李國強(qiáng)

摘 要：該系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)了一套模擬深海高壓試驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)，可模擬水下2000m壓力環(huán)境，并可對試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行高壓循環(huán)測試；設(shè)計(jì)的高壓試驗(yàn)艙結(jié)構(gòu)簡單，安裝空間大，開啟方便，密封采用獨(dú)特設(shè)計(jì)，特殊材料，安全系數(shù)高；被試件安裝方便，打壓通道設(shè)計(jì)巧妙，試驗(yàn)過程采用遠(yuǎn)程操作，無死角監(jiān)視。將對我國在深海海洋設(shè)備的開發(fā)提供有力的廠內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，對設(shè)備改型&改進(jìn)的測試，創(chuàng)建了一套可以完全模擬海底不同水深環(huán)境的可視化試驗(yàn)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：深海高壓艙 試驗(yàn)系統(tǒng) 水下閥門 高壓加載

中圖分類號：TH49 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）11（a）-0010-02

近年來我國在海洋石油開發(fā)設(shè)備及技術(shù)開發(fā)的投入很大， 海上能源工程新興產(chǎn)業(yè)及技術(shù)也取得不小的進(jìn)步，但與世界先進(jìn)水平以及我國海上能源開發(fā)的實(shí)際需求相比還差距很大，主要表現(xiàn)在：深水工程裝備差距大：2011年我國建成部分深水工程重大裝備，但距離形成系統(tǒng)作業(yè)和施工作業(yè)深水作業(yè)船隊(duì)還有很大差距，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我國南海深水開發(fā)的實(shí)際需求，同時(shí)與之配套的深水作業(yè)能力還處于探索階段；深水油氣田勘探開發(fā)工程技術(shù)、裝備差距大；所以開發(fā)配套深海油氣開采的裝備至關(guān)重要。深海高壓艙試驗(yàn)系統(tǒng)是為針對深海管線閥門，在工廠內(nèi)建造一套試驗(yàn)環(huán)境，為設(shè)備開發(fā)過程試驗(yàn)提供有力的工況數(shù)據(jù)支持。

該系統(tǒng)能夠模擬2000m深海環(huán)境壓力，且在該深海環(huán)境壓力下的水下閥門及執(zhí)行機(jī)構(gòu)總成能夠正常模擬油氣介質(zhì)在額定設(shè)計(jì)介質(zhì)壓力和執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作壓力下的全壓差正常開啟或關(guān)閉。模擬產(chǎn)品在工作時(shí)的壓力環(huán)境及功能測試要求，充分提高用戶產(chǎn)品質(zhì)量。系統(tǒng)主要包含6個(gè)部分：高壓試驗(yàn)艙體、密封卡箍裝夾裝置、高壓艙水壓加載系統(tǒng)、試驗(yàn)件水壓加載系統(tǒng)、閥門液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)動力加載系統(tǒng)、中央監(jiān)測控制平臺。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

1.1 深海高壓艙

主要由筒體、艙蓋、穿插水密接頭、艙蓋密封圈、密封卡箍或密封剪切環(huán)組成；試驗(yàn)設(shè)備按GB 150-2011《壓力容器》、JB 4732-1995（2005確認(rèn)）《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、組焊、檢驗(yàn)與驗(yàn)收；同時(shí)還應(yīng)符合TSGR 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的有關(guān)要求，并參照執(zhí)行GB 150-2011《壓力容器》的規(guī)定。

1.2 密封卡箍裝夾裝置

高壓艙蓋或剪切環(huán)與筒體為兩體式結(jié)構(gòu)，在完成兩者的配合安裝后，采用自動裝夾裝置實(shí)現(xiàn)裝卸方便、安全快捷。高壓艙蓋的起吊，采用配套的液壓或電動裝置實(shí)現(xiàn)自動定位、起落、平移。

1.3 高壓艙水壓加載系統(tǒng)

主要作用和功能是向高壓艙筒體內(nèi)注滿試驗(yàn)介質(zhì)，并達(dá)到試驗(yàn)要求的試驗(yàn)壓力，試驗(yàn)結(jié)束后，將高壓艙內(nèi)的試驗(yàn)介質(zhì)泄放或排空。為保證試驗(yàn)介質(zhì)自來水的清潔，試驗(yàn)管路使用高壓不銹鋼管及接頭，泵、閥材質(zhì)也為不銹鋼。

1.4 試驗(yàn)樣件水壓加載系統(tǒng)

主要作用和功能是向試驗(yàn)樣件流道內(nèi)注滿試驗(yàn)介質(zhì)，并達(dá)到試驗(yàn)要求的試驗(yàn)壓力，試驗(yàn)結(jié)束后，將各自試驗(yàn)、工作腔體內(nèi)的試驗(yàn)介質(zhì)泄放或排空。為保證試驗(yàn)介質(zhì)自來水的清潔，試驗(yàn)管路使用高壓不銹鋼管及接頭；泵、閥材質(zhì)也為不銹鋼。該系統(tǒng)與高壓艙水壓加載系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)為一套系統(tǒng)，成撬裝設(shè)計(jì)。

1.5 液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)動力加載系統(tǒng)

主要作用和功能是向液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓缸內(nèi)注滿工作介質(zhì)，并達(dá)到試驗(yàn)要求的動作壓力，試驗(yàn)結(jié)束后，將各自試驗(yàn)、工作腔體內(nèi)的試驗(yàn)介質(zhì)泄放或排空。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)用液壓加載系統(tǒng)應(yīng)分別實(shí)現(xiàn)對ROV模擬液壓馬達(dá)、液壓缸的壓力控制，兩者不同步操作。

1.6 試驗(yàn)裝置中央監(jiān)測控制平臺

主要作用和功能是控制高壓艙、試驗(yàn)樣件內(nèi)腔的加載過程，對壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄，同時(shí)對試驗(yàn)管路進(jìn)行控制和監(jiān)測，通過水下攝像設(shè)備，對液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)開關(guān)動作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、記錄。能實(shí)現(xiàn)手動和遠(yuǎn)程自動控制，對壓力加載控制系統(tǒng)采用程序控制，自動記錄、顯示壓力加載曲線，具有數(shù)據(jù)導(dǎo)出、打印、編輯功能，同時(shí)可壓力檢測過載報(bào)警、卸放。主要由壓力傳感器、配電柜、高壓球閥、高壓安全閥、工控機(jī)、水下攝像器材、控制試驗(yàn)軟件等組成。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 使用環(huán)境條件

配電電源條件：交流三相380V±10%，50Hz或（和）單相220V±10%，50Hz。

工作環(huán)境溫度：5℃～40℃（室內(nèi)）。

環(huán)境濕度：30%～50%。

2.2 高壓艙主要技術(shù)參數(shù)

筒體內(nèi)徑：3500mm，筒體直段筒深4000mm。

筒體設(shè)計(jì)水深（壓力）：2000m（20MPa）。

水密測試通道：12個(gè)，最小測試流道直徑大于10mm。

高壓艙內(nèi)試驗(yàn)介質(zhì)溫度：室溫。

高壓艙內(nèi)試驗(yàn)介質(zhì)：自來水。

設(shè)計(jì)使用壽命：30年。

筒體、艙蓋、卡箍材質(zhì)20MnMoNb。

2.3 壓力加載控制主要技術(shù)參數(shù)

高壓艙及試驗(yàn)樣件的升、降壓速率：1MPa/min。

壓力控制精度：0.1MPa。

壓力監(jiān)測儀表的精度不低于1.0級。

顯示儀表的測量范圍應(yīng)在滿量程的20%～75%間。

試驗(yàn)樣件最大試驗(yàn)壓力42MPa，最大試驗(yàn)容積260升。

液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大工作壓力5000PSI（34.5MPa），單個(gè)液壓缸最大工作容積20L，液壓缸數(shù)量最多2個(gè)。

高壓艙設(shè)計(jì)壓力20MPa。

壓力加載管路：共分三路，第1路滿足高壓艙試驗(yàn)壓力加壓；第2路滿足試驗(yàn)樣件內(nèi)腔加壓；第3路滿足驅(qū)動裝置液壓系統(tǒng)加載，包括2個(gè)液壓缸和1個(gè)液壓馬達(dá)所需工作回路。

低壓注水和排水：從艙體底部注水和排水，2h內(nèi)注滿高壓倉。

2.4 試驗(yàn)裝置中央監(jiān)測控制操作平臺

在1個(gè)監(jiān)測控制平臺上完成對高壓艙、試樣樣件流道、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壓力加載過程、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)開關(guān)動作的集中控制和水下監(jiān)測。

具有1套獨(dú)立的水下攝像照明監(jiān)測、記錄系統(tǒng)，系統(tǒng)工作電壓為交流三相380V±10%，50Hz或（和）單相220V± 10%，50Hz。

對壓力加載控制系統(tǒng)采用程序控制，自動記錄顯示壓力加載曲線，具有數(shù)據(jù)導(dǎo)出、打??；過載報(bào)警和安全泄放功能。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施方案

3.1 高壓艙水壓加載系統(tǒng)

本系統(tǒng)為集成的加載系統(tǒng)，對尺寸為內(nèi)徑3.5m、有效筒深4m的高壓艙進(jìn)行充水加壓。配置一臺預(yù)充泵進(jìn)行高壓艙內(nèi)部充水，當(dāng)水充滿高壓艙時(shí)，再使用高壓電動柱塞泵進(jìn)行高壓充水，至Max.20MPa，高壓艙內(nèi)部配置可承受20MPa水壓的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和照明裝置。所有的接口均采用防水、耐外部高壓的接口形式。

系統(tǒng)配置1500L水箱，通過預(yù)充泵將自來水存儲在水箱內(nèi)，并與現(xiàn)場供水相連，確保系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，且如果供水不滿足設(shè)備使用要求，可以通過電控自動控制泵啟停，避免供水泵因水量不夠而損壞。

系統(tǒng)使用低壓預(yù)充泵將高壓艙充滿自來水，該低壓預(yù)充為潛水泵，直接放置在蓄水池中，為了保證高壓艙的使用安全，在出水管路上安裝Y型過濾器，過濾精度200目，避免顆粒較大的雜質(zhì)進(jìn)入艙內(nèi)。為了能夠較快速度地充滿測試工件，并配備氣動預(yù)充閥和手動截止閥。預(yù)充過程中同時(shí)將1500L水箱灌滿，用作升降壓使用。

預(yù)充完畢后，利用高壓泵進(jìn)行增壓。高壓泵為電動柱塞泵，配備變頻電機(jī)，變頻電機(jī)由變頻器來控制，通過變頻來控制注入速率和升壓速度，高壓柱塞泵的柱塞材質(zhì)為SS304不銹鋼材質(zhì)，增強(qiáng)耐磨性和防腐蝕性。高壓泵電機(jī)功率為15kW，排量為30L/min，增壓壓力高壓25MPa。并且在出口配置氣動輸出閥和氣動泄壓閥，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動到壓停機(jī)。

該系統(tǒng)采用高低壓雙泵結(jié)構(gòu)，低壓泵為前級泵，用于高壓泵的預(yù)增壓泵。高壓泵可將介質(zhì)增壓至Max.25MPa，滿足測試工件的壓力需求（Max.20MPa）。

系統(tǒng)核心裝置為由變頻電機(jī)控制的高壓電動柱塞泵，變頻電機(jī)由變頻器來控制，可實(shí)現(xiàn)柱塞泵的流量和壓力的無級調(diào)速。柱塞泵采用潔凈的自來水作為試驗(yàn)介質(zhì)，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)配有高壓手動、氣動閥門、高精度壓力傳感器、壓力表等零部件，均為國內(nèi)外知名品牌，性能穩(wěn)定。系統(tǒng)可通過遠(yuǎn)程或者手動控制對測試壓力進(jìn)行有效控制，并采集試驗(yàn)過程壓力相關(guān)數(shù)據(jù)，軟件界面設(shè)計(jì)能夠顯示壓力-時(shí)間曲線。高壓艙內(nèi)配置照明裝置和監(jiān)控?cái)z像頭，工作壓力均滿足最大壓力要求。通過配置照明裝置和監(jiān)控?cái)z像頭，可對試驗(yàn)過程中的試驗(yàn)工件進(jìn)行監(jiān)控，觀察高壓艙內(nèi)加壓情況，艙內(nèi)情況可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控臺進(jìn)行遠(yuǎn)程觀察。本系統(tǒng)為國內(nèi)外成熟技術(shù)，安全可靠，性能穩(wěn)定，保障有力。

3.2 試驗(yàn)樣件水壓加載系統(tǒng)

系統(tǒng)為集成的加載系統(tǒng)，與高壓艙水壓加載系統(tǒng)并行使用，合成為撬裝結(jié)構(gòu)，針對用戶需求，對試驗(yàn)樣件最大試驗(yàn)壓力42MPa、最大試驗(yàn)容積260升進(jìn)行充水加壓。設(shè)備配置一臺氣動液泵進(jìn)行試驗(yàn)樣件內(nèi)部充水，充水最高可達(dá)42Mpa。

4 結(jié)語

總而言之，本套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)將對深海設(shè)備的工況驗(yàn)證提供非常有力的數(shù)據(jù)支持，對我國海洋石油裝備現(xiàn)場應(yīng)用前，提供了一套廠內(nèi)綜合試驗(yàn)系統(tǒng)；本試驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)過多次專家討論，設(shè)計(jì)論證，對高壓釜的安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)建模計(jì)算，密封方式，開啟方式，高壓控制系統(tǒng)，密封接頭方式等，都做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案論證。本方案正在和國內(nèi)幾家海洋設(shè)備開發(fā)的企業(yè)洽談合作，將很快應(yīng)用于設(shè)備開發(fā)的生產(chǎn)企業(yè)，提高我國深海海洋裝備的開發(fā)能力。

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