海上采油樹電動節流閥制造質量控制

黃儒康，張士超，陳小偉，時永剛，曹義威

中海油安全技術服務有限公司（天津 300457）

隨著我國海洋石油產業的不斷發展，海上平臺無人化改造已成為未來趨勢。相較于常規的駐人平臺，無人平臺為海上油氣資源的開發提供了兼具人員安全、成本效益與生產效率的解決方案[1-3]。其中，將機械調節或人工手動操作改為電動控制在海上平臺無人化的改造中起著關鍵作用，為了確保遠程控制系統工作的可靠性，實現在役井口平臺無人化，采用的遠程電控采油樹需要有更高的可靠性和安全性。當前無人平臺及遠程電控采油樹剛起步，針對電動節流閥制造階段的質量控制相關研究較少，現階段并未有成熟的電動采油樹監理方法，生產廠家及使用單位對其質量控制措施不明確，因此急需剖析其工作原理，制定專門的監理細則，對關鍵的電動節流閥以現場檢查與證書審核相結合的方式進行監督檢驗，及時甄別部分不合格品，從源頭上把控質量。

1 電動節流閥簡介

遠程電控采油樹主要特征是采用壓力變送器代替傳統的壓力表，用電動節流閥代替傳統的手動節流閥，以實現遠程控制。此外，電動節流閥普遍采用籠套式，該種采油樹在低壓電潛泵井應用較多。圖1為渤海油田某無人平臺應用的電動采油樹節流閥示意圖。

圖1 籠套式結構電動節流閥結構圖

電動節流閥由籠套式節流閥閥體、電動執行機構以及相關配件組成。其中，最關鍵的部件為電動執行機構。電動執行機構主要用于閥門管道的自動控制，接受模擬量或數字量信號后將此信號轉變成相應的機械位移，從而對閥門進行精確控制，精確調節介質流量[4]。

2 電動節流閥監理要點分析

2.1 電動執行機構監理要點

1）防爆性能。電控采油樹的應用場景是海上平臺的井口區域，其作業環境危險指數很高，為了降低風險、減少安全事故的發生，井口區域的所有設備必須具有足夠高的防爆等級。根據SY/T 6671—2017《石油設施電氣設備場所Ⅰ級0 區、1 區和2 區的分類推薦作法》確定作用于井口采油樹的電動執行機構使用范圍區域劃分為2 區，結合實際工況，電動執行機構需滿足Exd IIC T4 防爆要求。防爆等級認證往往涉及型式試驗，通常由第三方機構進行認證，監理人員主要審核國家強制性產品認證型式試驗報告及防爆CCC證書的有效性。

2）防護性能。海上平臺的環境具有高鹽霧的特點，大氣中主要含有氯化物雜質，由于氯化物具有吸潮性，且氯離子對部分金屬具有強烈的腐蝕性，工作環境對電動執行機構的腐蝕問題需要重點關注。作為機電一體化產品，電動執行機構常見的腐蝕類型主要有鋁合金外殼腐蝕、外露金屬件的電化學腐蝕以及不同金屬材質間的縫隙腐蝕[5-6]。

針對海洋強腐蝕環境，供貨商需在外殼整體進行涂層處理，合理選擇底漆、中間漆和面漆。監理人員需要重點檢查電動執行機構外殼噴砂除銹等級、粗糙度、油漆溫度、底漆和中間漆種類、面漆種類及顏色、干膜厚度等參數，確保涂層在海洋強腐蝕環境中能有效地提高整機外殼的耐腐蝕性能。

為了保證整機密封性能，有效地阻止水分及氯離子等腐蝕介質進入聚集，避免對內部元器件造成損害，對電動執行機構的生產制造要充分考慮海水鹽霧腐蝕，供貨商所提供的所有設備及材料等均需滿足“三防”（防塵、防潮、防腐）要求，整機防護等級應達到IP68[7]。由于防護等級通常為第三方機構鑒定發證，監理人員可根據實際需要選擇部分見證，或直接審核防護等級證書的有效性。

3）試驗過程見證。為確保電動執行機構功能完好，符合技術規格書要求，監理人員在供貨前需要對電動執行機構進行常規檢查、功能試驗及溫升試驗全過程見證。在試驗開始前，應對檢驗人員資質進行審核，檢查扭轉測試臺、絕緣電阻表、紅外線測溫儀等檢測儀器設備的合格證及有效期。具體見證要求見表1[8]。

表1 電動執行機構試驗見證

2.2 籠套式節流閥監理要點

籠套式節流閥的監理工作按照生產制造實施過程開展，主要包括材質選用、生產過程見證、試驗調試見證和成品檢查4個方面，監理要點梳理見表2[9]。

表2 籠套式節流閥監理要點

2.3 電動節流閥組裝調試

電動執行機構與節流閥裝配后，應整體測試電動節流閥的功能。采用電動節流閥本地控制、遙控、模擬信號、hart、Profibus、Modbus 等一種或者多種控制方法對電動驅動器進行操作控制，測試壓力按照電動執行機構壓力等級選取。具體操作步驟如下：

1）按相應規格、型號和品牌的電動驅動器產品使用說明書的方法進行開閥限位設定和關閥限位設定。

2）測試記錄電動節流閥啟動電流大小、正常運行中電流大小對應產品要求電流。

3）檢查電動節流閥運行過程中是否平穩，開關是否到位。控制電動執行機構，使節流閥（調節閥）停止在不同開度位置，開度位置：10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，檢查實際測量電流模擬量與電動驅動器開度顯示數值在規定范圍之內。

4）測試并記錄電動驅動器從全關到全開、從全開到全關的運行時間。

3 電動執行機構質量控制實例

當今，國內大部分井口采油樹生產廠不自主生產電動執行機構，通過第三方采購方式為業主供貨，這樣組裝集成的遠控電動采油樹產品質量可能為后續的實際使用埋下隱患。海上無人平臺電動節流閥工作環境惡劣，要求執行機構在惡劣工況下仍能正常使用。其中，電動執行機構的溫升特性尤為關鍵，并且是監理過程中較難把控的質量控制點。針對電動執行機構關鍵的溫升特性，利用質量控制圖對溫升特性值進行測量、記錄、評估，從而實現監測和分析試驗過程是否處于受控狀態。

3.1 質量控制樣本的選擇

質量控制樣本選取電動執行機構滿載運行30 min的溫升數據，收集數據的時間足夠長，兩次測試間隔一定時間，確保變差原因有機會出現。測量時嚴格控制環境溫度，采用同一臺扭轉測試臺和紅外線測溫儀，檢驗人員與測量方法和部位保持一致。溫升質量控制數據如下：31.7、34.5、34.7、35.6、30.8、34.5、36.3、30.6、33.7、32.2、35.4、35.6、37.2、35.4、34.7、35.4、36.2、32.7、33.5、32.7、35.3、32.3、30.7、36.3、31.3℃。

3.2 質量控制數據的處理

在用控制圖進行穩定性分析和控制時，數據必須呈現合理的正態分布，嚴重偏離正態分布情況可能會導致分析過程出現錯誤報警。通過Shapiro-Wilk 檢驗法對質量控制數據進行正態分布檢驗，W檢驗結果如圖2所示，在α=0.05的檢驗水準下，質量控制數據總體服從正態分布（W=0.932，P=0.095＞0.05）。

圖2 Shapiro-Wilk檢驗結果

采用Grubbs檢驗法對數據進行檢驗，剔除可疑值。計算出平均值為33.972，標準差s為1.99，根據平均值和標準差計算出檢驗最小值Gmin為1.69，檢驗最大值Gmax為1.62。查詢Grubbs檢驗臨界值表可知G95（25）=2.663，Gmin和Gmax均小于2.663，所以質量控制數據無離群值，檢驗合格。

3.3 I-MR（單值-移動極差）控制圖

溫升試驗在嚴格控制試驗變量的情況下任何時刻點的輸出性質比較一致，這樣的情況下組內變差實際上為0，子組中沒有連續的數據只有獨立觀測值，因此使用I-MR控制圖，在不將測量數據分成子組的情況下監控過程水平（均值）和過程變異（移動極差），檢測是否存在特殊原因。

由質量控制數據計算出移動極差的平均值=2.35，根據GB/T 17989.2—2020《控制圖 第2部分：常規控制圖》的方法，I 控制圖中心線CL 為數據平均值，查表[10]可知E2=2.66，從而得出上控制限UCLI=CL+E2=40.22，下控制限LCLI=CL-E2=27.72；上警戒限下警戒限MR 控制圖中心線CL為移動極差的平均值，查表[10]可知D3=0，D4=3.27，從而得出上控制限UCLMR=D4=7.68，下控制限LCLMR=D3=0，上警戒限5.90。根據上述結果繪制溫升特性的單值-移動極差質量控制圖，如圖3所示。

圖3 溫升特性的I-MR控制圖

3.4 結果分析

根據控制圖判定過程處于控制狀態，需同時滿足兩條標準[11]。

1）控制圖上的點不超過控制界限：連續25點以上處于控制界限內；連續35 點中，僅有1 點超出控制界限；連續100點中不超過2點超出控制界限。

2）控制圖上點的排列沒有缺陷：排列分布形態未出現“鏈”“偏離”“傾向”“周期”“接近”等異常情況。

圖3 中，MR 控制圖中25 個樣本的溫升數據移動極差均未超出上、下控制限，控制圖上點的分布無異常現象，滿足受控狀態的兩個標準；I控制圖中所有控制數據均落在警戒限之內，但點2 為連續出現在中心線CL一側的第7個點，點的排列出現“鏈”的異常形態，不滿足第二條標準，I控制圖處于非控制狀態。滿載運行30 min溫升均不超過45℃，從圖3 中可看出所有數據均在正常范圍內，均為合格產品，但其控制圖已處于異常狀態，需要及時識別潛在的不符合因素，采取糾正措施，使過程再次處于控制狀態。

為了消除出現不合格產品的隱患，監理人員立即聯系供貨商查找原因，發現樣本11～17 在進行空載30 min 溫升試驗后未完全冷卻，導致滿載30 min溫升數據偏高。人為失誤屬于偶然性因素，在及時整改、加強試驗人員操作規范后，可認為產品處于控制狀態。只有當過程發生變化時，才需要重新估計控制限制，重新建立控制圖，在保持相對固定的情況下監控過程或評估過程控制。如果過程未出現重大工藝調整，分析系統沒有實質性變化，此控制圖可長期使用。

4 結語

1）根據電動節流閥的結構組成，結合無人平臺的特殊應用環境，分析總結海上采油樹電動節流閥監理要點，包括電動執行機構、籠套式節流閥的監理要點和電動節流閥的組裝調試。其中，電動執行機構應滿足功能完好、溫升正常、防爆等級應達到Exd IIC T4、防護等級應達到IP68 的要求；籠套式節流閥按照其生產制造流程重點關注材質選用、生產過程見證、試驗調試見證和成品檢查4 個方面。在電動執行機構與節流閥裝配后應進行整體功能試驗，對額定工作壓力操作時驅動的系統壓力或電流進行測量并記錄。

2）針對電動執行機構關鍵的溫升特性，舉例介紹質量控制圖在電動執行機構制造監理的應用場景。結果表明，該質量控制方法可確保產品質量特性的分布不隨時間變化，生產過程或工作過程只受偶然因素的影響，處于受控狀態。

3）通過電動節流閥生產制造以及試驗調試階段的有效監理，保證質量及進度，避免電動節流閥使用過程中產生的各類質量問題，該監理方法也可為其他類似產品監理提供參考借鑒。