李 波， 張建權(quán)， 王 裴， 馮素敬， 李國慶

(1. 中原油田物資供應(yīng)處， 河南 濮陽 457003； 2.上海神開石油設(shè)備有限公司，上海 201114)

水下閥門外壓試驗(yàn)用壓力艙功能和分析

李 波1， 張建權(quán)2， 王 裴2， 馮素敬2， 李國慶2

(1. 中原油田物資供應(yīng)處， 河南 濮陽 457003； 2.上海神開石油設(shè)備有限公司，上海 201114)

水下閥門是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件，水下采油樹、水下管匯和水下作業(yè)工具都是由各種不同種類的水下閥門所組成。水下閥門相對于常規(guī)地面用閥門的使用環(huán)境更加復(fù)雜，由于受安裝條件限制，閥門受到外部海水的壓力，水下閥門無法進(jìn)行在線檢修和維護(hù)，所以水下閥門必須進(jìn)行外壓試驗(yàn)以驗(yàn)證其在安裝條件下的性能。該文通過對國內(nèi)外現(xiàn)狀的調(diào)查研究，介紹了一種用于水下閥門外壓試驗(yàn)用壓力艙的設(shè)計(jì)方法。

水下閥門； 壓力艙； 外壓試驗(yàn)； 水下工況模擬

0 引言

石油工業(yè)正逐漸向海洋發(fā)展，水下生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)成為的海上油氣田開發(fā)的重要技術(shù)，并在西非、墨西哥灣及北海等海域廣泛應(yīng)用，水下生產(chǎn)系統(tǒng)將油氣采出后，通過海底管道輸往固定式平臺或者浮式生產(chǎn)儲油單元等水面設(shè)施集中處理外輸。水下閥門是水下生產(chǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)組件，在整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)中占據(jù)重要的地位，在一定程度上影響著整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)的功能和壽命。

水下采油樹、水下管匯及一些水下作業(yè)工具均由幾種不同結(jié)構(gòu)和類型的水下閥門組成，由于作業(yè)環(huán)境影響，其可靠性和安全性直接關(guān)系到海洋油氣開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性和海洋環(huán)境安全。海水的特殊環(huán)境，如海水的腐蝕以及伴隨海水深度增加的環(huán)境壓力，對于水下閥門的承壓性能、耐腐蝕性能、密封性能、動作性能、使用壽命及維護(hù)周期都有著較高的要求。水下閥門應(yīng)進(jìn)行性能試驗(yàn)，驗(yàn)證在生命周期內(nèi)產(chǎn)品的溫度、壓力、開關(guān)循環(huán)等功能，評價部件在一般環(huán)境、控制條件下的可靠性，研究關(guān)鍵功能部件的失效機(jī)理和腐蝕、沖損的防護(hù)方法。在進(jìn)行性能驗(yàn)證確定其設(shè)計(jì)合理、工藝可行之后，應(yīng)進(jìn)行模擬作業(yè)工況的外壓試驗(yàn)，通過模擬水下作業(yè)環(huán)境，試驗(yàn)產(chǎn)品內(nèi)部壓力循環(huán)、密封性能、功能操作等，以驗(yàn)證水下閥門在作業(yè)條件下的性能能夠滿足實(shí)際功能的需要，確保安全性和可靠性。

1 壓力艙功能分析

由于條件所限，外壓試驗(yàn)一般都是使用壓力艙進(jìn)行模擬，目前國內(nèi)外對壓力艙的設(shè)計(jì)已經(jīng)非常成熟，也有很多公司建造了大型的模擬深水用壓力艙。傳統(tǒng)壓力艙的設(shè)計(jì)一般在試驗(yàn)功能上只設(shè)置了連接傳感器或電纜的接口，并未考慮到內(nèi)部試驗(yàn)件的操作要求，因此無法滿足水下閥門的外壓試驗(yàn)要求。

圖1為美國Weatherford公司壓力艙，用于對水下控制模塊進(jìn)行外壓條件下的電氣密封性能試驗(yàn)，采用臥式結(jié)構(gòu)，可模擬最大水深1 500 m。圖2所示為中船重工研究所40 MPa高壓艙，采用立式結(jié)構(gòu)，可對實(shí)體或模型進(jìn)行外壓測試。這些壓力艙都是針對待測部件進(jìn)行靜態(tài)測試，一般會在待測部件表面貼應(yīng)變片或其他感應(yīng)器件，在模擬水深的外壓下測試部件的變形量或者其他參數(shù)，檢驗(yàn)零部件的抗外壓能力是否滿足設(shè)計(jì)要求[1]。

圖1 Weatherford 公司壓力艙 圖2 中船重工研究所高壓艙

以上示例中的壓力艙并不能對待測水下閥門進(jìn)行開關(guān)操作，因此也并不能達(dá)到完全模擬水下工作條件下閥門的實(shí)際使用情況。

國內(nèi)目前多家廠家正在進(jìn)行水下生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)和試制工作，但仍沒有成熟產(chǎn)品進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，國內(nèi)廠家研發(fā)水下生產(chǎn)設(shè)備受限的一個重要原因是國內(nèi)目前不具備可供水下設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)的平臺和條件。該文對水下閥門外壓試驗(yàn)流程及試驗(yàn)用壓力艙進(jìn)行設(shè)計(jì)原理和要點(diǎn)分析，提供一種專業(yè)的可供水下設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步產(chǎn)品驗(yàn)證的試驗(yàn)理念，推動水下產(chǎn)品試驗(yàn)設(shè)施和試驗(yàn)條件的開發(fā)力度。

2 壓力艙安裝方式分析

考慮到建造方便、空間利用率的問題，國內(nèi)外相關(guān)單位均采用圓柱式艙體作為實(shí)驗(yàn)艙體，根據(jù)安裝場地、常用的測試方案等多種因素考慮，通常有立式結(jié)構(gòu)和臥式結(jié)構(gòu)兩種安裝方式[2]，兩種安裝方式優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。

表1 壓力艙安裝方式比較

對于水下閥門的測試，計(jì)劃采用立式壓力艙，原因如下：

(1) 水下閥門重量較大，立式結(jié)構(gòu)更便于閥門的安放和固定；

(2) 水下閥門的促動器和操作手輪都在閥門頂部，立式結(jié)構(gòu)壓力艙有利于管線的布置穿越和操作工具的安裝；

(3) API 17D產(chǎn)品規(guī)范[3]中規(guī)定，外壓試驗(yàn)時需保溫，立式艙體的設(shè)計(jì)便于外部保溫設(shè)備的場地布置和安裝；

(4) 立式艙體可以更有效的節(jié)約用水。

3 水下閥門外壓試驗(yàn)分析

3.1 外壓試驗(yàn)規(guī)程

針對水下閥門測試用的壓力艙與常規(guī)壓力艙的主要區(qū)別是在保持外壓的同時，需要對閥門本身進(jìn)行模擬工況的操作，按照API 17D附錄L要求，具體的試驗(yàn)規(guī)程如下：

(1) 檢查調(diào)試試驗(yàn)設(shè)備和待測閥門，將待測閥門安裝到位，操作閥門至半開位置，若是水下安全則完全打開閥門；

(2) 給壓力艙內(nèi)部增壓至設(shè)定值，并保持試驗(yàn)介質(zhì)的壓力(除采購方有特殊規(guī)定且制造商通過確認(rèn)外，一般在整個高壓試驗(yàn)中，試驗(yàn)介質(zhì)溫度應(yīng)維持在4℃±5℃范圍內(nèi))；

(3) 將閥門操作至全關(guān)位置；

(4) 從閥門上游側(cè)打壓至閥門額定壓力；

(5) 當(dāng)閥門內(nèi)部壓力升至額定壓力時停止打壓，打開閥門至全開位置，將閥門內(nèi)部泄壓至大氣壓力；

(6) 重復(fù)步驟c至e，循環(huán)測試200次；

(7) 將壓力艙泄壓至大氣壓力；

(8) 拆除測試閥門并移至靜水壓測試區(qū)域；

(9) 對閥門進(jìn)行靜水壓測試。

3.2 外壓試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則

閥門外壓試驗(yàn)驗(yàn)收準(zhǔn)則如下：

(1) 閥門外壓功能試驗(yàn)循環(huán)期間，閥門開關(guān)操作順暢無卡阻和失靈現(xiàn)象，并且閥門泄漏量不應(yīng)超過 ISO 10423附錄F 中 PR2的規(guī)定值；

(2) 閥門靜水壓測試保壓期間，閥門泄漏量不應(yīng)超過 ISO 10423 附錄F 中 PR2試驗(yàn)規(guī)定的驗(yàn)收準(zhǔn)則。

3.3 閥門操作方式和壓力艙要求分析

以水下閘板閥的操作方式為例，分析其操作方式，并確定相應(yīng)的外壓試驗(yàn)的不同要求，主要可分為以下幾種[4，5]：

3.3.1 手輪操作

手輪操作是最簡單的一種操作方式，這種操作方式需派潛水員潛至指定位置進(jìn)行人工操作，因此無法在較深水域使用，多用于近岸淺水水下閥門。對于這種閥門的外壓測試，需在壓力艙殼體部位布置帶旋轉(zhuǎn)密封的穿越設(shè)計(jì)，將操作手輪引到壓力艙外部，穿越部位的設(shè)計(jì)如圖3所示，通過該穿越設(shè)計(jì)，閥桿部分伸出壓力艙，因此可在試驗(yàn)過程中對水下閥門進(jìn)行開關(guān)操作。

該方案中需將閥門固定在壓力艙內(nèi)，若有延長閥桿，則應(yīng)與閥門的閥桿保持同軸，避免卡死。耐磨環(huán)防止閥桿與壓力艙殼體直接接觸摩擦，密封圈根據(jù)壓力艙的耐壓等級或閥門試驗(yàn)的壓力等級進(jìn)行設(shè)計(jì)。若壓力艙上端殼體厚度不夠時，可采用圖4結(jié)構(gòu)，即在壓力艙殼體上設(shè)計(jì)法蘭連接，將足夠厚度的法蘭安裝在殼體法蘭上。

圖3 閥桿穿越設(shè)計(jì) 圖4 手輪操作閥門外壓試驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 水下閥門外壓試驗(yàn)圖

圖6 水下促動器頂桿示意圖

由水下閥門外壓試驗(yàn)規(guī)程可知，閥門外壓試驗(yàn)要求200次啟閉循環(huán)，所以閥桿或延長閥桿端部可連接自動裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)開關(guān)操作，并通過手輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)了解當(dāng)前閥門的開關(guān)狀態(tài)。

3.3.2 扭力工具操作

在水深超過400 m的深水及超深水水域，潛水員無法下潛，閥門的操作需依靠ROV和水下扭力工具來完成。對于應(yīng)用于此環(huán)境的水下閥門來說，外壓試驗(yàn)時需將扭力工具與閥門一起安裝在壓力艙中。扭力工具的控制管線也需通過專門的穿越口延伸至壓力艙外側(cè)來連接動力源，為扭力工具提供動力，圖5所示為國外某水下生產(chǎn)系統(tǒng)公司的測試現(xiàn)場。

用于水下扭力工具自身耐水壓且自帶壓力平衡裝置，可不用考慮扭力工具對壓力艙的影響，但值得注意的是扭力工具需固定在被測閥門上，避免反復(fù)開關(guān)操作可能導(dǎo)致的扭力工具與閥門脫開的現(xiàn)象。采用這種方式時無法直觀了解閥門的開關(guān)狀態(tài)，所以可在扭力工具上安裝帶有位置信號反饋功能的裝置，便于了解當(dāng)前閥門的開關(guān)狀態(tài)。

3.3.3 水下促動器操作

水下促動器多用于水下安全閥等需要緊急關(guān)斷的閥門，一般為失敗關(guān)斷型。此類閥門在井下壓力過高的情況下可通過水下控制系統(tǒng)控制其關(guān)斷；而在水下控制系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏等異常情況時，可依靠彈簧力自動關(guān)閉；水下控制系統(tǒng)無法打開閥門時，可以通過ROV和水下扭力工具強(qiáng)制開啟。由于水下安全閥操作速度快、安全性和可靠性高，所以一般深水和超深水下的水下采油樹都使用水下安全閥替代一般的水下閥門。

水下促動器在操作過程中，活塞推動頂桿沿促動器方向上下運(yùn)動，如圖6所示。在水深一定時，壓力基本恒定，頂桿運(yùn)動引起的體積變化相對于整個水體而言可忽略不計(jì)，但在進(jìn)行壓力艙外壓測試時，這一動作會造成壓力艙內(nèi)部容積的變化，由于液體具有不可壓縮性，所以無論打開還是關(guān)閉閥門都將造成壓力艙內(nèi)部壓力的變化，從而對閥門的操作產(chǎn)生影響，因此采用這種操作方式的外壓試驗(yàn)需在壓力艙上設(shè)計(jì)壓力補(bǔ)償裝置。

針對壓力艙模擬特定水深下的恒定壓力和對容積變化的補(bǔ)償，使用蓄能器補(bǔ)壓是實(shí)現(xiàn)半主動保壓技術(shù)的一種有效途徑。蓄能器一般可以分為重力加載式、彈簧加載式和氣體加載式，現(xiàn)在使用較為廣泛的是氣體加載式蓄能器[6]。

使用氣體加載式作為壓力補(bǔ)償，有以下幾個原因：

(1) 氣體加載式蓄能器的容積變化大，可有效補(bǔ)償促動器引起的壓力艙容積變化。

圖7 帶促動器的水下閥門外壓試驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖

(2) 蓄能器使用的加載氣體具有可壓縮性，當(dāng)水下閥門促動器動作時，蓄能器可以實(shí)現(xiàn)快速的半主動補(bǔ)壓或泄壓，起到一個壓力緩沖的作用，這樣整個測試系統(tǒng)不會因?yàn)殚y門的操作而頻繁調(diào)整壓力。若選擇直接連接自動增壓系統(tǒng)進(jìn)行壓力補(bǔ)償，無法解決當(dāng)閥門關(guān)閉時促動器的頂桿伸出造成的測試壓力增高問題，只能通過泄放測試介質(zhì)來保持壓力，不利于整個試驗(yàn)的連續(xù)性。

(3) 蓄能器皮囊后側(cè)可連接自動增壓系統(tǒng)，當(dāng)整個測試系統(tǒng)出現(xiàn)輕微泄露時，能夠?qū)π钅芷鞯膲嚎s氣體進(jìn)行主動增壓以保持測試壓力。

利用蓄能器實(shí)現(xiàn)壓力艙壓力半主動補(bǔ)償時，蓄能器上端的皮囊內(nèi)要充入高純度氮?dú)?，下端通過液壓管路與壓力艙相連。皮囊的預(yù)充氣壓力取壓力艙壓力的90%～95%，可獲得較多的測試液體補(bǔ)償量[7]，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

4 結(jié)論

API 17D產(chǎn)品規(guī)范對水下閥門的性能試驗(yàn)要求非常嚴(yán)格，對水下閥門和試驗(yàn)平臺的承壓能力、密封性能、操作性能、安全性等都是巨大的考驗(yàn)。針對水下閥門的外壓試驗(yàn)，該文提出了在現(xiàn)有壓力艙設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行改造，獲得模擬實(shí)際使用條件下閥門的開關(guān)動作，從而為水下閥門的設(shè)計(jì)提供更加準(zhǔn)確的參考依據(jù)。改造的方法針對三種形式的水下閥門，手輪操作、水下工具操作、水下促動器操作，這三種操作方式基本涵蓋了目前所有水下閥門的操作方式。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)需要高可靠性的閥門，所以外壓試驗(yàn)平臺的搭建必不可少。該文通過對壓力艙的研究，說明了水下閥門外壓試驗(yàn)的要求，各研究單位和企業(yè)改造現(xiàn)有試驗(yàn)平臺提供參考。

[1] 邱中梁，湯國偉. 深水高壓艙設(shè)計(jì)及典型實(shí)驗(yàn)實(shí)例研究[J]. 液壓與氣動，2006，30(8)：6-8.

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[3] API 17D.Design and Operation of Subsea Production Systems-Subsea Wellhead and Tree Equipment[S].2011.

[4] Bai Yong, Bai Qiang. Subsea Engineering Handbook [M]. Gulf Professional Publishing, 2010.

[5] 潘靈勇，高文金. 水下閘閥在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 石油機(jī)械，2014，42(7)：45-48.

[6] 張路軍，李繼志，顧心懌，等. 蓄能器類型及其應(yīng)用綜述[J]. 機(jī)床與液壓，2001，29(6)：5-7.

[7] 房廷，郭遠(yuǎn)明. 深海壓力自動補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)[J]. 液壓與氣動，2006，30(8)：3-4.

Function and Analysis of Test Chamber for External Pressure Testing of Subsea Valve

LI Bo, ZHANG Jian-quan, WANG Pei, FENG Su-jing, LI Guo-qing

(1.The Department of Supplying Material of Zhongyuan Oil Field Branch Company,Henan Puyang 457003, China; 2.Shanghai Shenkai Petroleum Equipment Co., Ltd, Shanghai 201114, China)

Subsea valves are the baisc component of subsea production system. Subsea trees, subsea manifolds and subsea tools are built with different kind of subsea valves. The service environment of subsea valves are more complicated than onshore valves: subsea valves are subjected to external pressure and the maintenance can’t be done on-line. So subsea valves should be subjected to hyperbaric (external) pressure testing to validate performance under installed (water-depth) conditions. By investigating and studying of current situation at home and abroad, the article gives brief introduction of a design method of pressure vessel for external pressure testing of subsea valve.

subsea valve; pressure vessel; hyperbaric testing; water-depth conditions simulation

2015-09-09

上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研計(jì)劃項(xiàng)目(13dz1203600)。

李 波(1970-)，男，高級政工師。

1001-4500(2015)05-0019-05

P75

A