水下控制模塊的應(yīng)用與設(shè)計分析

李　波，汪學(xué)軍，張建權(quán)，葉民杰，呂　強

（1.中原油田物資供應(yīng)處，河南濮陽457003；2.上海神開石油設(shè)備有限公司，上海201114）①

水下控制模塊的應(yīng)用與設(shè)計分析

李波1，汪學(xué)軍2，張建權(quán)2，葉民杰2，呂強2

（1.中原油田物資供應(yīng)處，河南濮陽457003；2.上海神開石油設(shè)備有限公司，上海201114）①

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)是一個龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，其中水下部分的核心單元是水下控制模塊，其可靠性是最關(guān)鍵的一個技術(shù)指標。通過對當前有代表性幾家公司產(chǎn)品的介紹，闡述了其基本組成及主要功能，對水下控制模塊的原理進行分析，并對設(shè)計中的技術(shù)難點進行分析，結(jié)合目前國內(nèi)水下控制系統(tǒng)研發(fā)中重點關(guān)注的測試方法，為產(chǎn)品國產(chǎn)化提供充分的數(shù)據(jù)，降低用戶的使用風(fēng)險。

水下控制模塊；水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)；應(yīng)用；設(shè)計

目前，海洋油氣田開采所需配套核心設(shè)備包括水上與水下部分均被5家國外公司（4家美國公司Cameron、FMC、GE Oil＆Gas、Dril-Quip和1家挪威公司Aker Solutions）所壟斷。而我國也僅在南海引進了1套水下設(shè)備，其他的設(shè)備均使用于墨西哥灣、北海海域、巴西海域和西非等海域。國內(nèi)在水下設(shè)備方面的發(fā)展速度也在加快，隨著近3 a來許多相關(guān)立項均得到國家及地方的政策支持，意味著該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已進入了快車道。水下設(shè)備中的各種零配件的研發(fā)也得到國內(nèi)眾多相關(guān)廠家的關(guān)注，而水下控制模塊的研發(fā)則是水下控制系統(tǒng)研發(fā)中最核心的單元。

1　水下控制模塊的應(yīng)用分析

水下生產(chǎn)系統(tǒng)作用是實時監(jiān)測水下井口和生產(chǎn)系統(tǒng)的各種工作狀況，調(diào)整生產(chǎn)壓力與流量等參數(shù)，并對異常情況進行監(jiān)測及有限的應(yīng)急處理。由于生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)施置于水下數(shù)百米乃至數(shù)千米深處，距離監(jiān)控平臺也很遠，對生產(chǎn)的監(jiān)控和管理完全依賴于水下控制系統(tǒng)，因而與常規(guī)的控制系統(tǒng)相比，需要選用可靠性更高、免維護或更換方便的控制產(chǎn)品，這也決定了水下部分的設(shè)施要有嚴格的質(zhì)量與壽命要求，而水下部分的核心設(shè)施單元便是水下控制模塊（SCM ）。

1.1 水下控制模塊的組成及功能

水下控制模塊（SCM）是水下控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它通過接收到上端主控制模塊MCS或地面控制信號來控制SCM內(nèi)部液壓閥件的開啟與通斷，來實現(xiàn)對安裝于采油樹中各種功能閥的開啟與關(guān)閉，同時將分布于采油樹及流程中的各種傳感信號集中處理后傳輸?shù)缴隙说闹骺啬KMCS中。各種信號包括采油樹中的井口壓力與溫度、閥位開關(guān)信號、化學(xué)試劑的流量等。為了保證系統(tǒng)的可靠性，除了采用性能可靠的元件外，冗余設(shè)計也是水下控制模塊設(shè)計的一個特點。根據(jù)項目需要，水下控制模塊可能還將承擔(dān)其他區(qū)域信號的監(jiān)測與傳輸功能。

1.2 典型水下控制模塊

1.2.1 FMC公司的水下控制模塊

圖1為FMC公司的一款使用相當成熟的水下控制模塊，它的外形通常采用圓柱形，結(jié)構(gòu)相對比較簡單，內(nèi)部的零件也分布合理。FMC公司提供的水下模塊系統(tǒng)眾多，工作水深從400～3 000 m均有成熟的產(chǎn)品，內(nèi)部控制壓力最高可達105MPa （15 000 psi）。根據(jù)項目要求，水下控制模塊的控制對象從1路到最多可達16路。水下電子模塊均采用雙冗余結(jié)構(gòu)，所有設(shè)備均具有標準的工業(yè)接口。它采用1根中間鎖緊軸的形式，利用專用工具和水下機器人將水下控制模塊整體安裝到水下設(shè)備上。

圖1　FMC公司的水下控制模塊

1.2.2 Aker Solution公司的水下控制模塊

圖2為Aker Solution公司雙軸鎖緊式水下控制模塊。該模塊的設(shè)計可用于2 000 m以內(nèi)的水深作業(yè)，而控制對象最多可擴展到16路，壓力最高可達69 MPa（10 000 psi）。采用雙鎖緊軸鎖緊的形式，鎖緊可靠，適合于較淺海水使用；安裝回收容易，其內(nèi)部只配1個電子模塊，結(jié)構(gòu)簡單，維護方便。

圖2　Aker Solution公司的水下控制模塊

1.2.3 應(yīng)用分析

各大公司目前選用的水下控制模塊以復(fù)合電液型為主，該技術(shù)目前相對最成熟并且性能也比較穩(wěn)定，內(nèi)部所配置的元件也基本成熟，在全電控型（主要是水下電控型執(zhí)行機構(gòu)）未取得顯著成效與成本優(yōu)勢前，復(fù)合電液型的水下控制模塊仍將持續(xù)很長一段時間。

2　水下控制模塊設(shè)計

常規(guī)的水下控制模塊由電氣SEM、液壓閥組、電氣及液壓接頭、保護罩4部分組成，如圖3。由于整個水下控制模塊始終處于高壓下的流動海水環(huán)境中，所以水下控制模塊的設(shè)計需要綜合考慮密封、腐蝕、定位、鎖緊、對外接口等因素。水下控制模塊通常獨立安裝在采油樹上，所以整個設(shè)計注意以下幾個要點：

圖3　典型的水下控制模塊

1） SCM內(nèi)的SEM和液壓閥件及外部的密封裝置要有高可靠性。

2） 水下控制模塊要有良好的可拆卸性、再安裝性。

3） 水下控制模塊的鎖緊機構(gòu)要具有良好的操作性。

2.1 相對成熟的設(shè)計工藝

在整個水下控制模塊中，并非所有的設(shè)計都是技術(shù)難點，每個設(shè)備均是由大部分的基礎(chǔ)設(shè)計及若干核心技術(shù)構(gòu)成的，對于基礎(chǔ)性設(shè)計對象，研發(fā)中進行適度關(guān)注，主要增加防腐方面的內(nèi)容即可。

2.1.1 封裝系統(tǒng)

水下控制模塊通常置于1個密封的腔室內(nèi)，該密封腔主要提供對內(nèi)部元件的一次壓力保護，內(nèi)部的元件承擔(dān)二次壓力。對于封閉系統(tǒng)，首要考慮密封、溫度、壓力、海水腐蝕和海水流動等因素的影響，其次是安裝的便攜性及可靠性。具體體現(xiàn)在強度、密封、工作壓力、工作環(huán)境腐蝕等方面，其中強度、密封與工作壓力屬于相當成熟的工藝，只需在各個設(shè)計環(huán)節(jié)加入環(huán)境腐蝕因素即可，包括水下控制模塊內(nèi)部的防腐因素，防止因外密封的失效進入海水后造成的腐蝕。

2.1.2 鎖緊裝置

該裝置在整個水下控制模塊中屬于標準件，可以根據(jù)作業(yè)方式進行選擇即可，在選擇中主要注意水下機器人ROV操作的便利性。

2.1.3 水下控制模塊基座及耦合盤

水下控制模塊基座及耦合盤是承載各種閥件、液壓快速接頭及電氣接頭的載體，密封、強度、防腐（材料）及加工精度均是屬于當前成熟的技術(shù)與工藝范疇。由于閥件眾多，大多采用板式閥塊，通道比較復(fù)雜，內(nèi)部元件布局的合理性是該部件設(shè)計的重點方向。

2.2 核心設(shè)計

水下控制模塊的功能描述起來并不復(fù)雜，液壓及電氣方面的原理圖相對一些系統(tǒng)來說還是比較簡單的。而水下控制模塊的所有功能均是通過性能可靠的硬件和基于硬件的軟件組態(tài)實現(xiàn)的，其硬件組態(tài)主要包括水下電子模塊SEM、通信模塊、電磁換向閥和電液附屬元件。由于這些部件所處位置的特殊性及重要性，其可靠性是重要的指標，而可靠性主要從2個方面來實現(xiàn)：一是冗余性設(shè)計；二是元件本身的質(zhì)量可靠。

2.2.1 水下電氣模塊SEM

水下控制模塊的所有功能均是通過水下電氣模塊（SEM）來發(fā)出或接收指令實現(xiàn)的，SEM的組成如圖4。它的設(shè)計既涉及到冗余性設(shè)計，又涉及到所選電子元件的質(zhì)量，由于SEM空間有限，所有的功能需盡可能集成，而集成電路是一個比較好的選擇，集成電路的設(shè)計則是SEM的設(shè)計核心。

圖4　典型SCM控制原理

總體來說，水下電子模塊SEM應(yīng)具備的功能為［8］：

1） 數(shù)字開關(guān)量的輸出。

2） 模擬信號的采集和轉(zhuǎn)化。

3） 簡單數(shù)據(jù)處理。

4） 與上位機的通信。

2.2.2 電磁換向閥

電磁換向閥（如圖5）是水下控制模塊中最重要的執(zhí)行元件，它是直接控制采油樹上各種關(guān)斷型閥門及水下節(jié)流閥的閥件，它的性能直接反應(yīng)了操作的可靠性。而對該電磁換向閥，除了要考慮到電路的冗余外，還要考慮它的功耗、散熱性。目前在水下電磁換向閥的研發(fā)上，已有多家國外公司走在前沿，已有多款符合要求的產(chǎn)品用在眾多的水下模塊中，如BIFOLD，SUBSEACOMPONENTS等公司。因此，該元件的設(shè)計主要在于選型，當然后期的產(chǎn)品國產(chǎn)化中該零件也是重要研發(fā)對象。

圖5　電磁換向閥

2.2.3 水下快插接頭

深水應(yīng)用的水下快插接頭除需滿足其本身的快速連接功能外，還需排除在插撥過程中海水對介質(zhì)的污染。圖6是Subsea Components公司的快速接頭，此類接頭屬于自密封結(jié)構(gòu)，分別安裝在水下控制模塊的基座及耦合盤上［4］。

圖6　液壓快插接頭

2.2.4 電纜接頭

電纜接頭在水下的應(yīng)用越來越多，根據(jù)工藝要求必須滿足水下直接插撥的要求，重點在于水中插拔時海水不能進入插頭里影響電器系統(tǒng)的正常工作。深水用直接插撥式電纜接頭連接結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　深水用直接插撥式電纜接頭連接結(jié)構(gòu)

3　水下控制模塊的測試

水下控制模塊經(jīng)過設(shè)計及裝配后，除了經(jīng)過研發(fā)中的有限元分析外，在陸地上嚴格而又完備的測試是必要的。具體如以下4個方面：

1） 功能測試。各種閥的開關(guān)測試，通訊與監(jiān)控測試，各種傳感器測試，故障自動切換測試，數(shù)據(jù)存儲測試。

2） 極限性能測試。液壓閥的開關(guān)次數(shù)測試，接頭的插撥次數(shù)測試，電壓、電流負載測試，溫度測試，SEM模塊老化測試，振動測試，腐蝕測試，壓力測試，內(nèi)泄漏測試，信號衰減、干擾測試。

3） 連接測試。各種接頭的對接測試，外部接口的操作（ROV工具）測試，SCM水下作業(yè)測試。

4） 最終聯(lián)調(diào)。包括海試。

4　結(jié)論

1） 水下控制模塊是水下控制系統(tǒng)中水下部分的最核心控制單元，也是技術(shù)含量最高的單元，它的可靠性決定了后期的維護成本，而每一次維護的直接與間接費用均接近或超過該單元的費用。因此，水下控制模塊的可靠性是其最關(guān)鍵的一個技術(shù)指標，所有的設(shè)計及制造均需以此為第一要素。

2） 水下控制模塊的各部分均有其常規(guī)與核心技術(shù)部分，在進行研發(fā)時，充分利用好常規(guī)技術(shù)，適當?shù)匾煤诵募夹g(shù)進行消化吸收，縮短研發(fā)時間，提高研發(fā)效率。

3） 水下控制模塊是一個要求高可靠性的設(shè)備單元，為了保證這一核心要求，進行各種完備的功能測試及性能測試是必不可少的。

［1］ 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］.石油機械，2013，41（6）：59-62.

［2］ 朱高磊，趙宏林，段夢蘭，等，水下采油樹控制模塊設(shè)計要素分析［J］.石油礦場機械，2013，42（10）：1-6.

［3］ 張理.水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計探討［J］.中國造船，2010，51（2）：185-191.

［4］ 王俊明.測試用水下采油樹控制模塊研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

［5］ API 17D，Design and Operation of Subsea Production Systems-SubseaWellheadandTreeEquipment ［S］.2011.

TE952

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.026

1001-3482（2015）07-0101-04

①2015-03-13

李 波（1970-），男，河南項城人，高級工程師，主要從事油氣田項目管理工作。