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(1.中國(guó)海洋石油有限公司 深圳分公司， 廣東 深圳 518067； 2.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

0 引 言

當(dāng)前中國(guó)深水回接油氣田越來(lái)越多，深水油氣田的液壓系統(tǒng)組成一般包括海平面上的液壓源和接線終端等，以及海平面下1個(gè)分配中心和幾個(gè)分布于不同地點(diǎn)的水下結(jié)構(gòu)，它們之間通過(guò)臍帶纜和液壓飛線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連接，液壓系統(tǒng)經(jīng)常因?yàn)橛卸鄠€(gè)分支而稱為放射狀液壓系統(tǒng)[1-3]。深水液壓系統(tǒng)管路長(zhǎng)，通常臍帶纜長(zhǎng)幾十公里或上百公里。由于深水液壓系統(tǒng)只能采用快速接頭形式進(jìn)行連接，存在快速接頭靜密封失效的潛在風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)液壓系統(tǒng)發(fā)生泄漏/微泄漏時(shí)，傳統(tǒng)方法是派遣工程船出海檢查，所攜帶遙控?zé)o人潛水器(Remote Operated Vehicle, ROV)貼近液壓管路(即臍帶纜/液壓飛線)沿途進(jìn)行視覺(jué)掃視檢查，通過(guò)發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)染色劑以定位微泄漏點(diǎn)，尤以微泄漏定位檢查最為困難[4-5]。傳統(tǒng)方法下，在ROV視覺(jué)掃視檢查期間，液壓系統(tǒng)一直需為系統(tǒng)加液/加壓維持故障狀態(tài)，以便ROV發(fā)現(xiàn)微泄漏點(diǎn)。如果微泄漏量低于30 L/d，ROV幾乎難以發(fā)現(xiàn)染色劑，傳統(tǒng)方法將無(wú)法完成泄漏點(diǎn)定位。再比如泄漏如果屬于內(nèi)泄漏而不是外泄漏，ROV視覺(jué)檢查則徒勞無(wú)益。本文介紹液壓系統(tǒng)微泄漏降壓法定位技術(shù)以應(yīng)對(duì)上述不利工況。

1 故障分析

圖1 某深水油氣田液壓控制系統(tǒng)主干路圖

圖2 壓力對(duì)比曲線

南海某深水油氣田的液壓控制系統(tǒng)干路如圖1所示，粗實(shí)線為臍帶纜，B、C、D端點(diǎn)的短細(xì)線則代表液壓飛線，幾段臍帶纜呈放射狀連接，管路的內(nèi)徑皆為12.70 mm，ABCDO范圍內(nèi)無(wú)閥門(mén)，液壓源在A點(diǎn)區(qū)域。A、B、C、D等4點(diǎn)有高精度壓力計(jì)(0.5‰)，O點(diǎn)區(qū)域無(wú)壓力計(jì)。2015年系統(tǒng)發(fā)生微泄漏故障，每天泄漏量約為50 L/d(液壓液年損失價(jià)值約人民幣98萬(wàn)元)。由于B、C、D各點(diǎn)都有多條液壓飛線連接水下設(shè)備，相應(yīng)地，每條液壓飛線應(yīng)考慮其兩端的兩處接口，采用液壓快速接頭進(jìn)行連接，密封失效/泄漏故障發(fā)生率相對(duì)較高；O點(diǎn)發(fā)生多個(gè)分支，同時(shí)考慮邏輯帽因素，每條分支至少有3處分段接口，同樣發(fā)生故障概率較高。在不排除其他位置泄漏的情況下，較大概率可能性是整個(gè)系統(tǒng)中只有1處泄漏，并且泄漏點(diǎn)在B、C、D、O各點(diǎn)其中的某一小范圍區(qū)域內(nèi)。將泄漏分為3種情況進(jìn)行考慮，即：(1)B或C點(diǎn)泄漏(OB和OC是類似長(zhǎng)度的短支線)；(2)D點(diǎn)泄漏(長(zhǎng)支線)；(3)O點(diǎn)泄漏(分支公共點(diǎn))。

泄漏點(diǎn)定位分析步驟如下：第一步，對(duì)該故障液壓系統(tǒng)增壓至其運(yùn)行壓力(注意，不能超過(guò)運(yùn)行壓力，以免故障擴(kuò)大)，將ABCDO管路與液壓源有效隔離，同時(shí)在每個(gè)液壓飛線的末端將系統(tǒng)與水下設(shè)備進(jìn)行隔離，系統(tǒng)在此條件下通過(guò)泄漏點(diǎn)自然泄壓，可獲得1組系統(tǒng)自然泄壓數(shù)據(jù)(在A點(diǎn)壓力從運(yùn)行壓力降至0壓力的泄壓過(guò)程中B、C、D各點(diǎn)的壓力)。第二步，對(duì)比相同時(shí)間B、C、D各點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間相關(guān)性趨勢(shì)/差異(見(jiàn)圖2)，C和D點(diǎn)差異曲線基本水平，而C-B兩點(diǎn)間以及D-B兩點(diǎn)間差異曲線在前半部分上翹趨勢(shì)明顯，且差異的絕對(duì)值逐漸縮小，并且差異曲線的趨勢(shì)基本一致。差異曲線波動(dòng)振幅<0.1 bar；曲線的后半程近似水平，波動(dòng)振幅≤0.2 bar。這可被認(rèn)為找到了泄漏故障定位的突破口，根據(jù)相關(guān)性原則推斷B點(diǎn)泄漏。第三步，進(jìn)行計(jì)算和確認(rèn)。根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力和壓力儀表誤差范圍等基本信息，認(rèn)定在對(duì)比差異趨勢(shì)線中0.2 bar和0.1 bar波動(dòng)按誤差考慮。同時(shí)，前半程差異變化部分約為1 bar，明顯大于誤差范圍，認(rèn)定為泄漏的表征，充分說(shuō)明該組曲線意味著系統(tǒng)發(fā)生了泄漏。由流體力學(xué)原理可知：在液壓系統(tǒng)未泄漏時(shí)，系統(tǒng)中任意兩點(diǎn)的壓力之差是常數(shù)；在泄漏發(fā)生時(shí)，如果任意兩點(diǎn)壓力變化過(guò)程中出現(xiàn)對(duì)比差異，應(yīng)是泄漏流量造成的。(由于ABCDO管路范圍內(nèi)無(wú)管徑改變情況，也沒(méi)有裝置計(jì)量表和閥門(mén)等配件，局部水頭損失可忽略，本例只考慮沿程阻力損失。)液壓管路AO段淺水區(qū)海床溫度為16 ℃，深水區(qū)海床溫度約為4 ℃。OA段流體黏度采用平均值；其余各段皆采用海床溫度4 ℃進(jìn)行黏度選取，見(jiàn)表1。

表1 Oceanic HW443R(液體)典型物理性能

2 B點(diǎn)泄漏計(jì)算及驗(yàn)證

如圖2壓力對(duì)比曲線所示，現(xiàn)假設(shè)故障處于B點(diǎn)區(qū)域小范圍內(nèi)，B點(diǎn)泄漏的流量是AO、OB、CO、DO等4段臍帶纜按其管路體積成比例貢獻(xiàn)的，4段臍帶纜總長(zhǎng)為113.2 km。以B點(diǎn)泄漏總流量為1個(gè)單位進(jìn)行討論，則AO段貢獻(xiàn)80/113.2，OB段貢獻(xiàn)3.5/113.2，CO段貢獻(xiàn)3.7/113.2，DO段貢獻(xiàn)26/113.2。AO管段內(nèi)每個(gè)橫截面的流量也不同，在A點(diǎn)微單元貢獻(xiàn)流量近似為0，而由于AO段所有微單元的貢獻(xiàn)流量均參與了O點(diǎn)流量，因此在O點(diǎn)流量近似為80/113.2。同理，CO、DO段的流量也符合這樣的關(guān)系。由于管徑一致，流速與流量成比例關(guān)系。當(dāng)B點(diǎn)泄漏量為50 L/d時(shí)，流速情況見(jiàn)表2。

表2 各管段流速表

在本例中液壓管路是臍帶纜內(nèi)圓形鋼管，根據(jù)雷諾數(shù)公式Re=ρVD/μ=VD/ν(ρ為液壓液密度；V為截面平均流速；D為臍帶纜內(nèi)液壓管路直徑；μ為動(dòng)力黏度；ν為運(yùn)動(dòng)黏度)，求得各點(diǎn)位雷諾數(shù)，判斷液壓管路內(nèi)流型皆為層流[6]。

在約50 L/d的微泄漏時(shí)，從A點(diǎn)到B點(diǎn)的沿程阻力損失為

(1)

式中：λ1為沿程阻力系數(shù)；L1為AO段臍帶纜長(zhǎng)度；v1為AO段管路首尾平均流速，取0.001 62 m/s；D為臍帶纜內(nèi)液壓管路直徑；g為重力加速度；λ2、L2和v2為OB段管路相應(yīng)數(shù)值，v2取0.004 50 m/s。經(jīng)計(jì)算在微泄漏(50 L/d)發(fā)生初始時(shí)刻，B點(diǎn)壓力突降約為10 bar，不易在記錄曲線上被察覺(jué)。

在B點(diǎn)泄漏的初始瞬間，C、D兩點(diǎn)壓力保持不變。后期在B點(diǎn)區(qū)域小范圍內(nèi)接口位置進(jìn)行檢查，現(xiàn)場(chǎng)證實(shí)了B點(diǎn)泄漏?，F(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)將ROV上的探照燈熄掉，只使用機(jī)械臂上查漏燈照射液壓飛線的接口，發(fā)現(xiàn)了染色劑，如圖3所示，焦點(diǎn)右側(cè)色彩不規(guī)則部分為染色劑，確認(rèn)微泄漏降壓法定位技術(shù)可靠。在本例液壓系統(tǒng)中，B點(diǎn)泄漏代表液壓系統(tǒng)短支線的泄漏情況。泄漏點(diǎn)處無(wú)明顯壓力突降，而泄漏支路與其他支路壓力對(duì)比曲線有明顯趨勢(shì)性特征。

圖3 ROV 在B點(diǎn)發(fā)現(xiàn)染色劑

3 D點(diǎn)和O點(diǎn)微泄漏特征

從服務(wù)于未來(lái)泄漏故障處理及方法推廣角度考慮，仍以本例液壓系統(tǒng)為模型，進(jìn)一步研究D點(diǎn)(代表長(zhǎng)支線末端泄漏)和O點(diǎn)(代表系統(tǒng)公共點(diǎn)泄漏)泄漏故障特征。當(dāng)液壓系統(tǒng)微泄漏發(fā)生在D點(diǎn)時(shí)，各段液壓管路根據(jù)其體積比例貢獻(xiàn)泄漏流量，系統(tǒng)各管路流速見(jiàn)表3。

表3 D點(diǎn)微泄漏各管段流速表

經(jīng)計(jì)算D點(diǎn)在泄漏瞬間的壓力突降約為42 bar。如圖4所示, 壓力突降的數(shù)值較大，可非常明顯地在D點(diǎn)壓力計(jì)的曲線上觀察到，不同于B點(diǎn)同等程度微泄漏。

圖4 D點(diǎn)泄漏壓力突降及壓力曲線

綜上所述，判斷D點(diǎn)微泄漏(長(zhǎng)支路末端發(fā)生微泄漏)依據(jù)以下特點(diǎn)：(1)在泄漏發(fā)生時(shí)，泄漏支路有較明顯壓力突降，而其他支路沒(méi)有壓力突降。(2)在液壓系統(tǒng)自動(dòng)增壓工作的情況下，實(shí)線表示其壓力曲線[7]；在自動(dòng)增壓不工作的情況下，壓力將沿虛線逐漸降低。(3)關(guān)閉自動(dòng)增壓設(shè)備，讓系統(tǒng)從運(yùn)行壓力自然降壓(降壓法思路)，壓力對(duì)比曲線的特征與圖2類似。同時(shí)得出判斷O點(diǎn)發(fā)生微泄漏的特征：(1)由于本系統(tǒng)在O點(diǎn)無(wú)壓力儀表，無(wú)法確切了解任一時(shí)刻O(píng)點(diǎn)壓力，但是可推斷出B、C、D等3點(diǎn)的壓力無(wú)明顯壓力突降；(2)關(guān)閉自動(dòng)增壓設(shè)備，讓系統(tǒng)從運(yùn)行壓力自然降壓，3條壓力對(duì)比曲線應(yīng)都呈水平線趨勢(shì)。

4 敏感性分析[8]

敏感性分析的目的在于找出適用降壓法的液壓支路最小長(zhǎng)度與泄漏流量、液壓管路總長(zhǎng)度之間的關(guān)系。

(1) 液壓支路最小長(zhǎng)度與泄漏流量的關(guān)系。使用圖2液壓系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，得到泄漏流量Q與泄漏支路長(zhǎng)度L的關(guān)系為Q·L2=常數(shù)。液壓系統(tǒng)發(fā)生泄漏30 L/d時(shí)，計(jì)算得出的支線最小長(zhǎng)度約為1 173 m；液壓系統(tǒng)發(fā)生泄漏40 L/d時(shí)，其最小管路長(zhǎng)度約為1 120 m；液壓系統(tǒng)發(fā)生泄漏50 L/d時(shí)，最小管路長(zhǎng)度約為1 000 m；液壓系統(tǒng)發(fā)生泄漏60 L/d時(shí)，最小管路長(zhǎng)度約為920 m。

(2) 液壓支路最小長(zhǎng)度與液壓管路總長(zhǎng)度的關(guān)系。管路總長(zhǎng)度約為Skm的放射狀液壓系統(tǒng)，使用最小泄漏量30 L/d，泄漏點(diǎn)流速為0.002 7 m/s，最小支線長(zhǎng)度為L(zhǎng), 泄漏支線的平均流速則為V=0.002 7 m/s(S-L/2)/S。仍以0.5 bar差異作為判斷泄漏的依據(jù)(約為壓力計(jì)誤差0.225 bar的2.2倍)，代入沿程阻力損失計(jì)算公式可得1 167 m=L-L2/2S。據(jù)此可求出一組數(shù)據(jù)：

S100 km 90 km 80 km 70 km 60 km 50 km 40 km 30 km

L1 174 m 1 175 m 1 176 m 1 176 m 1 179 m 1 180 m 1 184 m 1 190 m

由此看出，管路最小長(zhǎng)度對(duì)泄漏流量更敏感，而對(duì)液壓系統(tǒng)管路總長(zhǎng)度不敏感。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)在某深水油氣田液壓泄漏故障處理的經(jīng)驗(yàn)，可依據(jù)以下幾點(diǎn)特征判斷泄漏點(diǎn)位置：(1)在短支路液壓微泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)無(wú)明顯壓力突降，無(wú)故障支路間的壓力對(duì)比曲線呈現(xiàn)為水平線，與泄漏支路間的壓力對(duì)比曲線有明顯不同趨勢(shì)特征。(2)在長(zhǎng)支路液壓微泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)有明顯壓力突降，無(wú)故障支路間的壓力對(duì)比呈現(xiàn)為水平線，與泄漏支路之間的壓力曲線有明顯不同趨勢(shì)特征。(3)在線路公共點(diǎn)發(fā)生微泄漏時(shí)，各支線末端無(wú)壓力突降，任意支線末端壓力對(duì)比曲線應(yīng)呈現(xiàn)水平線。同時(shí)建議，在微泄漏現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)，應(yīng)關(guān)閉ROV探照燈，僅使用查漏燈進(jìn)行探查，否則，受背景光源影響，在微泄漏的染色劑很難被發(fā)現(xiàn)。