黃儒康，張士超，陳小偉，時永剛，曹義威

中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司（天津 300457）

隨著我國海洋石油產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，海上平臺無人化改造已成為未來趨勢。相較于常規(guī)的駐人平臺，無人平臺為海上油氣資源的開發(fā)提供了兼具人員安全、成本效益與生產(chǎn)效率的解決方案[1-3]。其中，將機(jī)械調(diào)節(jié)或人工手動操作改為電動控制在海上平臺無人化的改造中起著關(guān)鍵作用，為了確保遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)工作的可靠性，實現(xiàn)在役井口平臺無人化，采用的遠(yuǎn)程電控采油樹需要有更高的可靠性和安全性。當(dāng)前無人平臺及遠(yuǎn)程電控采油樹剛起步，針對電動節(jié)流閥制造階段的質(zhì)量控制相關(guān)研究較少，現(xiàn)階段并未有成熟的電動采油樹監(jiān)理方法，生產(chǎn)廠家及使用單位對其質(zhì)量控制措施不明確，因此急需剖析其工作原理，制定專門的監(jiān)理細(xì)則，對關(guān)鍵的電動節(jié)流閥以現(xiàn)場檢查與證書審核相結(jié)合的方式進(jìn)行監(jiān)督檢驗，及時甄別部分不合格品，從源頭上把控質(zhì)量。

1 電動節(jié)流閥簡介

遠(yuǎn)程電控采油樹主要特征是采用壓力變送器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓力表，用電動節(jié)流閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動節(jié)流閥，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。此外，電動節(jié)流閥普遍采用籠套式，該種采油樹在低壓電潛泵井應(yīng)用較多。圖1為渤海油田某無人平臺應(yīng)用的電動采油樹節(jié)流閥示意圖。

圖1 籠套式結(jié)構(gòu)電動節(jié)流閥結(jié)構(gòu)圖

電動節(jié)流閥由籠套式節(jié)流閥閥體、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及相關(guān)配件組成。其中，最關(guān)鍵的部件為電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要用于閥門管道的自動控制，接受模擬量或數(shù)字量信號后將此信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的機(jī)械位移，從而對閥門進(jìn)行精確控制，精確調(diào)節(jié)介質(zhì)流量[4]。

2 電動節(jié)流閥監(jiān)理要點分析

2.1 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)監(jiān)理要點

1）防爆性能。電控采油樹的應(yīng)用場景是海上平臺的井口區(qū)域，其作業(yè)環(huán)境危險指數(shù)很高，為了降低風(fēng)險、減少安全事故的發(fā)生，井口區(qū)域的所有設(shè)備必須具有足夠高的防爆等級。根據(jù)SY/T 6671—2017《石油設(shè)施電氣設(shè)備場所Ⅰ級0 區(qū)、1 區(qū)和2 區(qū)的分類推薦作法》確定作用于井口采油樹的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用范圍區(qū)域劃分為2 區(qū)，結(jié)合實際工況，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)需滿足Exd IIC T4 防爆要求。防爆等級認(rèn)證往往涉及型式試驗，通常由第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)證，監(jiān)理人員主要審核國家強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證型式試驗報告及防爆CCC證書的有效性。

2）防護(hù)性能。海上平臺的環(huán)境具有高鹽霧的特點，大氣中主要含有氯化物雜質(zhì)，由于氯化物具有吸潮性，且氯離子對部分金屬具有強(qiáng)烈的腐蝕性，工作環(huán)境對電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的腐蝕問題需要重點關(guān)注。作為機(jī)電一體化產(chǎn)品，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)常見的腐蝕類型主要有鋁合金外殼腐蝕、外露金屬件的電化學(xué)腐蝕以及不同金屬材質(zhì)間的縫隙腐蝕[5-6]。

針對海洋強(qiáng)腐蝕環(huán)境，供貨商需在外殼整體進(jìn)行涂層處理，合理選擇底漆、中間漆和面漆。監(jiān)理人員需要重點檢查電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)外殼噴砂除銹等級、粗糙度、油漆溫度、底漆和中間漆種類、面漆種類及顏色、干膜厚度等參數(shù)，確保涂層在海洋強(qiáng)腐蝕環(huán)境中能有效地提高整機(jī)外殼的耐腐蝕性能。

為了保證整機(jī)密封性能，有效地阻止水分及氯離子等腐蝕介質(zhì)進(jìn)入聚集，避免對內(nèi)部元器件造成損害，對電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)制造要充分考慮海水鹽霧腐蝕，供貨商所提供的所有設(shè)備及材料等均需滿足“三防”（防塵、防潮、防腐）要求，整機(jī)防護(hù)等級應(yīng)達(dá)到IP68[7]。由于防護(hù)等級通常為第三方機(jī)構(gòu)鑒定發(fā)證，監(jiān)理人員可根據(jù)實際需要選擇部分見證，或直接審核防護(hù)等級證書的有效性。

3）試驗過程見證。為確保電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能完好，符合技術(shù)規(guī)格書要求，監(jiān)理人員在供貨前需要對電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行常規(guī)檢查、功能試驗及溫升試驗全過程見證。在試驗開始前，應(yīng)對檢驗人員資質(zhì)進(jìn)行審核，檢查扭轉(zhuǎn)測試臺、絕緣電阻表、紅外線測溫儀等檢測儀器設(shè)備的合格證及有效期。具體見證要求見表1[8]。

表1 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)試驗見證

2.2 籠套式節(jié)流閥監(jiān)理要點

籠套式節(jié)流閥的監(jiān)理工作按照生產(chǎn)制造實施過程開展，主要包括材質(zhì)選用、生產(chǎn)過程見證、試驗調(diào)試見證和成品檢查4個方面，監(jiān)理要點梳理見表2[9]。

表2 籠套式節(jié)流閥監(jiān)理要點

2.3 電動節(jié)流閥組裝調(diào)試

電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)與節(jié)流閥裝配后，應(yīng)整體測試電動節(jié)流閥的功能。采用電動節(jié)流閥本地控制、遙控、模擬信號、hart、Profibus、Modbus 等一種或者多種控制方法對電動驅(qū)動器進(jìn)行操作控制，測試壓力按照電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓力等級選取。具體操作步驟如下：

1）按相應(yīng)規(guī)格、型號和品牌的電動驅(qū)動器產(chǎn)品使用說明書的方法進(jìn)行開閥限位設(shè)定和關(guān)閥限位設(shè)定。

2）測試記錄電動節(jié)流閥啟動電流大小、正常運(yùn)行中電流大小對應(yīng)產(chǎn)品要求電流。

3）檢查電動節(jié)流閥運(yùn)行過程中是否平穩(wěn)，開關(guān)是否到位?？刂齐妱訄?zhí)行機(jī)構(gòu)，使節(jié)流閥（調(diào)節(jié)閥）停止在不同開度位置，開度位置：10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，檢查實際測量電流模擬量與電動驅(qū)動器開度顯示數(shù)值在規(guī)定范圍之內(nèi)。

4）測試并記錄電動驅(qū)動器從全關(guān)到全開、從全開到全關(guān)的運(yùn)行時間。

3 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)質(zhì)量控制實例

當(dāng)今，國內(nèi)大部分井口采油樹生產(chǎn)廠不自主生產(chǎn)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過第三方采購方式為業(yè)主供貨，這樣組裝集成的遠(yuǎn)控電動采油樹產(chǎn)品質(zhì)量可能為后續(xù)的實際使用埋下隱患。海上無人平臺電動節(jié)流閥工作環(huán)境惡劣，要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)在惡劣工況下仍能正常使用。其中，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的溫升特性尤為關(guān)鍵，并且是監(jiān)理過程中較難把控的質(zhì)量控制點。針對電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)鍵的溫升特性，利用質(zhì)量控制圖對溫升特性值進(jìn)行測量、記錄、評估，從而實現(xiàn)監(jiān)測和分析試驗過程是否處于受控狀態(tài)。

3.1 質(zhì)量控制樣本的選擇

質(zhì)量控制樣本選取電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)滿載運(yùn)行30 min的溫升數(shù)據(jù)，收集數(shù)據(jù)的時間足夠長，兩次測試間隔一定時間，確保變差原因有機(jī)會出現(xiàn)。測量時嚴(yán)格控制環(huán)境溫度，采用同一臺扭轉(zhuǎn)測試臺和紅外線測溫儀，檢驗人員與測量方法和部位保持一致。溫升質(zhì)量控制數(shù)據(jù)如下：31.7、34.5、34.7、35.6、30.8、34.5、36.3、30.6、33.7、32.2、35.4、35.6、37.2、35.4、34.7、35.4、36.2、32.7、33.5、32.7、35.3、32.3、30.7、36.3、31.3℃。

3.2 質(zhì)量控制數(shù)據(jù)的處理

在用控制圖進(jìn)行穩(wěn)定性分析和控制時，數(shù)據(jù)必須呈現(xiàn)合理的正態(tài)分布，嚴(yán)重偏離正態(tài)分布情況可能會導(dǎo)致分析過程出現(xiàn)錯誤報警。通過Shapiro-Wilk 檢驗法對質(zhì)量控制數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗，W檢驗結(jié)果如圖2所示，在α=0.05的檢驗水準(zhǔn)下，質(zhì)量控制數(shù)據(jù)總體服從正態(tài)分布（W=0.932，P=0.095＞0.05）。

圖2 Shapiro-Wilk檢驗結(jié)果

采用Grubbs檢驗法對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗，剔除可疑值。計算出平均值為33.972，標(biāo)準(zhǔn)差s為1.99，根據(jù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計算出檢驗最小值Gmin為1.69，檢驗最大值Gmax為1.62。查詢Grubbs檢驗臨界值表可知G95（25）=2.663，Gmin和Gmax均小于2.663，所以質(zhì)量控制數(shù)據(jù)無離群值，檢驗合格。

3.3 I-MR（單值-移動極差）控制圖

溫升試驗在嚴(yán)格控制試驗變量的情況下任何時刻點的輸出性質(zhì)比較一致，這樣的情況下組內(nèi)變差實際上為0，子組中沒有連續(xù)的數(shù)據(jù)只有獨(dú)立觀測值，因此使用I-MR控制圖，在不將測量數(shù)據(jù)分成子組的情況下監(jiān)控過程水平（均值）和過程變異（移動極差），檢測是否存在特殊原因。

由質(zhì)量控制數(shù)據(jù)計算出移動極差的平均值=2.35，根據(jù)GB/T 17989.2—2020《控制圖 第2部分：常規(guī)控制圖》的方法，I 控制圖中心線CL 為數(shù)據(jù)平均值，查表[10]可知E2=2.66，從而得出上控制限UCLI=CL+E2=40.22，下控制限LCLI=CL-E2=27.72；上警戒限下警戒限MR 控制圖中心線CL為移動極差的平均值，查表[10]可知D3=0，D4=3.27，從而得出上控制限UCLMR=D4=7.68，下控制限LCLMR=D3=0，上警戒限5.90。根據(jù)上述結(jié)果繪制溫升特性的單值-移動極差質(zhì)量控制圖，如圖3所示。

圖3 溫升特性的I-MR控制圖

3.4 結(jié)果分析

根據(jù)控制圖判定過程處于控制狀態(tài)，需同時滿足兩條標(biāo)準(zhǔn)[11]。

1）控制圖上的點不超過控制界限：連續(xù)25點以上處于控制界限內(nèi)；連續(xù)35 點中，僅有1 點超出控制界限；連續(xù)100點中不超過2點超出控制界限。

2）控制圖上點的排列沒有缺陷：排列分布形態(tài)未出現(xiàn)“鏈”“偏離”“傾向”“周期”“接近”等異常情況。

圖3 中，MR 控制圖中25 個樣本的溫升數(shù)據(jù)移動極差均未超出上、下控制限，控制圖上點的分布無異常現(xiàn)象，滿足受控狀態(tài)的兩個標(biāo)準(zhǔn)；I控制圖中所有控制數(shù)據(jù)均落在警戒限之內(nèi)，但點2 為連續(xù)出現(xiàn)在中心線CL一側(cè)的第7個點，點的排列出現(xiàn)“鏈”的異常形態(tài)，不滿足第二條標(biāo)準(zhǔn)，I控制圖處于非控制狀態(tài)。滿載運(yùn)行30 min溫升均不超過45℃，從圖3 中可看出所有數(shù)據(jù)均在正常范圍內(nèi)，均為合格產(chǎn)品，但其控制圖已處于異常狀態(tài)，需要及時識別潛在的不符合因素，采取糾正措施，使過程再次處于控制狀態(tài)。

為了消除出現(xiàn)不合格產(chǎn)品的隱患，監(jiān)理人員立即聯(lián)系供貨商查找原因，發(fā)現(xiàn)樣本11～17 在進(jìn)行空載30 min 溫升試驗后未完全冷卻，導(dǎo)致滿載30 min溫升數(shù)據(jù)偏高。人為失誤屬于偶然性因素，在及時整改、加強(qiáng)試驗人員操作規(guī)范后，可認(rèn)為產(chǎn)品處于控制狀態(tài)。只有當(dāng)過程發(fā)生變化時，才需要重新估計控制限制，重新建立控制圖，在保持相對固定的情況下監(jiān)控過程或評估過程控制。如果過程未出現(xiàn)重大工藝調(diào)整，分析系統(tǒng)沒有實質(zhì)性變化，此控制圖可長期使用。

4 結(jié)語

1）根據(jù)電動節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)組成，結(jié)合無人平臺的特殊應(yīng)用環(huán)境，分析總結(jié)海上采油樹電動節(jié)流閥監(jiān)理要點，包括電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、籠套式節(jié)流閥的監(jiān)理要點和電動節(jié)流閥的組裝調(diào)試。其中，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足功能完好、溫升正常、防爆等級應(yīng)達(dá)到Exd IIC T4、防護(hù)等級應(yīng)達(dá)到IP68 的要求；籠套式節(jié)流閥按照其生產(chǎn)制造流程重點關(guān)注材質(zhì)選用、生產(chǎn)過程見證、試驗調(diào)試見證和成品檢查4 個方面。在電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)與節(jié)流閥裝配后應(yīng)進(jìn)行整體功能試驗，對額定工作壓力操作時驅(qū)動的系統(tǒng)壓力或電流進(jìn)行測量并記錄。

2）針對電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)鍵的溫升特性，舉例介紹質(zhì)量控制圖在電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)制造監(jiān)理的應(yīng)用場景。結(jié)果表明，該質(zhì)量控制方法可確保產(chǎn)品質(zhì)量特性的分布不隨時間變化，生產(chǎn)過程或工作過程只受偶然因素的影響，處于受控狀態(tài)。

3）通過電動節(jié)流閥生產(chǎn)制造以及試驗調(diào)試階段的有效監(jiān)理，保證質(zhì)量及進(jìn)度，避免電動節(jié)流閥使用過程中產(chǎn)生的各類質(zhì)量問題，該監(jiān)理方法也可為其他類似產(chǎn)品監(jiān)理提供參考借鑒。