高壓水下閥門(mén)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試方案研究

閆嘉鈺,洪 毅,劉伯英,周學(xué)軍,陳 迪,何驍勇

(中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京 100027)

0 引 言

水下閥門(mén)是安裝在海底管道及水下結(jié)構(gòu)物內(nèi)管道上的流體控制部件,其工作環(huán)境苛刻,設(shè)計(jì)壓力高,可靠性要求高(15～25年免維護(hù)),屬于高附加技術(shù)含量產(chǎn)品。目前全球海底管道應(yīng)用的水下閥門(mén)市場(chǎng)多被OneSubsea(Cameron)、PetroValve、 ATV、 Magnum等公司占領(lǐng)。“十二五規(guī)劃”以來(lái),隨著國(guó)家海洋戰(zhàn)略的提出以及國(guó)內(nèi)海上油氣由淺海向深海跨越,國(guó)內(nèi)部分廠商依托國(guó)家科技重大專項(xiàng)、工信部高技術(shù)船舶科研等科研項(xiàng)目,已著手開(kāi)發(fā)相關(guān)產(chǎn)品,并在150米水深工程項(xiàng)目得到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[1、 2]。適用于1500米及以上水深,同時(shí)具有液壓及ROV控制功能,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全國(guó)產(chǎn)化水下閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu),已研發(fā)成功,尚待深水工程項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

為對(duì)研制的水下閥門(mén)產(chǎn)品進(jìn)行全方位的考核,保證產(chǎn)品質(zhì)量,增強(qiáng)用戶試用國(guó)產(chǎn)化首臺(tái)套產(chǎn)品的信心,需要聘請(qǐng)權(quán)威第三方,按照標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證工作流程對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全方位認(rèn)證[3、 4]。測(cè)試是檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量的最直接方式,也是產(chǎn)品認(rèn)證的最終關(guān)鍵環(huán)節(jié),特別是用于模擬產(chǎn)品實(shí)際工況的測(cè)試[5～7]。

本文依托國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品研發(fā)成果,對(duì)用于產(chǎn)品測(cè)試及認(rèn)證的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析,歸納整理最新版標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品測(cè)試的要求,形成認(rèn)證方案。并以此為基礎(chǔ),提出標(biāo)準(zhǔn)選擇及測(cè)試方案的建議。

1 水下閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 適用標(biāo)準(zhǔn)

目前,國(guó)際水下生產(chǎn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系主要有ISO的13628系列,API的6及17系列。國(guó)內(nèi)水下生產(chǎn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 21412系列。其中,涉及水下閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 現(xiàn)行水下生產(chǎn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)目前通過(guò)對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等同采用,形成了國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由于采標(biāo)方式為等同采用,現(xiàn)行國(guó)、行標(biāo)滯后于對(duì)應(yīng)的現(xiàn)行ISO、 API標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)產(chǎn)化水下閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品研發(fā)基于API標(biāo)準(zhǔn)的最新版本,下文分析針對(duì)上述四項(xiàng)最新標(biāo)準(zhǔn),簡(jiǎn)稱為API 6A、 API 17D、 API 6D、 API 6DSS。

1.2 適用對(duì)象及原則

API 6A、 API 17D、 API 6D、 API 6DSS分別適用如下對(duì)象:

① API 6A、 API 17D分別針對(duì)陸地、水下井口和采油樹(shù)設(shè)備。API 17D以API 6A為基礎(chǔ),提出了水下設(shè)備相對(duì)陸地設(shè)備的特殊需求。API 17D根據(jù)需要,引用API 6A相關(guān)條款。

② API 6D、 API 6DSS分別針對(duì)陸地、水下管線閥門(mén)。API 6DSS以API 6D為基礎(chǔ),提出了水下管線閥門(mén)相對(duì)陸地管線閥門(mén)的特殊需求。API 6DSS根據(jù)需要,引用API 6D相關(guān)條款。

結(jié)合已有工程設(shè)計(jì)及研發(fā)經(jīng)驗(yàn),確定上述標(biāo)準(zhǔn)的選擇原則如下:

① 水下閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品研發(fā)主要遵循API 17D和API 6DSS兩項(xiàng)主標(biāo)準(zhǔn)。在使用過(guò)程中,根據(jù)需要引用API 6A、 API 6D具體條款。

② 水下井口、采油樹(shù)上,以及直接與水下采油樹(shù)相連的水下管匯的水下閥門(mén),采用API 17D作為主標(biāo)準(zhǔn),API 6A作為輔助標(biāo)準(zhǔn)。如上述標(biāo)準(zhǔn)未覆蓋特定壓力等級(jí)和公稱通徑,其外形尺寸可參考6DSS,設(shè)計(jì)、測(cè)試仍參照API 17D和API 6A。

③ 水下長(zhǎng)輸管道上的水下閥門(mén)采用6DSS作為主標(biāo)準(zhǔn),API 6D作為輔助標(biāo)準(zhǔn)。

④ 實(shí)際工程采辦中,為協(xié)調(diào)壓力等級(jí)、通經(jīng)尺寸、特殊密封、特定測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試判據(jù)要求,也有綜合采用API 17D、 6DSS、 API 6A三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的情況。但需要指定各項(xiàng)產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)適用的標(biāo)準(zhǔn)及其版本。

目前,國(guó)內(nèi)水下閥門(mén)產(chǎn)品研發(fā)集中在水下閘閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、水下球閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu),本文僅討論這兩類產(chǎn)品。

2 測(cè)試方案及要求

測(cè)試是貫穿水下設(shè)備國(guó)產(chǎn)化研發(fā)全過(guò)程的重要質(zhì)量保證工作。產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程需進(jìn)行5類測(cè)試:加工裝配過(guò)程中的內(nèi)部質(zhì)量檢驗(yàn)、產(chǎn)品性能鑒定測(cè)試(Qualification Test/Validation Test,QT)、產(chǎn)品工廠接收測(cè)試(FAT)、產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)接收測(cè)試(SRT)、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試(SIT)等。其中,每類測(cè)試均包含若干測(cè)試項(xiàng)目,如QT包含高低溫循環(huán)測(cè)試、高壓艙測(cè)試等。多類測(cè)試可包含同一測(cè)試項(xiàng)目,如閥門(mén)殼體耐液壓測(cè)試同時(shí)出現(xiàn)在QT、 FAT中。

本文僅討論與水下閥門(mén)產(chǎn)品認(rèn)證相關(guān)的QT、 FAT。QT是對(duì)產(chǎn)品全部性能在極限工況的全面驗(yàn)證,檢驗(yàn)產(chǎn)品的性能及可靠性,測(cè)試后的樣機(jī)不能用于供貨。FAT是對(duì)成批供貨產(chǎn)品部分關(guān)鍵功能及性能的驗(yàn)證,是產(chǎn)品出廠前的合格檢驗(yàn)。QT包含的測(cè)試項(xiàng)目比FAT多;同時(shí)包含在QT及FAT的測(cè)試項(xiàng)目,QT中的測(cè)試條件更為苛刻,測(cè)試判據(jù)更為嚴(yán)格。

水下閥門(mén)FAT、 QT測(cè)試項(xiàng)目的具體要求零散分布在標(biāo)準(zhǔn)多個(gè)章節(jié),未能體現(xiàn)不同測(cè)試之間的相互關(guān)系(如高低溫循環(huán)/高壓艙測(cè)試同高/低溫液壓殼體/閥座、高/低溫氣壓殼體/閥座等測(cè)試之間的包含關(guān)系),測(cè)試條款未根據(jù)產(chǎn)品測(cè)試實(shí)際順序排列,沒(méi)有完整的測(cè)試方案。為解決上述問(wèn)題,本節(jié)結(jié)合國(guó)產(chǎn)化水下閥門(mén)產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn),針對(duì)水下閘閥、水下球閥分別提出測(cè)試方案。

2.1 水下閘閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)

最早的水下生產(chǎn)設(shè)備基本來(lái)源于對(duì)已有陸上生產(chǎn)設(shè)備的改造。閘閥是早期油氣開(kāi)采最為常用的閥門(mén),是最早應(yīng)用于水下油氣開(kāi)采的一類閥門(mén)。本節(jié)分析符合API 17D及API 6A標(biāo)準(zhǔn)、PSL 3G產(chǎn)品規(guī)范等級(jí)、PR2F產(chǎn)品要求等級(jí)、壓力等級(jí)5000psi、適用水深1500m、具有液壓及ROV兩種操作方式的閘閥。

測(cè)試設(shè)備、儀表、人員、記錄等需要滿足API 17D及API 6A一般性要求的各項(xiàng)規(guī)定,以保證測(cè)試結(jié)果的有效性。

2.1.1 工廠接收測(cè)試

FAT相關(guān)內(nèi)容分散于API 17D的7.10.4.2,以及API 6A的11章,對(duì)所需進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)目、具體測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試通過(guò)的判據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。主要包括三大類測(cè)試內(nèi)容:

(1) 液體壓力測(cè)試,包括液壓殼體測(cè)試、液壓閥座測(cè)試。

(2) 氣體壓力測(cè)試,包括氣壓殼體測(cè)試、氣壓閥座測(cè)試、氣體倒密封測(cè)試。

(3) 通徑測(cè)試。

結(jié)合國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn),提出的FAT測(cè)試方案包括7大項(xiàng)內(nèi)容,涵蓋了標(biāo)準(zhǔn)中提出的全部8項(xiàng)具體測(cè)試內(nèi)容。測(cè)試順序及內(nèi)容如表2所示。

表2 水下閘閥FAT測(cè)試方案

(續(xù)表)

2.1.2 性能鑒定測(cè)試

性能鑒定試驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容分散于API 17D的5.1.7、 7.10.4.1和附錄J、附錄N,以及API 6A的14.11、 14.17及附錄F,對(duì)所需進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)目、具體測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試通過(guò)的判據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。性能鑒定測(cè)試主要包括:初始推力測(cè)試、壓力循環(huán)測(cè)試、壓力-溫度循環(huán)測(cè)試、高壓艙測(cè)試、循環(huán)耐久測(cè)試、最終推力測(cè)試、拆解檢驗(yàn)。

結(jié)合國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn),提出的測(cè)試方案包括7大項(xiàng)內(nèi)容,涵蓋了標(biāo)準(zhǔn)中提出的全部19項(xiàng)具體測(cè)試內(nèi)容。測(cè)試順序及內(nèi)容如表3所示。

表3 水下閘閥QT測(cè)試方案

(續(xù)表)

2.2 水下球閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)

相對(duì)閘閥,球閥應(yīng)用于水下油氣行業(yè)相對(duì)較晚。但由于機(jī)械構(gòu)造的不同,水下球閥可靠性更高,更加適用于大口徑、高壓差、需要進(jìn)行通球操作的應(yīng)用條件。隨著制造技術(shù)的進(jìn)步,出現(xiàn)了球閥逐步替代閘閥的趨勢(shì)。本節(jié)分析符合API 6DSS及API 6D標(biāo)準(zhǔn)、壓力等級(jí)5000psi、適用水深1500m、具有液壓及ROV兩種操作方式的12英寸通徑的雙向金屬密封球閥。

2.2.1 工廠接收測(cè)試

工廠接收試驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容分散于API 6DSS的第10章,詳細(xì)闡述了所需的測(cè)試項(xiàng)目、具體測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試通過(guò)的判據(jù)。適用于球閥的工廠接收測(cè)試項(xiàng)目主要包括:液壓殼體測(cè)試、操作及功能測(cè)試、液壓閥座測(cè)試、閥腔泄放測(cè)試、低氣壓閥座測(cè)試、氣壓殼體測(cè)試、氣壓閥桿測(cè)試、氣壓閥座測(cè)試、電連續(xù)性測(cè)試。

結(jié)合國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn),提出的測(cè)試方案包括9大項(xiàng)內(nèi)容,涵蓋了標(biāo)準(zhǔn)中提出的全部9項(xiàng)具體測(cè)試內(nèi)容。測(cè)試順序及內(nèi)容如表4所示。

表4 水下球閥FAT測(cè)試方案

(續(xù)表)

2.2.2 性能鑒定測(cè)試

性能鑒定試驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容分散于API 6DSS的第5.29 5.30附錄F及附錄G,詳細(xì)闡述了所需進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)目、具體測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試通過(guò)的判據(jù)。

結(jié)合國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn),提出的測(cè)試方案包括10大項(xiàng)內(nèi)容,涵蓋了標(biāo)準(zhǔn)中提出的全部20項(xiàng)具體測(cè)試。測(cè)試順序及內(nèi)容如表5所示。

表5 水下閘閥QT測(cè)試方案

(續(xù)表)

閘閥、球閥的FAT內(nèi)容對(duì)比如表6所示。

表6 FAT內(nèi)容對(duì)比表

(1) API 6A/17D和API 6DSS/6D的FAT包含7個(gè)共同測(cè)試項(xiàng)目。

(2) 閘閥增加了特有的氣體倒密封測(cè)試,以及通徑測(cè)試。

(3) 球閥增加了操作功能、閥腔泄放、氣壓閥桿3項(xiàng)測(cè)試。

(4) 實(shí)際測(cè)試過(guò)程中,建議結(jié)合兩套標(biāo)準(zhǔn),除氣體倒密封測(cè)試僅適用于閘閥外,增加相對(duì)缺少的測(cè)試項(xiàng)目。

對(duì)閘閥、球閥的QT內(nèi)容對(duì)比如表7所示:

表7 QT內(nèi)容對(duì)比表

(續(xù)表)

(1) API17D/6A和API 6DSS/6D的測(cè)試項(xiàng)目基本相同。

(2) API17D/6A增加了高低溫循環(huán)后的低氣壓殼體測(cè)試,并要求循環(huán)耐久達(dá)到600次;API 6DSS/6D未對(duì)耐久性提出要求。

(3) API 6DSS/6D在測(cè)試前增加了液壓殼體、液壓閥座測(cè)試,以保證后續(xù)測(cè)試的安全性。API17D/6A則要求在性能鑒定測(cè)試前完成常規(guī)耐壓測(cè)試,其目的也在于此。

(4) API 17D僅要求在高壓艙測(cè)試中重復(fù)200次,而API 6DSS則在200次重復(fù)開(kāi)關(guān)測(cè)試外,還增加了在外壓環(huán)境下對(duì)閥門(mén)殼體及閥座的相關(guān)測(cè)試。

(5) 建議閘閥參考API 6DSS標(biāo)準(zhǔn),在測(cè)試時(shí)增加高壓艙內(nèi)測(cè)試相關(guān)內(nèi)容,以全面檢查模擬工作環(huán)境下的性能;球閥參考API 17D標(biāo)準(zhǔn),在測(cè)試時(shí)增加循環(huán)耐久總數(shù)600次的要求,以全面檢查閥門(mén)耐久性及質(zhì)量可靠性。

3 結(jié) 論

通過(guò)前文討論,可以得到以下結(jié)論及建議:

(1) 針對(duì)高壓水下閥門(mén)產(chǎn)品,存在ISO、 API及國(guó)標(biāo)3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系。其中,ISO及我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等同采用API標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)行的API標(biāo)準(zhǔn)為最新版。

(2) 現(xiàn)行最新版標(biāo)準(zhǔn)是API 6A 21th edition(2018.11)、API 17D 3nd edition(2021.10)、API 6D 25th edition(2021.12)、API 6DSS 3rd edition(2017.8)。

(3) API 17D以API 6A為基礎(chǔ),提出了水下采油樹(shù)及井口設(shè)備的特殊需求并引用相關(guān)條款。水下井口、采油樹(shù)及與水下采油樹(shù)直接相連的管匯的水下閥門(mén),采用API 17D作為主標(biāo)準(zhǔn),API 6A作為輔助標(biāo)準(zhǔn)。

(4) API 6DSS以API 6D為基礎(chǔ),提出了水下管線閥門(mén)的特殊需求并引用相關(guān)條款。水下長(zhǎng)輸管道上的水下閥門(mén),采用6DSS作為主標(biāo)準(zhǔn),API 6D作為輔助標(biāo)準(zhǔn)。

(5) 結(jié)合國(guó)產(chǎn)化研發(fā)經(jīng)驗(yàn),歸納標(biāo)準(zhǔn)中分散提出的各項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容,針對(duì)性提出高壓水下閘閥、球閥的FAT和QT測(cè)試方案,闡述了測(cè)試流程、參數(shù)及判據(jù)。提出的測(cè)試方案可供產(chǎn)品研發(fā)參考。

(6) FAT方面:建議在實(shí)際使用及后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí),API 17D/6A同API6DSS/6D互相補(bǔ)充測(cè)試項(xiàng)目,以更為全面檢測(cè)閥門(mén)出廠質(zhì)量。

(7) QT方面:建議在實(shí)際使用過(guò)程中,API 17D/6A增加高壓艙內(nèi)測(cè)試相關(guān)內(nèi)容,以全面檢查模擬工作環(huán)境下的性能;API 6DSS/6D增加循環(huán)耐久總數(shù)600次的要求,以全面檢查閥門(mén)耐久性及質(zhì)量可靠性。