連接器的絕緣電阻，要求絕緣值不小于1 GΩ；

b. 用萬用表測試供電設備的供電電壓。

3.3 靜壓測試

主要確定液壓管線接頭強度，測試時需確認SCM液壓系統內壓力變送器、蓄能器、回油補償器從系統中隔離。參數如下：

a. 低壓回路測試壓力7 500 psi（其中，1 psi=6.894 757 kPa）；

b. 高壓回路測試壓力15 000 psi；

c. 回油回路測試壓力2 200 psi。

3.4 蓄能器預充及檢查

如果SCM使用蓄能器，那么在測試前必須保證蓄能器已經按照要求預充一定壓力的氮氣。參數如下：

a. 低壓蓄能器預充氮氣壓力1 600 psi；

b. 高壓蓄能器預充氮氣壓力6 400 psi。

3.5 液壓換向閥內漏測試

主要驗證DCV閥內泄漏情況，可選擇性地在液壓換向閥安裝之前進行?；贗SO 13628—6和API 17F標準，SCM內部泄漏試驗的要求如下：

a. 測試壓力，SCM的設計壓力；

b. 測試范圍，SCM的所有液壓回路；

c. 保壓時間，10 min。

3.6 液壓換向閥功能測試

3.6.1 梭閥功能測試

目的是驗證梭閥能否正確操作。要測試梭閥的功能及系統液壓管路切換功能，首先需測試LP回路，然后再測試HP回路。

通過回路LP?1向液壓系統的低壓系統打入5 000 psi的壓力，觀測SCM的液壓輸入壓力值，驗證供給壓力正確。打開低壓系統的某一個DCV，觀測SCM試驗臺的壓力，確認閥門開啟。給回路LP?2打入5 000 psi的壓力，降低回路LP?1的輸入壓力到0，觀測SCM試驗臺的壓力，確認閥門保持開啟。逐漸降低回路LP?2的壓力到0，觀測SCM試驗臺的壓力，確認閥門關閉。驗證低壓系統的梭閥切換功能。

通過回路HP?1向液壓系統的高壓系統打入

10 000 psi的壓力，觀測SCM的液壓輸入壓力值，驗證供給壓力正確。打開高壓系統的某一個DCV，觀測SCM試驗臺的壓力，確認閥門開啟。給回路HP?2打入10 000 psi的壓力，降低回路HP?1的輸入壓力到0，觀測SCM試驗臺的壓力，確認閥門保持開啟。逐漸降低HP?2的壓力到0，觀測SCM試驗臺的壓力，確認閥門關閉。驗證高壓系統的梭閥切換功能。

3.6.2 DCV閥最小壓力及解鎖壓力測試

目的是驗證所有DCV閥在規定的最小先導和供應壓力下的工作能力。包括：測試系統最小壓力90 bar（1 bar=100 kPa）時DCV閥是否能開啟；慢慢降低系統壓力，測試在30～60 bar時DCV閥是否關閉。

3.6.3 DCV閥功能測試

目的是驗證所有DCV閥的開啟和關閉功能，先用SEM A測試，再用SEM B測試，最后用雙SEM測試。參數如下：

a. 低壓測試壓力5 000 psi；

b. 高壓測試壓力10 000 psi。

3.6.4 用于控制節流閥的DCV閥功能測試

目的是驗證控制節流閥的DCV閥功能，先用SEM A測試，再用SEM B測試，最后用雙SEM測試。測試要求如下：

a. 測試壓力5 000 psi；

b. DCV閥通電時間10 s。

3.7 閥門功能測試

3.7.1 液控閥門功能測試

目標氣田水下生產系統中，在水下管匯和水下采油樹中的液控閥門，都需要在工藝管線無壓力的工況下進行閥門開關測試。

在MCS中，屏蔽所有報警信號后，對系統內所有液控閥門進行開關測試。其中，需分別對SCM中的SEM A和SEM B進行測試，同時應針對系統LP/HP A和LP/HP B進行分別測試，以驗證系統的兩個控制模塊和4路液壓輸出共計4種方式（方式一，SEM A+LP/HP A；方式二，SEM A+LP/HP B；方式三，SEM B+LP/HP A；方式四，SEM B+LP/HP B），均可對液控閥進行開關動作。閥門開啟的時間與效果需滿足閥門FAT同等測試的要求。

3.7.2 PCV控制閥功能測試

此項測試需要保證兩個SEM均處于通電狀態。液壓源可以先選擇LP1，然后再切換至LP2。步驟如下：

a. 打開PCV（O）控制閥并保持供電，觀察對應回路狀態，供電期間PCV（O）控制閥應保持在開啟狀態，回路中壓力變送器讀數應與LP輸入回路中壓力變送器讀數一致；

b. 關閉PCV（O）控制閥，回路中壓力變送器讀數應降為0；

c. 打開PCV（C）控制閥并保持供電，觀察對應回路狀態，供電期間PCV（C）控制閥應保持在開啟狀態，回路中壓力變送器讀數應與LP輸入回路中壓力變送器讀數一致；

d. 關閉PCV（C）控制閥，回路中壓力變送器讀數應降為0。

3.8 壓力變送器測試

此項測試需保證兩個SEM均處于通電狀態，確保各回路輸出口已經被封堵，具備保壓條件。

3.8.1 壓力變送器零點測試

將校準好的壓力表安裝到LP、HP回路上。

回路未增壓時，SCM變送器讀數為初始值，記錄壓力變送器的讀數。

3.8.2 LP和HP回路壓力變送器測試

打開LP輸出，使LP輸入回路的壓力增加至5 000 psi，SCM LP輸入回路變送器壓力顯示值將從0增至5 000 psi，記錄此時壓力表與壓力變送器的讀數。打開HP輸出，使HP輸入回路壓力增至10 000 psi，SCMHP輸入變送器壓力顯示值將從0增至10 000 psi，記錄此時壓力表與壓力變送器的讀數。確認此時其他未增壓回路壓力變送器壓力顯示值為0。

打開SCM所有輸出功能電磁閥，測試對接盤上對應壓力表顯示的輸出壓力，SCM內LP各輸出回路變送器壓力顯示值為5 000 psi，HP各輸出回路變送器壓力顯示值為10 000 psi，記錄此時壓力變送器的讀數。關閉所有電磁閥，待壓力穩定后，各回路壓力值應降為0，記錄此時壓力變送器的讀數。

測試過程將記錄與校準好的壓力表讀數比較，變送器和壓力表值應當在精度允許范圍內波動。壓力變化時，變送器和壓力表的值同步波動。

3.8.3 回油路壓力變送器測試

在HP回路與LP回路有壓力的情況下，緩慢給回油路增壓至1 500 psi。

測試對接盤上對應壓力表顯示的輸出壓力，回油路變送器壓力顯示值為1 500 psi，記錄此時壓力表與壓力變送器的讀數。

泄放回油路中的液壓油，待壓力穩定后，測試對接盤上壓力表及回油回路變送器壓力顯示值為0。

測試過程中將記錄與測試對接盤上壓力表讀數進行比較，變送器和壓力表值應當在其精度允許范圍內波動，壓力變化時，變送器和壓力表的值應同步波動。

3.9 電控測試

3.9.1 通信測試

電力載波通信測試。通過測試電源模塊（內含電力載波模塊）、電腦（安裝有軟件Modscan）和RS232到RS485轉換器分別對兩個SEM的電力載波通信進行測試，驗證兩個SEM的電力載波通信功能。

光纖通信測試。通過電子測試單元（內含光電模塊）對兩個SEM的光纖通信進行測試，驗證兩個SEM的光纖通信功能。

3.9.2 信號采集測試

SEM內部信號采集功能測試。通過電子測試單元分別與兩個SEM進行通信，通過信號發生裝置分別給兩個SEM發送4～20 mA模擬信號，對兩個SEM的內部各個模擬傳感器（電壓傳感器、電流傳感器、溫濕度傳感器和壓力傳感器）的采集功能進行測試，驗證模擬信號的采集精度。

SCM內部信號采集功能測試。通過電子測試單元分別與兩個SEM進行通信，通過信號發生裝置分別給兩個SEM發送4～20 mA模擬信號，對兩個SEM的外部各個模擬傳感器的采集功能進行測試，驗證模擬信號的采集精度。

井下溫壓傳感器信號采集功能測試。通過電子測試單元與兩個SEM進行通信，通過井下溫壓傳感器模擬器發送井下溫壓信號，對兩個SEM的井下溫壓傳感器的采集功能進行測試，驗證井下信號的采集精度。

SCM外部串行（Modbus）信號采集功能測試。通過電子測試單元分別與兩個SEM進行通信，通過信號發生裝置分別給兩個SEM發送Modbus RTU模擬信號，對兩個SCM的外部串行（Modbus）傳感器采集功能進行測試，驗證Modbus RTU信號的采集精度。

SCM外部串行（CANopen）信號采集功能測試。通過電子測試單元與兩個SEM進行通信，通過信號發生裝置同時給兩個SEM發送CANopen模擬信號，對兩個SCM的外部串行（CANopen）傳感器采集功能進行測試，驗證CANopen信號的采集精度。

3.9.3 SCM閥門控制功能測試

電子測試單元與兩個SEM進行通信，通過控制信號測試模塊對兩個SEM的控制功能進行測試，驗證SEM的每個控制功能。

3.9.4 電力系統和通信系統靈敏度試驗

基于ISO 13628—6標準和API STD 17F標準，對SEM的電力系統和通信系統靈敏度試驗要求的如下：

a. 電力系統靈敏度試驗內容包括，在電源最低供電輸入電壓情況下測試SEM的所有功能，在電源最高供電輸入電壓情況下測試SEM的所有功能。

b. 通信系統靈敏度試驗包括，電力載波通信系統靈敏度測試，即通過電力載波衰減器對SEM的電力載波通信線路進行干擾衰減，在規定的最大衰減參數條件下，接收端可正確接收，且幀丟失率應低于1%；光纖通信系統靈敏度測試，通過光纖衰減器對SEM的光纖通信線路進行干擾衰減，在規定的最大衰減參數條件下，接收端可正確接收，且幀丟失率應低于1%。

3.10 清潔度測試

FAT程序均做完且滿足技術要求之后，需要對系統的清潔度進行檢測。從回路出口取樣進行清潔度檢測，確認清潔度滿足SAE AS4059 6B?F或以上的要求。

3.11 密封測試

3.11.1 高壓測試

此項測試應該在最終FAT測試前完成，測試前必須將SCM內部清洗干凈，必須保證所有測試設備的清潔。

測試前檢查確認頂蓋及底盤上的接頭、閥門等無損壞且正確安裝。

SCM安裝到壓力艙，連接電線和液壓線，高低壓供給線充壓，確保回油線充滿液壓油，向壓力艙充水，將SCM暴露在1.1倍SCM工作環境壓力中（由SCM的設計水深確定）。測試時，在合適的時間間隔記錄水溫和水壓。保持設計水深確定的環境壓力12 h，重新測試SEM通信。

3.11.2 殼體密封測試和充油

SCM殼體密封測試的目的是驗證模塊外殼是否密封，然后用補償液填充，使其處于適合海底布署的狀態。SCM殼體密封測試通常只執行一次，即在內部測試之后的原始構建階段和最終驗收測試之前。只有在外殼完整性受損或部分補償液已被移除或排出的情況下才需要使用。

確認SCM內部表面完全干燥，所有碎片和流體痕跡都已清除。從SCM排氣閥位置向內部充氮氣，將外殼加壓，然后把排氣閥安裝上閥帽。移除氮氣源，隔離外殼，確認SCM外殼內的壓力沒有下降，并且沒有發現泄漏。

4 結束語

結合SCM的發展現狀，對SCM出廠接收測試流程及技術方法和要點進行了說明，為國內SCM出廠測試相關工作提供參考。

對于SCM，國內下一階段的工作是，逐步掌握SCM設計、制造、測試技術，加快水下控制系統、水下電子模塊、水下閥門等關鍵設備國產化技術研究，力爭在不久的將來打破國外壟斷，實現關鍵設備的國產化，服務于國家海洋能源開發事業，早日實現海洋強國。

參 考 文 獻

［1］ API Standard 17F.Standard for Subsea Production Contorl Systems：API 17F［S］.American，American Petrole? um Institute，2017.

［2］ 安維崢，孫欽，左信，等.水下電液復合控制系統方向控制閥技術現狀［J］.化工自動化及儀表，2023，50（1）：1-9；43.

［3］ 左信，岳元龍，段英堯，等.水下生產控制系統綜述［J］.海洋工程裝備與技術，2016，3（1）：58-66.

（收稿日期：2022-10-31，修回日期：2023-04-14）