水下防噴器自動剪切和失效安全系統(tǒng)的設(shè)計思路

何 凡

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

水下防噴器自動剪切和失效安全系統(tǒng)的設(shè)計思路

何 凡

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

美國石油協(xié)會組織于2012年出版的API Standard 53標(biāo)準(zhǔn)相對于之前的API RP53，對水下防噴器的應(yīng)急備用部分做出了強(qiáng)制性要求，需要配備自動剪切以及失效安全兩種系統(tǒng)。針對該要求，目前現(xiàn)役的大部分水下防噴器控制系統(tǒng)需要進(jìn)行升級改造。本文通過對規(guī)范的解讀，對自動剪切及失效安全功能進(jìn)行系統(tǒng)原理上的逐一分析，提出一種升級改造的設(shè)計思路。

水下防噴器控制系統(tǒng)；自動剪切；失效安全；電液多路控制系統(tǒng)

0 引言

美國安全與環(huán)境執(zhí)法局（BSEE）于2016年4月發(fā)布了“最終井口控制規(guī)范”[1]（Final Well Control Rules）。在該井控規(guī)范中，借鑒深水地平線半潛式鉆井平臺的事故經(jīng)驗(yàn)[2]、調(diào)查報告以及業(yè)界鉆探公司、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、環(huán)境組織以及設(shè)備廠家的反饋情況，對水下防噴器（BOP）系統(tǒng)提出了更高的要求且需要滿足API Standard 53[3]規(guī)范。除了要求水下防噴器組需要配備兩組鉆桿剪切閘板之外，特別是對于防噴器的控制系統(tǒng)，還需要強(qiáng)制配備自動剪切和失效安全兩種功能。針對這些增加的強(qiáng)制要求，本文闡述了對水下防噴器的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的一些思路和方法。

1 電液多路控制應(yīng)急系統(tǒng)簡介

水下防噴器制造商 Hydril、Cameron、Shaffer在近幾年交付的項(xiàng)目中控制系統(tǒng)均采用電液多路控制系統(tǒng)，其設(shè)計原理可簡要表述為：

1）水面部分：液壓充能及蓄能、控制面板及中央處理器、電力及通信；

2）水下部分：水下電子模塊（SEM）、液壓總管及閥組、應(yīng)急控制部分。

水面部分的液壓能通過依附在隔水管（marine riser）上的剛性液壓管和軟管為水下部分提供先導(dǎo)信號能及控制回路液壓能；水面部分的電力及通信信號通過依附在隔水管上的水下電纜對水下電子模塊進(jìn)行供電及相互通信；輸送到水下的液壓能被分成兩部分：先導(dǎo)回路及主控制回路；封裝在壓力補(bǔ)償腔中的電磁閥組控制接通液壓先導(dǎo)回路，液壓先導(dǎo)回路控制接通主液壓控制回路。水下主要的液壓控制回路和電子模塊被集成為一體，叫做控制艙（control pod）。當(dāng)水面發(fā)出某一命令時，該命令信號通過水下電纜傳輸?shù)竭x擇的控制艙，并觸發(fā)相關(guān)的電磁閥，接通對應(yīng)的液壓回路執(zhí)行該命令。

1.1 水下防噴器應(yīng)急備份控制系統(tǒng)

下部隔水管總成（LMRP，lower marine riser package）為隔水管和水下防噴器的連接部分，安裝有環(huán)形防噴器、隔水管下部萬向接頭、泥漿增壓短接、水下控制艙以及和下方防噴器組（BOP stack）連接用的液壓連接接頭。因水下防噴器組的控制液壓回路需要和LMRP相連，又需要LMRP與之脫開，液壓和電路部分典型的連接方式為插入式且配備有密封及鎖緊脫開裝置，一旦LMRP與BOP脫開或主要控制功能失效，主液壓控制和電信號回路將會中斷，BOP的功能只能由應(yīng)急備份控制系統(tǒng)來完成。這些應(yīng)急備份控制系統(tǒng)主要分成四部分：自動剪切系統(tǒng)、失效安全系統(tǒng)、聲學(xué)控制系統(tǒng)和水下機(jī)器人介入。

自動剪切系統(tǒng)是在非計劃性脫開LMRP自動關(guān)井的安全系統(tǒng)。其實(shí)現(xiàn)的方式是，在LMRP和BOP之間安裝推桿液壓閥，在自動剪切功能預(yù)備時，一旦LMRP和BOP脫開，該閥將會開啟，使先導(dǎo)液進(jìn)入主控制閥，接通主控制回路，進(jìn)而主控制液可進(jìn)入 BOP操作液缸（operator），推動關(guān)閉BOP剪切閘板，如圖1所示。

失效安全系統(tǒng)是在同時失去控制及液壓信號時自動關(guān)井的安全系統(tǒng)。其實(shí)現(xiàn)的方式是，液壓先導(dǎo)回路串聯(lián)分別為失去液壓信號和失去供電信號的液壓閥；在失效安全系統(tǒng)預(yù)備時，當(dāng)水下防噴器LMRP上同時失去液壓和電力，即這兩個液壓閥同時開啟時，先導(dǎo)液將進(jìn)入主液壓閥控制腔打開主控制回路。主控制液即可以進(jìn)入BOP操作液缸推動關(guān)閉BOP剪切閘板，如圖2所示。

1.2 應(yīng)急備份系統(tǒng)能量源

因LMRP和BOP脫開后，BOP上將會失去主液壓控制能量，因而上述兩種系統(tǒng)的能量源需來自于底部的防噴器組。

在底部BOP上可安裝蓄能器組，以便在失去主液壓控制能時對最重要的防噴器功能，如剪切閘板、剪切盲封閘板等進(jìn)行應(yīng)急關(guān)斷操作。在水下防噴器正常工作時，該蓄能器組由水面蓄能器組單向充液。

2 API Standard 53對水下防噴器控制系統(tǒng)的要求及實(shí)現(xiàn)方式

2.1 API Standard 53中電液多路控制系統(tǒng)的要求

以下章節(jié)摘自API Standard 53標(biāo)準(zhǔn)：

“MUX Control Systems

7.4.14.2 Autoshear shall be installed on all subseaBOP stacks.

7.4.14.4 The dedicated emergency accumulator system may be used for both the Autoshear and Deadman systems, as well as for secondary control systems.

7.4.15.2 A Deadman system shall be installed on all subsea BOP stacks.

7.4.15.4 The dedicated emergency accumulator system may be used for both the Autoshear and Deadman systems, as well as for secondary control systems (e.g.ROV or acoustic systems).”

可以看出水下防噴器控制系統(tǒng)必須配備自動剪切和失效安全系統(tǒng)，且它們可以分享應(yīng)急備份蓄能器系統(tǒng)。

2.2 同時配備自動剪切和失效安全系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式

簡單地說，把前面提到的兩個示意圖合并，自動剪切回路和失效安全回路通過梭閥連接到防噴器的剪切閘板可以實(shí)現(xiàn)API Standard 53中的要求（如圖3所示）。但這僅僅局限于配備有單個剪切閘板的水下防噴器組。在API Standard 53中同時有針對Class 5及以上的水下防噴器組則有需要配備兩組剪切閘板的要求：

“7.1.3.1.6 A minimum of two sets of shear rams for shearing the drill pipe and tubing in use, of which at least one shall be capable of sealing.”

3 自動剪切和失效安全系統(tǒng)設(shè)計

在配備有兩組閘板的水下防噴器上，可以有以下設(shè)計思路：

1）通過液壓兩位四通閥來選擇關(guān)閉上部或下部的剪切閘板；

2）液壓先導(dǎo)回路集中；

3）主液壓控制回路集中；

4）先導(dǎo)液壓回路控制部分配備液壓鎖。

當(dāng)自動剪切和失效安全系統(tǒng)同時存在時，它們的觸發(fā)邏輯如表1所示。

基于上述思路及控制邏輯，考慮到LMRP與BOP脫開時，自動剪切和安全失效系統(tǒng)可同時觸發(fā)，如若同時觸發(fā)且關(guān)斷兩者的剪切閘板，將會使得所需應(yīng)急蓄能器組的數(shù)量大大增加。因此，自動剪切及失效安全系統(tǒng)的系統(tǒng)圖可以設(shè)計成圖 4所示，用于配備兩組剪切閘板的水下防噴器組（注：液壓部分的安全保護(hù)及電氣信號反饋等細(xì)節(jié)未在其中反映）。

表1 控制邏輯

4 結(jié)論

水下防噴器控制系統(tǒng)依然為核心關(guān)鍵技術(shù)。目前仍屬于少數(shù)國外廠家壟斷部分。

通過對API Standard 53規(guī)范的理解，以及對水下防噴器應(yīng)急控制系統(tǒng)的分析，本文詳細(xì)介紹了對于水下防噴器控制系統(tǒng)同時配備自動剪切和失效安全系統(tǒng)時對該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的思路。對于以后國內(nèi)設(shè)計研發(fā)人員對這一部分的研發(fā)有一定的啟發(fā)作用，同時對于現(xiàn)有水下防噴器的升級改造有借鑒意義。

[1]AA11-BSEE Well Control Final Rule[S].2016.

[2]DNV Report No.EP030842.Final Report for Forensic Examination of Deepwater Horizon Blowout Preventer[S].2011.

[3]API STANDARD 53 Fourth Edition 2012.Blowout Prevention Equipment Systems for Drilling Wells[S].2012.

Design Thinking of Autoshear and Deadman System of Subsea BOP

He Fan
(COSCO Shanghai Shipyard Co., Ltd., Shanghai 200231, China)

Comparing to the API RP53, the API Standard 53 published by American Petroleum Institute (API) in 2012 has a compulsory requirement for the emergency spare part of subsea blow out preventer (BOP).The BOP should install the autoshear and the deadman system.Aiming at the requirement, most of the current BOP control system should be improved.Through the understanding of the standard, the paper analyzes the functions of the autoshear and the deadman system on the system theory and puts forward the design thinking of the improvement.

subsea blow out preventer (BOP); autoshear; deadman; multiplex control system

U665

A

10.14141/j.31-1981.2017.01.012

何凡（1981—），男，本科，研究方向：鉆井設(shè)備及水下設(shè)備系統(tǒng)。