顧和元，侯國(guó)慶，郭雪，劉立兵

（河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北任丘 062552）①

防噴器組控制系統(tǒng)在深水環(huán)境的工作可靠性一直是鉆井裝備制造行業(yè)和使用單位高度關(guān)注的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外相關(guān)的生產(chǎn)制造單位和科研院校已努力建造了性能優(yōu)異、試驗(yàn)?zāi)芰?qiáng)的深水模擬裝置。例如：四川海洋特種技術(shù)研究所研制了15 MPa的壓力試驗(yàn)艙和100 MPa的壓力試驗(yàn)艙，直徑分別是?1800mm和?300mm，可分別模擬1500 m 水深環(huán)境和10000m 水深環(huán)境；中國(guó)石油大學(xué)研制了用于鉆完井理論研究的深水模擬試驗(yàn)裝置［1］，內(nèi)徑?1120mm，工作壓力可達(dá)50 MPa；中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制了用于海工結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度檢測(cè)的深水模擬試驗(yàn)裝置［2］，30 MPa壓力的試驗(yàn)裝置內(nèi)徑?1000mm；美國(guó)Cameron公司有大型深水試驗(yàn)艙，用于其水下防噴器控制系統(tǒng)的功能測(cè)試。其他國(guó)家也建立了規(guī)模宏大的深海環(huán)境實(shí)驗(yàn)室［3］，為潛艇結(jié)構(gòu)艙段、各類(lèi)潛器、水下生產(chǎn)設(shè)施、探測(cè)儀器等新型深海裝備進(jìn)行耐壓結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、水密性試驗(yàn)、設(shè)備調(diào)試等。河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司承擔(dān)了國(guó)家的深水鉆井防噴器組及控制系統(tǒng)研制任務(wù)，研究的3000m 水下控制系統(tǒng)的控制箱原理樣機(jī)直徑為1200 mm 左右，功能接口多。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的深水模擬試驗(yàn)裝置滿(mǎn)足不了試驗(yàn)要求，國(guó)外雖有同類(lèi)深水模擬裝置，但試驗(yàn)周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，研究進(jìn)度受到限制。為保證研制出的水下防噴器組控制系統(tǒng)具有較高的可靠性，且能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)技術(shù)自主化，設(shè)計(jì)建造了一套大型控制系統(tǒng)及其閥件的功能測(cè)試和可靠性研究的深水模擬測(cè)試裝置。

1 總體設(shè)計(jì)

深水模擬試驗(yàn)裝置由42 MPa 小高壓艙、30 MPa大高壓艙、艙室及被測(cè)部件增壓、穩(wěn)壓及安全泄壓的液壓控制系統(tǒng)、PLC 電控系統(tǒng)及艙內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)組成。其中：42MPa小高壓艙可模擬4200m 深水工作條件，用于深水防噴器組控制系統(tǒng)深水電磁閥、深水液壓閥、梭閥、單個(gè)控制零件等控制元器件的深水功能測(cè)試和可靠性研究；30 MPa大高壓艙可模擬3000m 深水工作條件，用于深水防噴器組控制箱原理樣機(jī)及各類(lèi)大型控制系統(tǒng)總成的深水功能測(cè)試和可靠性研究?？刂葡到y(tǒng)可提供0～42MPa的壓力，可對(duì)高壓艙和測(cè)試部件進(jìn)行增壓、穩(wěn)壓，安全泄壓操作，模擬在深水環(huán)境中控制系統(tǒng)對(duì)控制對(duì)象的操作。電控系統(tǒng)可根據(jù)壓力變化和控制程序啟動(dòng)和關(guān)閉蓄能器及增壓泵，實(shí)時(shí)記錄控制系統(tǒng)壓力變化曲線(xiàn)，生成報(bào)表；艙內(nèi)水下攝像機(jī)可實(shí)時(shí)監(jiān)控艙內(nèi)閥開(kāi)關(guān)動(dòng)作、電子艙耐外壓形變等試驗(yàn)情況。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 高壓艙及光電纜接口

高壓容器的端部連接結(jié)構(gòu)有法蘭連接、螺紋連接、卡箍連接等形式。通過(guò)對(duì)多種結(jié)構(gòu)形式的分析對(duì)比，42 MPa高壓艙采用螺紋壓塊式連接結(jié)構(gòu)，密封可靠，有效地降低了艙體的外形尺寸，拆卸方便。艙蓋上有艙室液控連接口、放氣口、控制電纜連接口測(cè)試元件液控連接口 30 MPa大高壓艙殼體與端蓋采用卡塊式連接結(jié)構(gòu)，拆卸快速省力；側(cè)出口上具有多個(gè)液壓管線(xiàn)接口、監(jiān)控電氣接口、濕式電氣接插件、深水光電纜穿艙密封機(jī)構(gòu)?？蓪?duì)控制系統(tǒng)樣機(jī)、水下電子艙殼體、深水光電纜及終端等進(jìn)行壓力、密封性、絕緣性等測(cè)試。研制的高壓艙如圖1～2所示，技術(shù)參數(shù)如表1。30 MPa高壓艙采用立式安裝方式，42 MPa高壓艙配有臥式支座，可根據(jù)試驗(yàn)要求采用臥式或立式安裝方式。

圖1 30 MPa大高壓艙

圖2 42 MPa小高壓艙

表1 高壓艙技術(shù)參數(shù)

水下防噴器組控制箱原理樣機(jī)及各類(lèi)大型控制系統(tǒng)總成在大高壓艙內(nèi)試驗(yàn)時(shí)要與艙外電控系統(tǒng)和液控系統(tǒng)連接及通信，通信光電纜密封的可靠性直接決定試驗(yàn)的成敗。設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)用于?27.94 mm（1.1英寸）海底通信光電纜的穿艙密封裝置，如圖3所示。法蘭安裝在高壓艙殼體側(cè)出口上，法蘭通孔可通過(guò)海底光電纜直徑?110mm的光電纜接頭，內(nèi)部安裝密封件密封高壓艙內(nèi)30 MPa的壓力在高壓艙腔體內(nèi)部安裝光電纜夾持機(jī)構(gòu)，夾持光電纜，艙內(nèi)的壓力將在光電纜表面施加正壓力，利用密封件和光電纜之間的摩擦力克服光電纜橫截面在艙內(nèi)壓力作用產(chǎn)生的軸向位移。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足式（1），即

式中：R為光電纜半徑；L為夾持機(jī)構(gòu)夾持長(zhǎng)度；f為摩擦因數(shù)。

圖3 光電纜穿艙密封裝置

2.2 液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)是由3臺(tái)高壓柱塞泵提供動(dòng)力，1臺(tái)為大流量泵，流量60L／min，壓力90MPa；2臺(tái)為小泵，流量30L／min，壓力70 MPa。3臺(tái)泵組合理布局，泵組排量與壓力均衡且考慮各個(gè)試驗(yàn)裝置的極限狀態(tài)。液壓控制系統(tǒng)動(dòng)力源根據(jù)需要向大高壓艙、小高壓艙、水下液壓元件試驗(yàn)臺(tái)、艙內(nèi)試驗(yàn)元器件和試驗(yàn)樣機(jī)提供水或水－乙二醇介質(zhì)的液壓液，模擬不同水深的壓力，進(jìn)行被試設(shè)備的給壓及卸壓功能測(cè)試。液控原理如圖4，實(shí)物如圖5。

圖4 液壓控制系統(tǒng)原理

圖5 液壓站

左側(cè)柱塞泵為深水液壓閥（SPM）和深水電磁閥（DDV）壽命試驗(yàn)提供液壓動(dòng)力，液壓閥和電磁閥安放在小高壓艙內(nèi)，由右側(cè)柱塞泵對(duì)高壓艙施加30～42 MPa的深水模擬壓力，液壓動(dòng)力通過(guò)過(guò)濾器、減壓閥觸發(fā)電磁閥動(dòng)作，電磁閥觸發(fā)液壓閥動(dòng)作，高壓液壓液通過(guò)液壓閥，完成1次開(kāi)關(guān)沖擊試驗(yàn)。通過(guò)開(kāi)關(guān)沖擊次數(shù)來(lái)檢驗(yàn)深水環(huán)境中電磁閥和液壓閥的使用壽命。中間柱塞泵為高壓艙中控制系統(tǒng)原理樣機(jī)的電磁閥和液壓閥提供液壓動(dòng)力，右側(cè)柱塞泵為大高壓艙提供模擬3000m 水深的壓力，液壓電磁閥觸發(fā)液壓閥動(dòng)作，高壓液體通過(guò)液壓閥觸發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（防噴器液壓腔）關(guān)閉或開(kāi)啟。通過(guò)測(cè)量液控操作和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的時(shí)間來(lái)檢驗(yàn)深水防噴器的響應(yīng)時(shí)間。

2.3 電控系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)以西門(mén)子S7－200型PLC 作為主控制器，采用組態(tài)王監(jiān)控軟件作為人機(jī)交互界面。通過(guò)PLC編程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)元件動(dòng)作的循環(huán)控制以及壓力、流量等信號(hào)的采集［4］，通過(guò)工控機(jī)和組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)控制，使試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單化，節(jié)省大量人力。電控系統(tǒng)操作臺(tái)與操作界面如圖6～7所示。

圖6 電控系統(tǒng)操作臺(tái)

圖7 電控系統(tǒng)操作界面

電氣控制系統(tǒng)由動(dòng)力柜和操作臺(tái)組成。動(dòng)力柜主要安裝斷路器、熔斷器、接觸器、熱過(guò)載保護(hù)器等電機(jī)主控元件。動(dòng)力柜能給電機(jī)提供過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載、缺相等各種保護(hù)功能，保證油泵的正常運(yùn)行。操作臺(tái)安裝有PLC、工控機(jī)、顯示器、直流電源、繼電器等控制元件。PLC 中運(yùn)行電機(jī)控制、閥件開(kāi)關(guān)控制、傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換等各種控制和保護(hù)程序；工控機(jī)中安裝組態(tài)王監(jiān)控組態(tài)軟件，各種人機(jī)操作界面根據(jù)液壓控制要求設(shè)計(jì)，液控系統(tǒng)中電機(jī)的啟動(dòng)和停止通過(guò)點(diǎn)動(dòng)操作臺(tái)上的按鈕控制，各種閥件開(kāi)關(guān)等操作在操作界面上控制。

2.4 水下監(jiān)控系統(tǒng)

水下攝像監(jiān)控系統(tǒng)主要由水下攝像機(jī)、水下照明燈、穿艙電纜組件、監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成。水下攝像機(jī)和照明燈是深水監(jiān)控專(zhuān)業(yè)設(shè)備，額定工作水深高達(dá)4000m，供電電源為120VAC，照明燈亮度可以通過(guò)旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。攝像機(jī)和照明燈的安裝位置和角度可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)，便于準(zhǔn)確采集圖像。穿艙電纜組件采用專(zhuān)用水密封穿艙件，額定工作壓力高達(dá)70 MPa，將電源和信號(hào)從控制室傳遞到高壓艙內(nèi)。控制室中的監(jiān)控計(jì)算機(jī)中安裝專(zhuān)用攝像采集卡和監(jiān)控軟件，把從攝像機(jī)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，清晰地顯示在電腦屏幕上。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 深水設(shè)備外壓和密封性能試驗(yàn)

對(duì)水下控制箱電子艙進(jìn)行了30 MPa外壓和密封性能試驗(yàn)。試驗(yàn)后拆卸檢測(cè)電子艙關(guān)鍵尺寸，無(wú)超差，電子艙殼體可以承受30 MPa的外壓；檢測(cè)內(nèi)部無(wú)漏水現(xiàn)象，電子密封艙艙底法蘭和鐘型罩之間密封性良好。試驗(yàn)證明：所設(shè)計(jì)的電子艙能夠在水深3000m的環(huán)境中穩(wěn)定工作滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2 深水閥件開(kāi)關(guān)試驗(yàn)及壽命試驗(yàn)

對(duì)于深水電磁閥和深水液壓閥，模擬3000 m水深環(huán)境的開(kāi)啟和關(guān)閉試驗(yàn)及密封試驗(yàn)，閥開(kāi)啟和關(guān)閉動(dòng)作正常；試驗(yàn)后拆檢閥，元件無(wú)損壞現(xiàn)象，內(nèi)部無(wú)漏水現(xiàn)象。模擬了3000m 水深的2000次開(kāi)關(guān)壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明：設(shè)計(jì)的深水電磁閥、深水液壓閥開(kāi)啟和關(guān)閉性能、密封性能及可靠性能夠滿(mǎn)足深水工作需要。

3.3 深水控制系統(tǒng)原理樣機(jī)聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)

對(duì)水下控制系統(tǒng)原理樣機(jī)模擬3000m 深水環(huán)境進(jìn)行了聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)（如圖10～11）。試驗(yàn)證明：水下控制系統(tǒng)原理樣機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在30 MPa外壓下可以正常開(kāi)啟和關(guān)閉。通過(guò)對(duì)FHZ48－70型環(huán)形防噴器、2FZ48－105型閘板防噴器進(jìn)行多次聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，控制系統(tǒng)關(guān)閉環(huán)形防噴器的響應(yīng)時(shí)間均不超過(guò)39s，關(guān)閉閘板防噴器的響應(yīng)時(shí)間均不超過(guò)25s，符合API 16D 標(biāo)準(zhǔn)要求［5］。通過(guò)對(duì)水下控制系統(tǒng)原理樣機(jī)的試驗(yàn)，為水下控制系統(tǒng)112路工程樣機(jī)的研制積累了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖10 水下控制系統(tǒng)原理樣機(jī)模擬試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖11 水下控制系統(tǒng)原理樣機(jī)模擬深水聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)曲線(xiàn)

4 結(jié)論

1）該套深水模擬試驗(yàn)系統(tǒng)是用于水下防噴器組控制元器件和樣機(jī)的試驗(yàn)裝置，分別模擬3000 m 深水和4200m 深水壓力，可為研制的樣機(jī)進(jìn)行海試提供必需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2）對(duì)水下防噴器組控制系統(tǒng)電子艙、深水電磁閥、深水液壓閥、控制系統(tǒng)原理樣機(jī)進(jìn)行了耐外壓試驗(yàn)、水密封試驗(yàn)、深水壽命試驗(yàn)等，試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范的要求，證明試驗(yàn)裝置能夠滿(mǎn)足深水防噴器組控制系統(tǒng)的測(cè)試要求。

3）通過(guò)對(duì)小型控制箱原理樣機(jī)的試驗(yàn)，為112路控制箱工程樣機(jī)提供了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，縮短了水下防噴器組控制系統(tǒng)研制周期。

4）深水電磁閥和深水換向閥的壽命試驗(yàn)為下一步深水防噴器及控制系統(tǒng)可靠性研究提供了有益的參考依據(jù)。

5）該套試驗(yàn)裝置用于模擬深水環(huán)境，不僅為深水防噴器組控制系統(tǒng)閥件和深水控制系統(tǒng)的科研和生產(chǎn)提供了測(cè)試平臺(tái)，也可對(duì)其他深水環(huán)境下工作的設(shè)備進(jìn)行外壓試驗(yàn)、水密封試驗(yàn)和控制系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)等。

6）該裝置僅可以進(jìn)行常溫環(huán)境下的深水模擬試驗(yàn)，如果進(jìn)行深水高、低溫的模擬試驗(yàn)還需對(duì)裝置進(jìn)行改造，例如高壓艙增加可灌充乙醇的外夾套用于模擬深水低溫環(huán)境，或增加加熱裝置用于模擬深水高溫環(huán)境。

［1］楊進(jìn)，劉書(shū)杰，周建良.深水石油鉆采設(shè)備工程深水模擬試驗(yàn)裝置的研制［J］.石油機(jī)械，2011，39（8）：1－3.

［2］姚志廣，秦延龍.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特色試驗(yàn)技術(shù)［J］.石油工程建設(shè)，2010，36（6）：79－80.

［3］姚志廣，秦延龍，趙開(kāi)龍.深水高壓艙典型試驗(yàn)實(shí)例研究［J］.石油工程建設(shè)，2011，37（增刊）：14－16.

［4］林鎮(zhèn)詩(shī)，余建星，王永更，等.深水海底管道屈曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（12）：62－66.

［5］API Spec 16D.Specification for Control Systems for Drilling Well Control Equipment and Control Systems for Diverter Equipment［S］.Second Edition.2004.