深水管匯SCM試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)研究

鄭利軍， 董 旭， 張光明， 安維崢

(1.中海油研究總院，北京 100027；2.天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津300450)

深水管匯SCM試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)研究

鄭利軍1， 董 旭2， 張光明2， 安維崢1

(1.中海油研究總院，北京 100027；2.天津市海王星海上工程技術(shù)股份有限公司，天津300450)

該文對(duì)深水管匯SCM的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究和探討。通過對(duì)國(guó)外成熟產(chǎn)品的調(diào)研，確定了SCM的總體結(jié)構(gòu)組成；通過對(duì)常用液壓系統(tǒng)的對(duì)比并結(jié)合深水SCM的特點(diǎn)，選定了適用的液壓控制系統(tǒng)。根據(jù)深水SCM在位回收的要求，對(duì)連接和固定方面的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，最終確定了SCM試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了SCM試驗(yàn)機(jī)的研發(fā)制造。

水下控制模塊；深水管匯；液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)海洋油氣開發(fā)正以前所未有的規(guī)模向深海進(jìn)軍，海洋石油開發(fā)設(shè)備也從以海洋平臺(tái)為標(biāo)志的水上設(shè)備逐步向水下生產(chǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。深海的鉆探、開采和集輸在國(guó)內(nèi)是一個(gè)較新的領(lǐng)域，許多關(guān)鍵技術(shù)的制造，還都掌握在國(guó)外少數(shù)幾家大公司的手中。

SCM即水下控制模塊，是深水油氣開采系統(tǒng)的重要組成部分，目前國(guó)內(nèi)深水油田使用的SCM均從國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格昂貴且有技術(shù)壁壘。因此，SCM的自主設(shè)計(jì)研發(fā)對(duì)我國(guó)深海油氣開發(fā)具有重要意義。

1 SCM的功能和結(jié)構(gòu)

SCM是水下生產(chǎn)設(shè)備(如采油樹、水下管匯)的控制中樞。在水面控制中心的指令下，SCM 擔(dān)負(fù)著控制水下閥門的開啟和關(guān)閉，收集和發(fā)送生產(chǎn)流體的溫度、壓力等數(shù)據(jù)信息的功能。

另外，SCM在服役期間還要進(jìn)行在位回收、維修和更換，因此深水SCM 有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1) 安裝操作簡(jiǎn)單易行。SCM在位更換安裝時(shí)，只有ROV(水下機(jī)器人)介入，因此要求安裝時(shí)的連接和固定操作在ROV的能力范圍內(nèi)。

(2) SCM與水下管匯的連接必須為快插形式，就位后，連接良好無(wú)泄漏。

(3) SCM應(yīng)具有壓力補(bǔ)償器，可平衡殼體內(nèi)部與外部巨大的壓力，大幅減少殼體壁厚，有效降低整體重量。

(4) SCM應(yīng)迅速、及時(shí)地反應(yīng)出水下管匯的狀況，并在很短的時(shí)間內(nèi)控制執(zhí)行元件進(jìn)行動(dòng)作。

以挪威Aker Solution公司的單軸鎖緊式SCM為例，SCM的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。圖2給出了SCM在水下管匯中的位置。

圖1 SCM的結(jié)構(gòu)組成

圖2 水下管匯中的SCM

2 SCM的設(shè)計(jì)思路和要點(diǎn)

2.1 液壓系統(tǒng)

SCM的液壓系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮如下因素：

(1) 執(zhí)行元件的響應(yīng)速度

從發(fā)出指令到執(zhí)行動(dòng)作，如果執(zhí)行元件經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)動(dòng)作將影響水下管匯的工作效率，在緊急情況時(shí)還會(huì)造成安全隱患。因此在SCM的設(shè)計(jì)過程中，要考慮到執(zhí)行元件的響應(yīng)速度,優(yōu)先選用類似電信號(hào)傳導(dǎo)的控制方式并配備相應(yīng)的高低壓蓄能器。而類似液壓傳導(dǎo)啟動(dòng)閥塊動(dòng)作的方式則不適用于深水SCM系統(tǒng)。

(2) 水面控制中心對(duì)水下管匯情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

深水環(huán)境中需要通過SCM實(shí)現(xiàn)對(duì)管匯的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此在設(shè)計(jì)SCM時(shí)，要加入相應(yīng)的電子、液壓元器件，如壓力傳感器、溫度傳感器的信號(hào)采集裝置等，實(shí)現(xiàn)水面控制中心對(duì)水下管匯的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。

(3) 管匯內(nèi)部的液壓控制管道數(shù)量

在進(jìn)行SCM設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量減少液壓控制管線的數(shù)量。液壓管線越多，泄漏點(diǎn)就越多，并且會(huì)為后期維修帶來(lái)很多不便。因此，一般采用開式循環(huán)的液壓系統(tǒng)，選取對(duì)海洋無(wú)污染的水基液壓液，液壓液最終通過執(zhí)行元件直接排海。開式循環(huán)比常規(guī)的閉式循環(huán)減少了一半的回油管路，減少了液壓管線的數(shù)量。

(4) 對(duì)臍帶纜造價(jià)的影響

臍帶纜是水下控制系統(tǒng)中不可缺少的一部分，其費(fèi)用會(huì)隨著臍帶纜內(nèi)部液壓管線的增加而大幅上升，因此，在進(jìn)行液壓控制系統(tǒng)的選型時(shí)，應(yīng)注意選擇電液復(fù)合控制方式，減少臍帶纜中液壓管線的數(shù)量。

要求SCM可以在位回收進(jìn)行維修，然后安裝復(fù)位。深水管匯SCM的工作環(huán)境通常在水下幾百米甚至數(shù)千米處，因此在設(shè)計(jì)SCM時(shí)，要求各種連接為快速插接形式，且在回收和復(fù)位時(shí)操作簡(jiǎn)便。

2.2 機(jī)械系統(tǒng)

SCM機(jī)械系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮如下因素：

(1) SCM 在安裝和拆卸時(shí)必須簡(jiǎn)單易行，在ROV操作能力范圍內(nèi)。

(2) SCM的外殼形狀要便于整體質(zhì)量的均勻分布，且應(yīng)設(shè)置補(bǔ)償器，滿足深水環(huán)境的使用要求。

(3) 安裝過程中的對(duì)接精度便于控制和實(shí)現(xiàn)。

(4) SCM在安裝和拆卸過程中還應(yīng)注意采用具有自封閉功能的液壓接頭，避免對(duì)接面板脫開后控制液的泄漏。

學(xué)生在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)過程中應(yīng)該熟練掌握解題方法?？简?yàn)學(xué)生的綜合能力，需要學(xué)生在數(shù)學(xué)課堂中能夠有效率地掌握數(shù)學(xué)知識(shí)，并且在課后仍能夠認(rèn)真學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，在學(xué)習(xí)中不斷回顧總結(jié)和分類整理，便于學(xué)生識(shí)記和運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)，掌握之后要及時(shí)整理，通過分類歸納的方式來(lái)總結(jié)和實(shí)踐，幫助學(xué)生在解題時(shí)能夠迅速判斷出出題人要考查的要點(diǎn)內(nèi)容，使解題的效率大大提升。因此，教學(xué)工作者在教學(xué)過程中還需要引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和方法，讓學(xué)生在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中學(xué)會(huì)交流，學(xué)會(huì)總結(jié)，學(xué)會(huì)謙遜和進(jìn)步。

(5) 在保證SCM功能的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，以使操作和維修方便。

3 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水下控制系統(tǒng)采用液壓控制方式，一般有四種形式：(1) 直接液壓控制系統(tǒng)；(2) 先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)；(3) 順序液壓控制系統(tǒng)；(4) 復(fù)合電液控制系統(tǒng)。四種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。其中，復(fù)合電液控制系統(tǒng)在深水應(yīng)用中具有較大的優(yōu)勢(shì)。

表1 四種液壓控制系統(tǒng)對(duì)比表

續(xù)表1 四種液壓控制系統(tǒng)對(duì)比表

復(fù)合電液控制系統(tǒng)由控制信號(hào)控制水下液壓閥的動(dòng)作，液壓動(dòng)力站僅提供執(zhí)行器工作壓力。全液壓控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控能力較差，隨著水下生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，電液控制系統(tǒng)已成為主流，而所有電液控制系統(tǒng)中以復(fù)合電液控制系統(tǒng)的應(yīng)用最為廣泛。

復(fù)合電液控制系統(tǒng)主要由水面平臺(tái)液壓動(dòng)力站、水下液壓分配單元、臍帶纜、水下控制模塊組成。液壓動(dòng)力站的液壓液通過臍帶管輸送到水下液壓分配單元分配，再輸送到各生產(chǎn)設(shè)施上的水下控制模塊，然后由水下控制模塊引出的液壓管線控制水下管匯液壓閥開啟和關(guān)閉，復(fù)合電液控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 復(fù)合電液控制系統(tǒng)原理圖

通過復(fù)合電液控制系統(tǒng)中臍帶纜的傳輸即可實(shí)現(xiàn)水下管匯通信，從而驅(qū)動(dòng)水下控制模塊上各液壓閥的動(dòng)作。因此，復(fù)合電液控制系統(tǒng)克服了全液壓控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸能力較差和操作靈活性較差的缺點(diǎn)，采用電信號(hào)作為控制信號(hào)，并安裝了水下蓄能器，有效地減少了臍帶管的數(shù)量。因此這種液壓控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、適用于遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸和控制的優(yōu)點(diǎn)。

4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

深水管匯SCM在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮最多的是其深水工作環(huán)境。由于SCM在水下安裝和拆卸時(shí)，只能依靠ROV進(jìn)行操作，在進(jìn)行整體設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方式便捷的特點(diǎn)。因此將SCM結(jié)構(gòu)大體設(shè)計(jì)成以下三個(gè)部分：(1) 對(duì)接導(dǎo)向結(jié)構(gòu)；(2) 對(duì)接結(jié)構(gòu)；(3) 安裝后的鎖緊結(jié)構(gòu)。SCM機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，SCM機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖如圖5 所示。

圖4 SCM機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖 圖5 SCM機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖

圖6 導(dǎo)向結(jié)構(gòu)示意圖

4.1 對(duì)接導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

對(duì)接導(dǎo)向結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)部分：(1) 位于下對(duì)接面板上的導(dǎo)向套；(2) 位于上對(duì)接面板下端的導(dǎo)向柱，與導(dǎo)向套相配合。

導(dǎo)向結(jié)構(gòu)是SCM安裝過程中必不可少的一個(gè)結(jié)構(gòu)。水下電連接器和液壓快換接頭在連接過程中，對(duì)徑向誤差有著嚴(yán)格的限制。導(dǎo)向結(jié)構(gòu)就是通過導(dǎo)向套和導(dǎo)向柱的配合公差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)接過程中的徑向精確度。如圖6所示，在導(dǎo)向柱底端和導(dǎo)向套上端分別加工出錐形倒角，利用該倒角可以在對(duì)接初期進(jìn)行粗定位，然后在后續(xù)的下降對(duì)接過程中，上對(duì)接面板在該倒角的限位作用下自行精確定位。

4.2 對(duì)接結(jié)構(gòu)

對(duì)接結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)部分：

(1) 下對(duì)接面板，安裝于水下管匯的底座上，如圖7所示。

(2) 上對(duì)接面板，安裝于SCM底部，將與下對(duì)接面板進(jìn)行對(duì)接，如圖8所示。

圖7 下對(duì)接面板示意圖 圖8 上對(duì)接面板示意圖

在對(duì)接結(jié)構(gòu)中，對(duì)接后能否保證電氣線路及液壓管路的暢通是對(duì)接結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵所在。目前水下電連接器和液壓快換接頭在對(duì)接時(shí)，對(duì)軸向?qū)映叽缬兄鴩?yán)格的精度要求，為此，該設(shè)計(jì)采用了一種過渡板的方式。如圖9所示，利用上下兩塊過渡板，將接頭連接在上下對(duì)接面板上，通過控制上下兩塊過渡板的尺寸，達(dá)到最終的公差要求。

圖9 過渡板示意圖

4.3 安裝后的鎖緊結(jié)構(gòu)

鎖緊結(jié)構(gòu)的主要作用是在上、下對(duì)接面板完成對(duì)接后，將SCM緊固在水下管匯上完成安裝。因此，鎖緊結(jié)構(gòu)也分為如下兩個(gè)部分：

(1) 位于下對(duì)接面板處的鎖緊孔結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

(2) 位于上對(duì)接面板處的鎖緊桿結(jié)構(gòu)，如圖11所示。

圖10 鎖緊孔結(jié)構(gòu)示意圖 圖11 鎖緊桿結(jié)構(gòu)示意圖

在鎖緊過程中，旋轉(zhuǎn)鎖緊桿，讓鎖緊桿上3個(gè)傾斜面與鎖緊孔處的3個(gè)傾斜面接觸，隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加，達(dá)到逐漸鎖緊上下對(duì)接面板的目的。以上三個(gè)部分構(gòu)成了SCM的主要機(jī)械機(jī)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易實(shí)現(xiàn)，在水下安裝時(shí)操作簡(jiǎn)單，只需要通過水下ROV進(jìn)行幾步簡(jiǎn)單的動(dòng)作即可實(shí)現(xiàn)SCM的安裝和拆卸。

5 結(jié)論

通過對(duì)國(guó)外SCM成熟產(chǎn)品的調(diào)研，確定了SCM試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)方案，制造出了符合深水管匯使用要求的SCM試驗(yàn)機(jī)，為今后逐步實(shí)現(xiàn)深水SCM的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)行了有益的探索。生產(chǎn)用深水SCM在國(guó)內(nèi)尚屬空白，還有許多難題需要解決。相信在本次研制的基礎(chǔ)上，通過不懈努力，會(huì)逐步完善SCM功能，滿足國(guó)內(nèi)深水生產(chǎn)系統(tǒng)的需要。

[1] ISO 23309.Hydraulic fluid power systems-Assembled systems-Methods of cleaning lines by flushing [S].2007.

[2] ISO 13628-6.石油天然氣工業(yè) 水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與操作 第6部分：水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)[S].2000.

[3] 張豐功，王定亞，李磊，等．水下控制模塊的技術(shù)分析與發(fā)展建議 [J]．石油機(jī)械． 2013,41(6)：59-62.

[4] 范亞民．水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的發(fā)展 [J]．石油機(jī)械．2012,40(7)：45-49.

[5] 白勇，龔順風(fēng)，白強(qiáng)，等．水下生產(chǎn)系統(tǒng)手冊(cè) [M]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2012．

Research of the Design of a Deepwater Manifold SCM Testing Machine

ZHENG Li-jun1, DONG Xu2, ZHANG Guang-ming2, AN Wei-zheng1

(1.CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China; 2. Neptune Offshore Engineering Development Co., Ltd, Tianjin 300450, China)

This paper makes a research and study of the design of a deepwater manifold SCM. Through the investigation of some world-renowned products，the overall structure and its components are determined. Through the comparison of normally employed hydraulic systems and the consideration of deep water SCM characteristics, a suitable hydraulic control system is selected. According to the requirement that the SCM be replaceable and recoverable, the research of its mechanical structure concerning connection and fixation is performed and therefore the design scheme is finalized, followed by the manufacture achievement of the test SCM.

subsea control module(SCM); deep water manifold; hydraulic control system design; mechanical structure design

2015-04-01

國(guó)家“十二五”重大科技專項(xiàng)“水下生產(chǎn)系統(tǒng)研究”子課題(2011ZX05026-003-03)。

鄭利軍(1976-)，男，高級(jí)工程師。

1001-4500(2015)02-0015-06

P756

A