郭中云，顧繼俊，邱 盼，段夢(mèng)蘭，張 杰，蘇立國，肖易萍，郭興偉（．中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京049；．海洋石油工程股份有限公司，天津30045）

水下采油樹工廠驗(yàn)收測(cè)試（FA T）技術(shù)研究

郭中云1，顧繼俊1，邱 盼1，段夢(mèng)蘭1，張 杰1，蘇立國1，肖易萍2，郭興偉2
（1．中國石油大學(xué)（北京）海洋油氣研究中心，北京102249；2．海洋石油工程股份有限公司，天津300451）①

水下采油樹的工廠驗(yàn)收測(cè)試（F A T）是水下采油樹在正式投入使用前的一項(xiàng)重要測(cè)試。根據(jù)荔灣3-1氣田的測(cè)試資料總結(jié)了水下采油樹F A T的關(guān)鍵測(cè)試內(nèi)容，介紹了相應(yīng)的測(cè)試條件和主要測(cè)試步驟，最后通過A baqus分析測(cè)試狀態(tài)下V X密封圈密封性能。結(jié)果表明：68．96 M Pa的臥式采油樹在過盈量取0．4 m m的情況下滿足相應(yīng)的密封要求。

水下；采油樹；測(cè)試

近年來，海洋油氣開發(fā)主要向深海發(fā)展，而深海開發(fā)所采取的主要開發(fā)方案是水下生產(chǎn)系統(tǒng)＋生產(chǎn)儲(chǔ)油輪（FPS O）；水下生產(chǎn)系統(tǒng)在其中起著至關(guān)重要的作用。水下生產(chǎn)設(shè)施在正式投入使用前需要進(jìn)行4項(xiàng)基本測(cè)試，其中包括單元測(cè)試（S U T），工廠驗(yàn)收測(cè)試（F A T），系統(tǒng)集成測(cè)試（SIT）以及現(xiàn)場(chǎng)接收試驗(yàn)（SR T）［1］。

水下生產(chǎn)設(shè)施的F A T和SIT需要在專門的測(cè)試場(chǎng)地下進(jìn)行，國外F M C、Ca meron、A ker等公司在全球范圍內(nèi)都有自己的F A T和SIT測(cè)試場(chǎng)地，如圖1所示。測(cè)試場(chǎng)地中可進(jìn)行整套水下生產(chǎn)設(shè)施的測(cè)試，包括水下采油樹，管匯，跨接管［2］，管匯終端（P L E M）和管道終端（P L E T）［3］。

圖1 Cameron利茲測(cè)試基地

水下采油樹是水下生產(chǎn)設(shè)施中核心部件之一，主要由閥門、管線、井口連接器等組成。主要用于控制油液從井口流入或流出，同時(shí)也作為化學(xué)試劑注入口，井口調(diào)停，井口監(jiān)控，安全控制和控制井口壓力等，水下采油樹的F A T是采油樹正式投入使用前的一項(xiàng)重要測(cè)試。

1 水下采油樹FA T方法

水下采油樹擁有一套完整的F A T流程，該測(cè)試流程針對(duì)采油樹內(nèi)部的所有管線，包括液壓管線、電路管線；閥門包括節(jié)流閥、生產(chǎn)閥、環(huán)空閥、控制閥；密封包括金屬橡膠密封（MEC密封）、金屬密封（VX密封）；關(guān)鍵零部件［4］包括油管懸掛器、阻塞器、采油樹帽、樹體、隔離短節(jié)。都需要進(jìn)行FA T，以檢驗(yàn)其是否滿足相應(yīng)的壓力等級(jí)、密封和功能要求。

針對(duì)水下采油樹各個(gè)功能和部件組成，其FA T內(nèi)容主要包括：液壓清洗、接口測(cè)試、閥門功能測(cè)試、線纜壓力測(cè)試、連接測(cè)試、靜水壓測(cè)試、V X密封圈密封測(cè)試、油管懸掛器的安裝測(cè)試、巖屑帽的連接測(cè)試及最終線路檢測(cè)。

1．1 液壓清洗

液壓清洗是水下采油樹正式進(jìn)入測(cè)試前的重要步驟，采油樹內(nèi)部的管線、閥門在進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試或裝配前都需要達(dá)到一定的清潔度等級(jí)。對(duì)密封要求嚴(yán)格的密封處或密封副清潔度等級(jí)要求更高。

1．2 水下機(jī)器人（ROV）接口測(cè)試

采油樹ROV面板是ROV操作采油樹的接口，ROV通過自身機(jī)械手與ROV面板接口相對(duì)接從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采油樹內(nèi)部閥門的控制。RO V接口測(cè)試就是檢驗(yàn)ROV機(jī)械手與采油樹ROV面板接口是否能正確對(duì)接。

1．3 水下采油樹閥門功能測(cè)試

水下采油樹閥門可分為液壓閥和手動(dòng)閥2類，液壓閥是通過液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，手動(dòng)閥通過RO V操作手進(jìn)行操作。其中生產(chǎn)閥和環(huán)空閥均屬于液壓閥；水下安全閥（SCSSV）與化學(xué)試劑注入閥屬于手動(dòng)閥（CIV）。

閥門功能測(cè)試內(nèi)容包括：

1） 液壓閥與手動(dòng)閥在常壓下的啟閉功能測(cè)試，并校正閥門在完全開啟／關(guān)閉情況下指示桿位置是否回到‘O’和‘S’位置。

2） 液壓閥與手動(dòng)閥在1．5倍工作壓力下的啟閉功能測(cè)試，并校正閥門在完全開啟／關(guān)閉情況下指示桿位置是否回到‘O’和‘S’位置。

3） 手動(dòng)閥的啟閉轉(zhuǎn)矩值檢驗(yàn)，校正閥門啟閉轉(zhuǎn)矩值是否在正常范圍內(nèi)，且不能超過規(guī)定最大轉(zhuǎn)矩值。

1．4 水下采油樹控制線壓力測(cè)試

控制線纜（Control Line）是連接采油樹體中控制閥門的液壓線，在實(shí)際工作中需要承受較大的工作壓力，F(xiàn)A T測(cè)試中需要檢驗(yàn)其承壓能力，測(cè)試壓力為工作壓力的1．5倍。采油樹中的控制線纜包括水下安全閥、內(nèi)壓控制閥（ICV）所對(duì)應(yīng)的控制線纜等?？刂凭€纜的測(cè)試步驟如下（以SCSS V控制線纜壓力為例，測(cè)試示意圖如圖2）。

1） 開啟SCSS V閥門，并將測(cè)試軟管接頭連接到虛擬SC M面板上的SCSS V接口處，旋轉(zhuǎn)擰緊接頭，通過液壓動(dòng)力單元向SCSS V控制線纜通入測(cè)試液，檢驗(yàn)整條線纜的流通性。

2） 關(guān)閉SCSS V閥，整個(gè)閥門設(shè)置如圖2所示，通過液壓動(dòng)力單元向SCSS V控制線纜中加壓至工作壓力的0．75倍，并保壓3 min。

3） 第一次壓力測(cè)試結(jié)束后，再次加壓至工作壓力的1．5倍，并保壓15 min。完成測(cè)試后將壓力降為0，并觀察SCSS V控制線纜是否有可視泄漏。

4） 對(duì)ICV控制線纜重復(fù)進(jìn)行以上測(cè)試。

圖2 SCSS V控制線纜壓力測(cè)試示意

1．5 水下采油樹供給線壓力測(cè)試

供給線纜（SupplyLine）是采油樹的“生命線”，它包括化學(xué)試劑注入線（CI），甲醇注入閥（MIV）供給線和低壓供給線（LP）高壓供給線（HP）。在供給線纜的FAT中最大測(cè)試壓力需達(dá)到工作壓力1．5倍。以MIV線為例，如圖3所示，步驟如下：

1） 開啟閥門MIV和生產(chǎn)主閥（PMV），關(guān)閉轉(zhuǎn)換閥（XOV）、CIV和生產(chǎn)翼閥（PWV），并將測(cè)試軟管接頭連接到虛擬水下控制模塊SC M面板上的MIV接口處，旋轉(zhuǎn)擰緊接頭，通過液壓動(dòng)力單元向MIV控制線纜通入測(cè)試液，檢驗(yàn)整條線纜的流通性。

2） 開啟閥門MIV，關(guān)閉閥門PMV，XOV，CIV和PWV，整個(gè)閥門設(shè)置如圖3所示。對(duì)MIV供給線纜進(jìn)行壓力測(cè)試。

3） 對(duì)LP1，HP1，LP2，HP2，CI供給線纜分別進(jìn)行以上測(cè)試。

圖3 MIV線纜壓力測(cè)試示意

1．6 井口連接器功能測(cè)試

采油樹井口連接器（如圖4）用于連接采油樹和井口并將采油樹鎖緊到井口。井口連接器的FAT包括以下幾個(gè)步驟：

1） 下放井口連接器到采油樹測(cè)試樁，通過采油樹測(cè)試樁（如圖4）提供壓力鎖緊井口連接器并記錄鎖緊壓力。

2） 解鎖井口連接器，記錄解鎖壓力，檢查井口連接器內(nèi)部密封是否完整。

3） 提升采油樹到采油樹測(cè)試樁與井口連接器連接并鎖緊，記錄鎖緊壓力。

4） 解鎖井口連接器，記錄解鎖壓力，提升采油樹到采油樹檢測(cè)臺(tái)，檢查采油樹內(nèi)部密封是否完整。

圖4 井口連接器與測(cè)試樁

1．7VX密封圈功能測(cè)試

V X密封圈是采油樹內(nèi)部最重要的密封圈之一，它是井口、采油樹、隔離短節(jié)之間的主要密封處，在采油樹正常工作過程中也起著至關(guān)重要的作用。V X密封圈測(cè)試需要采油樹與隔離短節(jié)和虛擬井口連接后再進(jìn)行，測(cè)試主要通過密封圈測(cè)試閥（GTV）與密封圈釋壓閥（GR）協(xié)作完成。通過GT V向密封圈處加壓，最大壓力為工作壓力的1．5倍并保壓，完成測(cè)試后，將壓力降為0，檢查是否有泄漏。

1．8 油管懸掛器的連接測(cè)試

油管懸掛器連接測(cè)試是檢驗(yàn)油管懸掛器與采油樹樹體是否正確安裝，并通過采油樹內(nèi)部通道檢驗(yàn)油管懸掛器的兩處M E C密封是否正常。

1．9 巖屑帽的連接測(cè)試

采油樹巖屑帽用于保護(hù)采油樹樹體，防止外部巖石或碎屑進(jìn)入采油樹樹體內(nèi)部。采油樹巖屑帽的連接測(cè)試主要是檢驗(yàn)巖屑帽與采油樹樹體頂部是否正確連接，如圖5所示。

圖5 巖屑帽連接示意

1．10 最終線路檢查

在所有線纜都進(jìn)行完壓力測(cè)試后，需要對(duì)線纜進(jìn)行連通性檢驗(yàn)，保證所有線纜在測(cè)試過程中沒有受到損壞，最后再將所有的測(cè)試結(jié)果填寫進(jìn)F A T測(cè)試報(bào)告中。

在進(jìn)行完以上所有測(cè)試且滿足測(cè)試要求的采油樹就通過了所有的F A T流程，然后再將采油樹運(yùn)送到SIT測(cè)試場(chǎng)地進(jìn)行SIT測(cè)試。

2 測(cè)試狀態(tài)下V X密封圈有限元分析

V X密封圈對(duì)下與井口實(shí)現(xiàn)井口密封，對(duì)上與樹體實(shí)現(xiàn)采油樹樹體的密封，在整個(gè)采油過程中起著“承上啟下”的作用。V X密封圈采取雙錐面密封，材料采用奧氏體不銹鋼316L［5］，VX密封圈結(jié)構(gòu)和密封原理分別如圖6～7所示。

圖6 VX密封圈

圖7 VX密封圈測(cè)試原理

VX密封圈在測(cè)試過程中分2個(gè)工作狀態(tài)［6］：

1） 預(yù)緊狀態(tài)。該狀態(tài)下V X密封圈的密封面1與采油樹體進(jìn)行過盈配合實(shí)現(xiàn)密封面1與采油樹體的密封；密封面2與井口過盈配合實(shí)現(xiàn)密封面2與井口的密封。

2） 測(cè)試狀態(tài)。測(cè)試過程中由測(cè)試通道通入測(cè)試介質(zhì)對(duì)VX密封圈進(jìn)行測(cè)試如圖7所示，該狀態(tài)下V X密封圈內(nèi)表面受到1．5倍工作壓力大小的測(cè)試壓力［7］，在A baqus下對(duì)以上步驟分析如下。

整個(gè)模型是旋轉(zhuǎn)周期模型，只取模型的1／4進(jìn)行分析。三種模型的材料屬性如表1。樹體與井口網(wǎng)格劃分采用C3D8 R單元，V X密封圈采用C3D8I單元，最終網(wǎng)格劃分效果如圖8。

表1 V X密封圈材料性能

圖8 V X密封圈在　A baqus中的分析模型

采用過盈配合方式實(shí)現(xiàn)VX密封圈與樹體和井口的預(yù)緊［8］，取過盈量Δ＝0．4mm進(jìn)行分析；測(cè)試狀態(tài)下，取測(cè)試壓力為103．45MPa。最終得到VX密封圈在預(yù)緊狀態(tài)和測(cè)試狀態(tài)下的應(yīng)力云圖分別如圖9～10所示。

圖9 預(yù)緊狀態(tài)下的應(yīng)力分布

由GB／T150—2010［9］查得，68．96 M Pa的采油樹VX墊片達(dá)到密封的比壓為u＝179．5MPa。由圖9可知，在預(yù)緊狀態(tài)下VX密封圈的密封面最小應(yīng)力為253 MPa＞密封比壓力u，所以在過盈量Δ ＝0．4 mm時(shí)，VX密封圈滿足密封要求；在測(cè)試狀態(tài)下V X密封圈密封面的最小應(yīng)力為204 M Pa＞密封比壓力，所以在1．5倍工作壓力下密封圈密封面仍滿足密封要求。

3 結(jié)論

針對(duì)水下68．96 M Pa臥式采油樹測(cè)試相關(guān)要求，結(jié)合荔灣3-1采油樹相關(guān)測(cè)試材料，對(duì)采油樹F A T內(nèi)容作出了總結(jié)和關(guān)鍵步驟介紹，并通過A baqus對(duì)采油樹內(nèi)部VX密封圈在測(cè)試條件下進(jìn)行分析，結(jié)果證明該VX密封圈與樹體在過盈量Δ ＝0．4m m情況下，施加1．5倍工作壓力的測(cè)試壓力，密封圈仍然滿足密封要求。

［1］ 梁稷，姚寶恒，曲有杰，等．水下生產(chǎn)系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)綜述［J］．中國測(cè)試，2012（1）：38-40．

［2］ 韓峰，董楠，段夢(mèng)蘭，等．水下跨接管與管道終端測(cè)試技術(shù)研究［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（07）：1-6．

［3］ Chen B，Duan M．Testing technology of subsea christ-mas tree［J］．M anufacturing Engineer-ing and A uto ma-tionⅡ．2012（591-593）：2523-2526．

［4］ 劉卓，張憲陣，肖易萍，等．水下采油樹關(guān)鍵部件F A T測(cè)試技術(shù)研究［J］．中國測(cè)試，2014（2）：5-8．

［5］ 中國海洋石油總公司．深水工程手冊(cè)［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2010．

［6］ 陳曉芳，趙宏林，羅曉蘭，等．水下臥式采油樹井口連接器V X鋼圈力學(xué)特性研究［J］．石油機(jī)械，2014（8）：62-67．

［7］ 趙三軍，段夢(mèng)蘭，林建國，等．深水套筒式連接器力學(xué)與結(jié)構(gòu)參數(shù)分析［J］．石油礦場(chǎng)械，2014，43（6）：14-17．

［8］ 李毅．基于A B A Q U S的過盈配合有限元數(shù)值仿真［J］．制造業(yè)自動(dòng)化，2012（8）：148-150．

［9］ G B 150—2010．固定式壓力容器［S］．

Research on the Factory Acceptance Testing of Subsea Christmas Tree

GUO Zhongyun1，G U Jijun1，QIU Pan1，D U A N M englan1，ZHANG Jie1，S U Liguo1，XIAO Yiping2，G U O Xing wei2
（1．O ffshore Oil／Gas Research Center，China Universitu of Petroleu m，Beijing102249，China；2．O ffshore Oil Engineering Co．，Ltd．，Tianjin300451，China）

The factory acceptance testing of subsea Christmas tree is an im portant test before put-ting into use．According to the test data of Liwan 31 gas field，the key test content，test require-ment and main test step are su m marized in this paper，then the sealing performance of V X gasket through the abacus software is analyzed．T he results show that the 68．96 MPa horizontal Christ-mas tree satisfies the sealing performance with the set of the interference of 0．4 mm．

under water；christmas tree；tesing

T E952

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．06．005

1001-3482（2015）06-0021-05

①2014-12-08

國家科技重大專項(xiàng)“深水水下生產(chǎn)設(shè)施制造、測(cè)試裝備及技術(shù)”（2011Z X0527-004）

郭中云（1990-），男，重慶云陽人，碩士研究生，主要從事水下采油樹測(cè)試工藝的研究，E-mail：guozhongyun11＠163．co m。