安維崢 孫 欽 魏 娟 左 信 張岱峰 岳元龍

（1.中海油研究總院有限責任公司；2.中國石油大學（北京）信息科學與工程學院自動化系）

近年來隨著世界范圍內油氣資源消耗的遞增和陸地原油開采速度的加快，海洋領域內的油氣勘探開發(fā)已成為新的焦點［1，2］。目前水下生產控制系統(tǒng)［3］已發(fā)展成具有直接液壓、先導液壓、順序液壓、直接電液、電液復合及全電氣等多種控制模式，其中電液復合控制技術是現(xiàn)階段具有明顯優(yōu)勢并得到廣泛應用的成熟技術。 在國家政策的大力支持下， 海洋油氣勘探開發(fā)裝備不斷發(fā)展，對設備的生產能力、可靠性、安全性及自動化程度提出了更高的要求，方向控制閥作為水下控制模塊的重要組成部分［4］，承擔著保證水下油氣田安全運行的責任。

同時， 由于國外知名廠家均對各自生產的方向控制閥的產品申請了專利保護， 各廠有專業(yè)的第三方單獨負責加工配套產品， 且近幾年部分產品拒絕對我國供貨， 因此通過國外產品進行摸索學習的路線行進困難。 同時，我國海洋油氣勘探裝備的開發(fā)研究工作起步較晚， 特別是方向控制閥技術［5］，目前國內尚無這方面的成熟產品。 因此，水下方向控制閥的國產化研制已經(jīng)成為我國發(fā)展水下生產控制系統(tǒng)進程中所必須解決的問題。

筆者以方向控制閥為研究對象，首先介紹國際標準要求中方向控制閥的具體規(guī)定；分析國外知名廠家的方向控制閥設計參數(shù)及其工程案例；總結了國內方向控制閥的技術研究現(xiàn)狀，在此基礎上，總結方向控制閥在海底工況應用應具備的一些特殊性能； 結合我國深海油氣田實際情況，提出方向控制閥研制建議，以期為方向控制閥的國產化研制提供參考。

1 方向控制閥工作原理

水下電液復合控制系統(tǒng)方向控制閥 （以下簡稱方向控制閥） 由兩個先導閥和一個主閥組成，如圖1所示。 主閥有彈簧保持復位、先導控制復位、先導控制切換、液壓保持閥位4個工作狀態(tài)。 先導閥有通電和斷電兩種工作狀態(tài)。 下面給出先導閥、 主閥的組成和功能原理的詳細說明。

圖1 方向控制閥組成原理

1.1 先導閥的組成和工作原理

先導閥是由先導閥體和電磁閥組成的電控兩位三通常閉換向閥，具有彈簧復位功能。 先導閥有控制狀態(tài)和復位狀態(tài)，其中復位狀態(tài)與常閉狀態(tài)等價。 先導閥原理如圖2所示，圖中藍色代表未導通的油路、綠色代表導通的油路、紅色虛線代表未通電的雙冗余電磁線圈。

圖2 先導閥原理（常閉狀態(tài)）

先導閥由水下電子模塊的數(shù)字量輸出板卡（DO板卡）控制，圖3是在DO板卡的作用下，電磁閥通電使先導閥處于工作狀態(tài)。 圖中紅色箭頭代表通電線圈，其他線條顏色的意義與圖2相同。

圖3 電磁閥原理（工作狀態(tài)）

先導功能口PF與主閥閥芯控制油腔連通，控制主閥閥芯移動。 先導閥的供油來自主閥的閥體。 先導回油返回至主閥閥體，與主閥回油油路匯合至回油口。

1.2 主閥的組成和工作原理

主閥是由先導閥控制閥位切換的液控兩位三通常閉換向閥，具有彈簧復位功能。 主閥有控制狀態(tài)和復位狀態(tài)，其中復位狀態(tài)與常閉狀態(tài)等價，如圖4所示，圖中三角塊代表先導閥芯控制油腔，其他線條顏色的意義與圖2相同，控制油腔包括回油控制、工作控制和閥位保持3個油腔。

圖4 主閥原理（常閉狀態(tài)）

圖5是在先導閥的作用下， 依次完成工作控制油腔、閥位保持油腔供油，最終主閥處于工作狀態(tài)。

圖5 主閥原理(工作狀態(tài))

主閥的功能口F與液壓執(zhí)行機構油腔連通。主閥的供油來自主閥的閥體。 回油與先導閥回油匯合后通過閥體連接回油管線。

2 API 17F標準對方向控制閥的要求

2013年前ISO 13628-6和API 17F均對方向控制閥有相關要求，但是自2013年起ISO不再更新，全球海洋油氣田開發(fā)均參考最新的API 17F［6］。 下面分析API 17F對方向控制閥的描述，掌握方向控制閥的自動復位壓力、性能要求、泄漏測試及清潔度要求等，有助于分析方向控制閥國際產品的特征。

2.1 節(jié)能與壓力相關要求

方向控制閥的功能要求。 為了降低電能消耗，方向控制閥應該具有電脈沖激勵開啟液壓保持閥位的功能， 但是不包括用于SCM內部液壓系統(tǒng)排空和操作油嘴步進動作的方向控制閥。

控制壓力。 執(zhí)行機構啟動-關閉壓力：當供油壓力從操作壓力下降到環(huán)境壓力時，彈簧復位執(zhí)行機構從開啟位置移動到關閉位置的壓力。 方向閥的自動復位壓力：當供油壓力從操作壓力下降到環(huán)境壓力或復位壓力時（環(huán)境壓力小于復位壓力）， 方向控制閥從鎖定的控制狀態(tài)自動切換至復位狀態(tài)時的最高壓力。

液壓動力系統(tǒng)中系統(tǒng)壓力額定值和性能要求。 任意液壓執(zhí)行機構啟動期間，液壓系統(tǒng)的瞬時供油液壓不應低于最小操作壓力。 最小操作壓力不得低于任何方向控制閥的自動復位壓力的150%或任何彈簧復位執(zhí)行機構的最高啟動-關閉壓力的100%。

2.2 安全相關要求

緊急關斷功能。 水下控制系統(tǒng)中的單個組件或子系統(tǒng)的液壓排氣閥、方向控制閥是緊急關斷系統(tǒng)的一部分，應符合相應的緊急關閉系統(tǒng)設計規(guī)范。

緊急關斷時間。 海底控制系統(tǒng)組件或子系統(tǒng)，例如HPU液壓排氣閥、方向控制閥等，應在與緊急關斷系統(tǒng)的所有其他元素相結合的時間內單獨運行，需要在運營商規(guī)定的最大響應時間內完成SCSSVs和指定的HIPPS隔離閥的關閉。

2.3 測試相關要求

方向控制閥靜水壓試驗。 方向控制閥進行靜水壓試驗的目的是測試主體閥和先導閥結構的強度和變形量。 當方向控制閥設計壓力不大于15 000 psi（1 psi=6.895 kPa）時，靜水壓力為1.5倍的設計壓力； 當方向控制閥的設計壓力大于15 000 psi時，靜水壓力為1.25倍的設計壓力。 進行靜水壓試驗時閥體油路內表面施加壓力，外壓為大氣環(huán)境。 靜水壓試驗壓力等級如圖6所示。

圖6 靜水壓試驗壓力等級

方向控制閥泄漏試驗。 試驗應在方向控制閥的設計壓力下對控制功能和復位功能進行測試，測試的最小持續(xù)時間應為10 min。

泄漏量檢測方法有兩種：對方向控制閥根據(jù)設計壓力加壓，壓力穩(wěn)定后隔離壓力源，監(jiān)測并記錄壓力衰減；對方向控制閥施加恒定的設計壓力，并通過在回流口收集液壓油來監(jiān)測方向控制閥的泄漏量。 兩種檢測方法的驗收標準均為泄漏量小于0.2 mL/min。

工 廠 驗 收 測 試 （Factory Acceptance Test，F(xiàn)AT）。 主要測試驗收方向控制閥的性能和泄漏量，完成SCM FAT后，所有方向控制閥應累計操作至少100次切換，其中50%的動作應在進入SCM后完成。

2.4 清潔度相關要求

組成水下生產控制系統(tǒng)的液壓元件需要對液壓油中的海水和固體顆粒具有一定的容忍度，允許部分海水進入液壓系統(tǒng)，具有一定的抗海水腐蝕性能。 方向控制閥的主閥需要在清潔度等級為SAE 4059-6級環(huán)境下的液壓系統(tǒng)中正常工作；先導閥供油需要增加額外的過濾器，使液壓清潔度等級達到SAE 4059-10級。

3 方向控制閥國際產品技術特點分析

目前，國際上具有方向控制閥生產能力的公司主要為歐美三大水下生產系統(tǒng)供貨商，它們只服務于工程總承包項目，不單獨對外出售。 目前國內可以采購的方向控制閥來自英國的某公司。針對上述公司產品，目前能夠獲取的資料主要集中在產品的性能指標和工作原理方面，尚不能獲取其詳細的內部結構。 因此，筆者主要分析國外知名廠家生產的方向控制閥的設計參數(shù)，包括結構原理、解決方案、測試方案和工程案例，以及國外知名特種化學品公司提供的特制液壓油，包括不同系列液壓油的物理性質、儲存條件、材料相容性及適用工況等。

3.1 廠家一的方向控制閥

廠家一的方向控制閥由其集團下屬子公司Rotator提供， 該公司具有超過60年的方向控制閥設計歷史，Rotator產品具有質量優(yōu)異、可靠性高和全球支持售后的優(yōu)點。 Rotator為全球40%的水下生產系統(tǒng)提供方向控制閥以用于水下采油樹、水下管匯和井下安全閥的控制。 Rotator方向控制閥有兩種類型，分別用于操作閘閥執(zhí)行機構和油嘴步進執(zhí)行機構。

3.1.1 操作閘閥執(zhí)行機構的方向控制閥

操作閘閥執(zhí)行機構的方向控制閥型號為HCV151.11.11.**-3.2，包括標準型和高壓型，該系列方向控制閥適用于壓力高達20 000 psi和水深為4 000 m的惡劣海底環(huán)境，具有耐高壓、耐污染、可靠性高等特點。 該系列產品的基本技術規(guī)格對比見表1。

表1 HCV151.11.11.**-3.2標準版和高壓版基本技術規(guī)格對比

HCV151.11.11.**-3.2的標準版和高壓版的結構原理相同，如圖7所示。 Rotator方向控制閥在一水下控制模塊中的應用現(xiàn)場如圖8所示。

圖7 HCV151.11.11.**-3.2結構原理（標準版/高壓版）

圖8 Rotator方向控制閥安裝現(xiàn)場

3.1.2 操作油嘴步進執(zhí)行機構的方向控制閥

操作油嘴步進執(zhí)行機構的方向控制閥型號為HCV151.11.50.**-3.2 和HCV151.11.51.**-3.2，方向控制閥的設計壓力可達20 000 psi，水深可達4 000 m。該系列產品的基本技術規(guī)格對比結果見表2。

表2 HCV151.11.50/51.**-3.2基本技術規(guī)格對比

HCV151.11.50.**-3.2的結構原理如圖9 所示，HCV151.11.51.**-3.2的結構原理如圖10所示。

圖9 HCV151.11.50.**-3.2結構原理

圖10 HCV151.11.51.**-3.2結構原理

3.2 廠家二的方向控制閥

自1987年以來，廠家二成功地將方向控制閥投入水下生產系統(tǒng)［7］，基于工程經(jīng)驗和產品迭代更新，研發(fā)出了技術優(yōu)越、性能領先的FPS10系列換向閥，該產品完全與海水兼容，能夠在污染級別大于NAS 1638 class12的流體中工作。該公司方向控制閥實物如圖11所示。

3.3 廠家三的方向控制閥

廠家三一直專注于水下生產系統(tǒng)工程總承包的配套設備的研發(fā)［7］，特別是針對水下控制系統(tǒng)提供了從零部件到系統(tǒng)集成的解決方案，并從1970年設立了方向控制閥研發(fā)部門，截至目前至少有10 000套水下方向控制閥服務于水下生產控制系統(tǒng)。 廠家三水下方向控制閥如圖12所示。

圖12 廠家三水下方向控制閥

廠家三的方向控制閥的零部件材料與標準推薦使用的液壓油完全兼容，材料列表見表3。

表3 方向控制閥的零部件材料表

3.4 水下生產控制系統(tǒng)專用液壓油

麥德美公司為海洋油氣行業(yè)的工程承包商提供產品支持［8］，以提高海上生產和鉆井作業(yè)效率，其中生產的水下生產控制系統(tǒng)專用液壓油確保水下液壓設備具有與海水兼容的性能。 以下是水下生產系統(tǒng)專用液壓油的特性分析。

3.4.1 Oceanic HW443系列液壓油

Oceanic HW443系列包括HW443、HW443ND、HW443R3種型號， 是API 17F標準推薦使用的高溫水基液壓油， 工作溫度范圍-25 ～145 ℃。Oceanic HW443液體在開環(huán)和閉環(huán)海底水下控制系統(tǒng)和防噴器（BOP）控制系統(tǒng)均有使用。

Oceanic HW443液體互為相容， 并且提供同樣的技術性能。 產品僅在顏色（HW443為熒光黃綠色，HW443ND沒有染色，HW443R為熒光紅色）方面有區(qū)別。 Oceanic HW443在ISO 13628-6規(guī)范中被命名，并且滿足設備制造商的要求。

Oceanic HW443在海洋工程領域， 具有明顯的技術優(yōu)勢。 符合ISO 13628-6標準規(guī)定，專用于高溫井（井下溫度為145 ℃/293 ℉），具有優(yōu)異的防腐（液相和氣相）和潤滑性能，卓越的穩(wěn)定性和高度的海水兼容性。與Oceanic HW500、HW500E、HW500P和HW700液體范圍完全相容， 符合嚴格的全球環(huán)境可接受性規(guī)定。

3種型號液壓油典型性質對比見表4。

表4 3種型號液壓油典型性質對比

Oceanic HW443液體應存放在干燥的環(huán)境下，理想條件是避免陽光直射。 正常儲存溫度范圍為5～40 ℃。 Oceanic HW443液體含有高性能添加劑，用于確保與海底采油控制設備中常用的材料具有高度的相容性， 已經(jīng)采用Oceanic HW443液體進行了廣泛的材料相容性試驗。

3.4.2 Oceanic HW525系列液壓油

Oceanic HW525含25%乙二醇， 是Oceanic系列最新的水基液壓油系列， 它可以在高達140 ℃的溫度下使用。

Oceanic HW525的典型性質如下：

外觀 黃色液體

傾點 -15 ℃

pH值 9.3

溫度限制范圍 -25～135 ℃

作為經(jīng)濟體制改革與行政體制改革的受體，社會發(fā)展的客觀訴求同樣也影響著經(jīng)濟體制改革與行政體制改革，這種類似嵌套的框架，增加了行政體制改革與經(jīng)濟體制改革的復雜性，但同時又為二者之間的相互耦合提供了契機。自改革開放以來，得益于經(jīng)濟體制改革帶來的紅利，社會得到了高速發(fā)展，人們的物質生活水平有了質的飛躍。但粗放式的經(jīng)濟發(fā)展方式不僅在發(fā)展的持續(xù)性上難以保證，更是帶來了一系列副作用：生態(tài)破壞、環(huán)境污染、資源浪費等，這些問題已經(jīng)不單單是經(jīng)濟體制改革所能解決的，它迫切需要政府介入，而這又將行政體制改革納入進來，當然這并不意味著單一方面的體制改革能夠有效化解這些問題，仍舊需要雙方同時進行。

比重 1.038

運動粘度

Oceanic HW525具有卓越的潤滑套件， 旨在防止摩擦邊界表面的磨損。 海洋液壓設備中常用的所有金屬在Oceanic HW525中都能得到很好的防腐保護。 除了具有液相緩蝕性能外，還使用了氣相緩蝕劑使金屬在與空氣接觸時不受腐蝕。 大多數(shù)常見的密封材料都與之兼容， 包括靛類、丁鈉橡膠、 聚四氟乙烯、 硅酮及氟化橡膠等。Oceanic HW525已經(jīng)按照PARCOM指南進行了全面測試，滿足排海要求，并根據(jù)化學品通報計劃進行了評估，該產品已被列為E類清單。

3.4.3 Oceanic Glycol Mixes液壓油

Oceanic Glycol Mixes液壓油是水基乙二醇混合物， 與Oceanic HW系列控制液和Erifon防噴器液之間相互兼容， 液體中只有乙二醇的含量有所不同，因此可以根據(jù)氣候條件選擇不同型號的產品。

8種Oceanic Glycol Mixes液壓油型號的典型性質對比見表6。

表6 8種液壓油型號的典型性質對比

Oceanic Glycol Mixes 液壓油不含腐蝕抑制劑，與鑄鐵和低合金碳鋼的兼容性有限，與高合金鋼和不銹鋼的兼容性良好，不會對標準彈性體和熱塑性塑料（氮化物、氫化亞硝酸鹽、熒光體、硅膠、氯丁橡膠、PTFE、PEEK）產生不良影響，與陶瓷和臍帶纜襯里熱塑性塑料兼容。 Oceanic Glycol Mixes液壓油應儲存在干燥的環(huán)境條件下，最好避免陽光直射，正常儲存溫度范圍為5～40 ℃（低溫儲存極限因產品范圍而異）。

4 國內技術現(xiàn)狀

我國在水基方向控制閥方面的研究起步較晚，工程化應用還沒有推廣。 西安重型機械研究所在1990年通過改進閥體結構，開發(fā)出一種高水基錐閥式電液換向閥［9］，適用于中小流量的高水基液壓介質傳動系統(tǒng)。 浙江大學在2004年提出了一種無泄漏平面型純水液壓電液換向閥［8］，適合于在中高壓水介質環(huán)境下工作。 河北華北石油榮盛機械制造有限公司在2008年研制的方向控制閥［10］由電液先導閥和液控主閥組成，主要應用于深水鉆井井控裝置。 浙江大學在2011年以東海某油氣田為背景［11］，建立該液壓控制系統(tǒng)及其主要元件的仿真模型，對油田各種典型工況進行動態(tài)仿真，分析仿真結果。

中海油研究總院與中國石油大學 （北京）自2013年起聯(lián)合開展了關于方向控制閥的一系列研究，包括關鍵技術、零部件材料適應性、精密加工工藝、密封方案、測試方案、環(huán)境模擬裝置和測試液壓站等配套技術攻關，目前，已經(jīng)成功研制了5 000 psi的方向控制閥工程樣機，測試數(shù)據(jù)滿足API 17F標準要求，目前正在推進方向控制閥的DNV產品認證。

5 國內外技術現(xiàn)狀總結

電液復合控制系統(tǒng)通常應用于海洋深水環(huán)境，因此，在國內外水下方向控制閥研究基礎上總結水下方向控制閥必須具備的一些針對于海底工況的特殊性能，主要體現(xiàn)在以下方面：

a. 水下電液復合控制系統(tǒng)中的方向控制閥通常安裝在充滿絕緣液體和具有壓力補償?shù)乃驴刂颇K內，并不與海水直接接觸，但是方向控制閥的內部工作介質多為水基液，需要考慮海水滲漏的異常工況，所以其主閥材料必須耐海水腐蝕。

b. 方向控制閥并不與海水直接接觸，但回油口是直接向海水中排出液壓油，所以需要考慮液壓油的清潔度和污染度，選擇合適的液壓油。 同時考慮方向控制閥的閥內壓力，保證回油口液壓油的正常排出。

c. 驅動方向控制閥的電磁閥封閉在密封性較好的殼體內，但散熱性能差，溫度過高必然會縮短電磁閥的使用壽命。 為提高水下電子模塊（Subsea Electronic Module，SEM）的可靠性就需要減少電能損耗， 因此方向控制閥應采用脈沖操作，并且具有液壓自鎖功能以保證工作狀態(tài)。 為了保證油井的安全，在緊急情況下方向控制閥應能自動關閉，因此要求方向控制閥在供油壓力低于起跳壓力時， 閥芯能自動復位到故障安全狀態(tài)。

6 總結與展望

6.1 國外知名廠家均對各自生產的方向控制閥的產品申請了專利保護，且近幾年部分產品拒絕對國內供貨，國內方向控制閥全面國產化路線行進困難。 因此，在方向控制閥國產化研制過程中，應注重通過吸取國外成熟研究思路和成果，實現(xiàn)方向控制閥結構形式和關鍵技術的突破，集成創(chuàng)新出具有自主知識產權的產品。

6.2 方向控制閥的加工不僅需要優(yōu)秀的機加工廠家，還需要工程經(jīng)驗極其豐富特別是長期從事細長孔加工的工程師。 近幾年國內加工廠家工藝設計方案日益成熟，加工工藝逐漸優(yōu)化，加工需求基本滿足，但是在硬質合金細長孔和交叉孔拋光方面尚需要進一步改進。

6.3 不銹鋼、雙相不銹鋼以及各類合金材料廣泛應用于深海液壓元件，但我國在海洋材料研究領域與國外的差距依然較大，需要在這方面繼續(xù)加大研究力度，加快研究步伐，通過改善材料的抗壓和耐腐蝕性能，進一步延長方向控制閥的使用壽命。

6.4 電磁閥目前仍采用國外進口方式，但是價格高昂，貨期較長。 電磁閥產品國產化的研制應提上日程，降低方向控制閥的生產成本，不受限于國外廠家。

6.5 我國海洋石油鉆采裝備已進入飛速發(fā)展的新時期，尤其在海洋鉆采平臺、海洋鉆修井模塊及水下生產裝備等多個方面均已有了新的發(fā)展目標。 這對我國縮小與發(fā)達國家之間的差距，不受發(fā)達國家技術限制， 促進海洋裝備早日實現(xiàn)國產化， 保證國家海洋油氣資源的開采等具有重要意義。 相信通過未來幾年、十幾年的努力，我國必將在海洋石油裝備方面步入世界強國行列， 國內海洋石油鉆采裝備產業(yè)必將展現(xiàn)光明的前景。