魏娟 孫欽

（中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028）

引言

我國(guó)海洋石油資源豐富，基于水深、海底環(huán)境、氣候等因素，在深水領(lǐng)域采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)方案可有效降低成本，增加效益。其中水下控制系統(tǒng)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的大腦，一方面接收和執(zhí)行水上主控站發(fā)來(lái)的指令，另一方面接收水下采集到的信號(hào)，并傳送到水上，供生產(chǎn)和操作人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1]。

隨著水下生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用，水下控制系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，同時(shí)國(guó)產(chǎn)化的研究也越來(lái)越深入。對(duì)水下控制系統(tǒng)全壽命周期進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性和安全性管理是設(shè)計(jì)的必要環(huán)節(jié)。其中及時(shí)對(duì)水下控制系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和規(guī)避，是保障水下生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)安全的需要[2]。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)集成測(cè)試是水下設(shè)備深海安裝之前非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，有助于驗(yàn)證各供應(yīng)方提供的水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備（水下管匯、水下控制模塊、水下閥門等）之間的正常通訊及液壓、電力傳輸功能，評(píng)估水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體可操作性，以確保水下生產(chǎn)系統(tǒng)整體安全、平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)集成測(cè)試還可以起到操作預(yù)演，培訓(xùn)相關(guān)作業(yè)人員的作用，并提高作業(yè)效率[3][4]。

本文來(lái)源于國(guó)產(chǎn)水下控制系統(tǒng)工程化示范應(yīng)用項(xiàng)目，為滿足目標(biāo)氣田的安全生產(chǎn)要求，開展水下生產(chǎn)系統(tǒng)集成測(cè)試技術(shù)研究是必不可少的環(huán)節(jié)，其中對(duì)測(cè)試過(guò)程進(jìn)行危險(xiǎn)和可操作性分析，對(duì)危險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，辨識(shí)測(cè)試過(guò)程中存在的安全隱患，并針對(duì)不同危險(xiǎn)因素提出對(duì)應(yīng)措施，有助于測(cè)試安全穩(wěn)定進(jìn)行，進(jìn)一步提高水下控制系統(tǒng)測(cè)試的安全性，對(duì)保障測(cè)試人員安全和測(cè)試設(shè)備完整性有至關(guān)重要的意義。

1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)

某南海氣田開發(fā)項(xiàng)目對(duì)水下采油樹、水下井口、水下控制系統(tǒng)、水下多功能管匯等進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研發(fā)和系統(tǒng)性集成，形成一個(gè)系統(tǒng)完整、功能齊全、性能可靠的水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)方案，達(dá)到實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用的要求。

本文集成測(cè)試主要范圍為主控站（M a i n Control Station, MCS）、液壓動(dòng)力單元（Hydraulic Power Unit, HPU）、水下電力單元（Electrical Power Unit, EPU），水下管匯、水下分配單元、水下控制模塊（Subsea Control Module, SCM）、水下路由模塊、水下多相流量計(jì)（Multi-phase Flow Meter, MPFM）及其他管線等，同時(shí)具備水下CCTV和水聽器等數(shù)據(jù)采集單元。水下控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 水下控制系統(tǒng)示意圖

所有設(shè)備在通過(guò)出廠驗(yàn)收測(cè)試，擴(kuò)展測(cè)試工作后，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)要求等相關(guān)文件，進(jìn)行水下控制系統(tǒng)陸地聯(lián)合調(diào)試，主要完成水下設(shè)備的水下機(jī)器人與潛水員安裝/回收測(cè)試、水下控制系統(tǒng)功能測(cè)試和極端工況測(cè)試等內(nèi)容測(cè)試[5]。

1.1 主控站

主控站是為水下控制系統(tǒng)提供電力、控制落和通信的“主控臺(tái)”，包含用于液壓動(dòng)力源、電源等監(jiān)控所需要的應(yīng)用軟件，是整個(gè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的控制中心。

1.2 液壓動(dòng)力單元

液壓動(dòng)力單元用于為水下生產(chǎn)設(shè)施提供所需的、穩(wěn)定和清潔的高低壓控制液，控制液通過(guò)臍帶纜中的液壓管輸送到水下液壓分配單元和水下控制模塊。

1.3 水下控制模塊

電液復(fù)合式水下控制模塊廣泛應(yīng)用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)中，主要功能為接收和執(zhí)行來(lái)自水上生產(chǎn)控制系統(tǒng)的電子指令，控制水下管匯及水下采油樹閥門的開關(guān)工作，以及實(shí)時(shí)收集水下傳感器數(shù)據(jù)信息。在水下控制系統(tǒng)正式投入使用前對(duì)其進(jìn)行功能和性能測(cè)試十分重要[6]。

1.4 水下路由模塊

水下路由模塊主體內(nèi)置有電源和控制模塊。可實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行供電和光電信號(hào)的轉(zhuǎn)化。水下路由模塊與其它水下接口設(shè)備之間通過(guò)水下濕插拔連接器與飛線進(jìn)行供電、通信的連接。

1.5 水下監(jiān)測(cè)單元

基于CCTV的水下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)水下視頻成像系統(tǒng)中的水下照明系統(tǒng)輔助水下攝像系統(tǒng)對(duì)水下生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行全方位和多角度監(jiān)測(cè)，完成對(duì)水下環(huán)境的視頻監(jiān)測(cè)。

聲矢量水聽器主要功能是實(shí)現(xiàn)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全監(jiān)測(cè)，對(duì)外部風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行提前預(yù)警，解決水下生產(chǎn)系統(tǒng)的監(jiān)控盲區(qū)問(wèn)題，對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，判定侵入目標(biāo)的位置和位移，降低船只在附近停留或作業(yè)等行為對(duì)水下設(shè)備造成損壞的風(fēng)險(xiǎn)，從而保證水下生產(chǎn)設(shè)施的安全。

本文集成測(cè)試內(nèi)容包括水下機(jī)器人界面測(cè)試，系統(tǒng)上電測(cè)試，信號(hào)采集測(cè)試，冗余測(cè)試，液壓閥門開關(guān)測(cè)試，液壓泄漏測(cè)試，系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試等。其中涉及水下控制系統(tǒng)設(shè)備類型多，界面復(fù)雜，對(duì)測(cè)試過(guò)程中可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)的分析和規(guī)避，可以有效避免損失。

2 HAZOP分析

本文可能涉及化學(xué)藥劑、液壓油等如若泄漏或與人員接觸，將可能發(fā)生安全事故，用電設(shè)備進(jìn)行帶電測(cè)試時(shí)，也具有很高的安全風(fēng)險(xiǎn)。相較于失效模式與影響分析，故障樹分析等方法，HAZOP分析方法的主要優(yōu)勢(shì)在于可以非常全面辨識(shí)已有系統(tǒng)存在的風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)計(jì)過(guò)程中的缺陷，能有效地識(shí)別系統(tǒng)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的危險(xiǎn)和潛在問(wèn)題，成為衡量系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)水平的重要標(biāo)志[7][8]。

為對(duì)水下控制系統(tǒng)集成測(cè)試進(jìn)行HAZOP分析，本文組建由各設(shè)備供應(yīng)商、測(cè)試工程師、開發(fā)方案設(shè)計(jì)人員、安裝工程師、維修操作人員等組成的分析小組，熟悉水下生產(chǎn)系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并具有較為豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)所需實(shí)現(xiàn)的主要功能，分析小組依據(jù)分析引導(dǎo)詞（no or not,more, less, as well as, part of reverse, other than）討論偏差并進(jìn)一步分析偏差出現(xiàn)的原因及其產(chǎn)生的后果，分別對(duì)閥門操作，液壓控制，通訊功能，上電測(cè)試等主要功能偏差進(jìn)行描述，分析功能偏差產(chǎn)生的原因及其危害，最后提出應(yīng)對(duì)措施。分析程序如下：

（1）分析設(shè)備陸上對(duì)接過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)分析；

（2）分析各類狀態(tài)參數(shù)可能發(fā)生的偏差；

（3）對(duì)偏差產(chǎn)生的原因和可能導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析；

（4）識(shí)別出關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)以及針對(duì)關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)提出安全保護(hù)措施。

以水下控制模塊為節(jié)點(diǎn)分析，根據(jù)“參數(shù)+引導(dǎo)詞”的方法分析工藝參數(shù)偏差。以表1中液壓壓力過(guò)高/低偏離HAZOP分析為例，產(chǎn)生過(guò)低偏離的原因?yàn)镠PU故障，包括泄露、電機(jī)轉(zhuǎn)速不足等，導(dǎo)致HPU輸出壓力過(guò)低，或者輸送管線泄漏，接頭處密封不良，蓄能器能力不足，可能造成污染，最終導(dǎo)致無(wú)法正常開啟和關(guān)閉閥門,分析過(guò)程如表1所示。

表1 水下控制模塊壓力偏差分析

針對(duì)HAZOP分析的結(jié)果，提出相應(yīng)的安全措施，如HPU液壓循環(huán)量和液壓缸容量要考慮測(cè)試管路容積；檢查更換質(zhì)量合格的管線及接頭，提前預(yù)充蓄能器壓力。

3 主要問(wèn)題和建議措施;

基于HAZOP分析結(jié)果，本文對(duì)電氣、控制和通信安全提出以下安全措施，以保證系統(tǒng)集成測(cè)試安全運(yùn)行：

（1）確定測(cè)試電氣設(shè)備的絕緣測(cè)試選擇合適的測(cè)試電壓。

（2）應(yīng)確保所有測(cè)試電氣設(shè)備等電位，設(shè)備外殼有接地（SCM 有接地螺栓），并連接至測(cè)試場(chǎng)專用接地處。

（3）隔離開關(guān)不能帶電通斷，否則會(huì)產(chǎn)生電弧，造成人員傷害，設(shè)備損壞。

（4）MCS 機(jī)柜溫度過(guò)高可能造成設(shè)備損壞。建議現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)將機(jī)柜加熱到報(bào)警值溫度，測(cè)試系統(tǒng)MCS 系統(tǒng)運(yùn)行情況；考慮模擬MCS 系統(tǒng)最大運(yùn)行量（例如CPU 長(zhǎng)時(shí)間100%運(yùn)行）導(dǎo)致的硬件系統(tǒng)升溫的場(chǎng)景，測(cè)試系統(tǒng)溫控是否滿足降溫的要求。

（5）完善通信性能測(cè)試，包括對(duì)時(shí)延、丟包率、信號(hào)衰減等內(nèi)容的測(cè)試。測(cè)試時(shí)間、測(cè)試數(shù)據(jù)量、測(cè)試用例應(yīng)充分考慮井下生產(chǎn)過(guò)程中遇到的各種場(chǎng)景，包括生產(chǎn)準(zhǔn)備、正常生產(chǎn)、維修維護(hù)和應(yīng)急響應(yīng)等。

（6）增加兩臺(tái)SCM可能存在的通訊沖突場(chǎng)景，例如同時(shí)需要與水面設(shè)施進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換（考慮場(chǎng)景如：管匯SCM發(fā)生流量計(jì)大量數(shù)據(jù)交換是否影響采油樹SCM關(guān)閥命令；或者采油樹短時(shí)間密集發(fā)生的閥門調(diào)節(jié)、關(guān)斷信號(hào)傳遞是否會(huì)影響管匯SCM上的通訊。）

（7）MPFM 測(cè)試內(nèi)容要包括可能出現(xiàn)的最大數(shù)據(jù)通訊時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性的測(cè)試，例如模擬MPFM流量計(jì)在短時(shí)間內(nèi)向主機(jī)密集發(fā)送數(shù)據(jù)的場(chǎng)景。

4 結(jié)語(yǔ)

在水下生產(chǎn)系統(tǒng)推廣應(yīng)用的背景下，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的測(cè)試技術(shù)也日趨完善。對(duì)于技術(shù)成熟度相對(duì)較低的國(guó)產(chǎn)化設(shè)備，規(guī)范測(cè)試程序和技術(shù)參數(shù)要求，保證測(cè)試的準(zhǔn)確性、可靠性和安全性至關(guān)重要。本文結(jié)合HAZOP分析方法，對(duì)水下控制系統(tǒng)集成測(cè)試分析偏差出現(xiàn)的原因及其產(chǎn)生的后果進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的對(duì)策，使風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到可接受水平。對(duì)后續(xù)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的集成聯(lián)調(diào)測(cè)試有一定的指導(dǎo)意義。