模擬深海高壓艙試驗系統(tǒng)設計方案

李國強

摘 要：該系統(tǒng)設計開發(fā)了一套模擬深海高壓試驗環(huán)境系統(tǒng)，可模擬水下2000m壓力環(huán)境，并可對試驗設備進行高壓循環(huán)測試；設計的高壓試驗艙結構簡單，安裝空間大，開啟方便，密封采用獨特設計，特殊材料，安全系數(shù)高；被試件安裝方便，打壓通道設計巧妙，試驗過程采用遠程操作，無死角監(jiān)視。將對我國在深海海洋設備的開發(fā)提供有力的廠內試驗數(shù)據(jù)支撐，對設備改型&改進的測試，創(chuàng)建了一套可以完全模擬海底不同水深環(huán)境的可視化試驗系統(tǒng)。

關鍵詞：深海高壓艙 試驗系統(tǒng) 水下閥門 高壓加載

中圖分類號：TH49 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）11（a）-0010-02

近年來我國在海洋石油開發(fā)設備及技術開發(fā)的投入很大， 海上能源工程新興產業(yè)及技術也取得不小的進步，但與世界先進水平以及我國海上能源開發(fā)的實際需求相比還差距很大，主要表現(xiàn)在：深水工程裝備差距大：2011年我國建成部分深水工程重大裝備，但距離形成系統(tǒng)作業(yè)和施工作業(yè)深水作業(yè)船隊還有很大差距，還遠遠不能滿足我國南海深水開發(fā)的實際需求，同時與之配套的深水作業(yè)能力還處于探索階段；深水油氣田勘探開發(fā)工程技術、裝備差距大；所以開發(fā)配套深海油氣開采的裝備至關重要。深海高壓艙試驗系統(tǒng)是為針對深海管線閥門，在工廠內建造一套試驗環(huán)境，為設備開發(fā)過程試驗提供有力的工況數(shù)據(jù)支持。

該系統(tǒng)能夠模擬2000m深海環(huán)境壓力，且在該深海環(huán)境壓力下的水下閥門及執(zhí)行機構總成能夠正常模擬油氣介質在額定設計介質壓力和執(zhí)行機構工作壓力下的全壓差正常開啟或關閉。模擬產品在工作時的壓力環(huán)境及功能測試要求，充分提高用戶產品質量。系統(tǒng)主要包含6個部分：高壓試驗艙體、密封卡箍裝夾裝置、高壓艙水壓加載系統(tǒng)、試驗件水壓加載系統(tǒng)、閥門液壓執(zhí)行機構動力加載系統(tǒng)、中央監(jiān)測控制平臺。

1 試驗系統(tǒng)介紹

1.1 深海高壓艙

主要由筒體、艙蓋、穿插水密接頭、艙蓋密封圈、密封卡箍或密封剪切環(huán)組成；試驗設備按GB 150-2011《壓力容器》、JB 4732-1995（2005確認）《鋼制壓力容器-分析設計標準》的規(guī)定進行設計、制造、組焊、檢驗與驗收；同時還應符合TSGR 21-2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》的有關要求，并參照執(zhí)行GB 150-2011《壓力容器》的規(guī)定。

1.2 密封卡箍裝夾裝置

高壓艙蓋或剪切環(huán)與筒體為兩體式結構，在完成兩者的配合安裝后，采用自動裝夾裝置實現(xiàn)裝卸方便、安全快捷。高壓艙蓋的起吊，采用配套的液壓或電動裝置實現(xiàn)自動定位、起落、平移。

1.3 高壓艙水壓加載系統(tǒng)

主要作用和功能是向高壓艙筒體內注滿試驗介質，并達到試驗要求的試驗壓力，試驗結束后，將高壓艙內的試驗介質泄放或排空。為保證試驗介質自來水的清潔，試驗管路使用高壓不銹鋼管及接頭，泵、閥材質也為不銹鋼。

1.4 試驗樣件水壓加載系統(tǒng)

主要作用和功能是向試驗樣件流道內注滿試驗介質，并達到試驗要求的試驗壓力，試驗結束后，將各自試驗、工作腔體內的試驗介質泄放或排空。為保證試驗介質自來水的清潔，試驗管路使用高壓不銹鋼管及接頭；泵、閥材質也為不銹鋼。該系統(tǒng)與高壓艙水壓加載系統(tǒng)統(tǒng)一設計為一套系統(tǒng)，成撬裝設計。

1.5 液壓執(zhí)行機構動力加載系統(tǒng)

主要作用和功能是向液壓執(zhí)行機構液壓缸內注滿工作介質，并達到試驗要求的動作壓力，試驗結束后，將各自試驗、工作腔體內的試驗介質泄放或排空。液壓執(zhí)行機構用液壓加載系統(tǒng)應分別實現(xiàn)對ROV模擬液壓馬達、液壓缸的壓力控制，兩者不同步操作。

1.6 試驗裝置中央監(jiān)測控制平臺

主要作用和功能是控制高壓艙、試驗樣件內腔的加載過程，對壓力進行實時監(jiān)測和記錄，同時對試驗管路進行控制和監(jiān)測，通過水下攝像設備，對液壓執(zhí)行機構開關動作進行實時監(jiān)測、記錄。能實現(xiàn)手動和遠程自動控制，對壓力加載控制系統(tǒng)采用程序控制，自動記錄、顯示壓力加載曲線，具有數(shù)據(jù)導出、打印、編輯功能，同時可壓力檢測過載報警、卸放。主要由壓力傳感器、配電柜、高壓球閥、高壓安全閥、工控機、水下攝像器材、控制試驗軟件等組成。

2 系統(tǒng)設計參數(shù)

2.1 使用環(huán)境條件

配電電源條件：交流三相380V±10%，50Hz或（和）單相220V±10%，50Hz。

工作環(huán)境溫度：5℃～40℃（室內）。

環(huán)境濕度：30%～50%。

2.2 高壓艙主要技術參數(shù)

筒體內徑：3500mm，筒體直段筒深4000mm。

筒體設計水深（壓力）：2000m（20MPa）。

水密測試通道：12個，最小測試流道直徑大于10mm。

高壓艙內試驗介質溫度：室溫。

高壓艙內試驗介質：自來水。

設計使用壽命：30年。

筒體、艙蓋、卡箍材質20MnMoNb。

2.3 壓力加載控制主要技術參數(shù)

高壓艙及試驗樣件的升、降壓速率：1MPa/min。

壓力控制精度：0.1MPa。

壓力監(jiān)測儀表的精度不低于1.0級。

顯示儀表的測量范圍應在滿量程的20%～75%間。

試驗樣件最大試驗壓力42MPa，最大試驗容積260升。

液壓執(zhí)行機構最大工作壓力5000PSI（34.5MPa），單個液壓缸最大工作容積20L，液壓缸數(shù)量最多2個。

高壓艙設計壓力20MPa。

壓力加載管路：共分三路，第1路滿足高壓艙試驗壓力加壓；第2路滿足試驗樣件內腔加壓；第3路滿足驅動裝置液壓系統(tǒng)加載，包括2個液壓缸和1個液壓馬達所需工作回路。

低壓注水和排水：從艙體底部注水和排水，2h內注滿高壓倉。

2.4 試驗裝置中央監(jiān)測控制操作平臺

在1個監(jiān)測控制平臺上完成對高壓艙、試樣樣件流道、液壓執(zhí)行機構的壓力加載過程、液壓執(zhí)行機構開關動作的集中控制和水下監(jiān)測。

具有1套獨立的水下攝像照明監(jiān)測、記錄系統(tǒng)，系統(tǒng)工作電壓為交流三相380V±10%，50Hz或（和）單相220V± 10%，50Hz。

對壓力加載控制系統(tǒng)采用程序控制，自動記錄顯示壓力加載曲線，具有數(shù)據(jù)導出、打??；過載報警和安全泄放功能。

3 系統(tǒng)設計實施方案

3.1 高壓艙水壓加載系統(tǒng)

本系統(tǒng)為集成的加載系統(tǒng)，對尺寸為內徑3.5m、有效筒深4m的高壓艙進行充水加壓。配置一臺預充泵進行高壓艙內部充水，當水充滿高壓艙時，再使用高壓電動柱塞泵進行高壓充水，至Max.20MPa，高壓艙內部配置可承受20MPa水壓的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和照明裝置。所有的接口均采用防水、耐外部高壓的接口形式。

系統(tǒng)配置1500L水箱，通過預充泵將自來水存儲在水箱內，并與現(xiàn)場供水相連，確保系統(tǒng)能夠正常運行，且如果供水不滿足設備使用要求，可以通過電控自動控制泵啟停，避免供水泵因水量不夠而損壞。

系統(tǒng)使用低壓預充泵將高壓艙充滿自來水，該低壓預充為潛水泵，直接放置在蓄水池中，為了保證高壓艙的使用安全，在出水管路上安裝Y型過濾器，過濾精度200目，避免顆粒較大的雜質進入艙內。為了能夠較快速度地充滿測試工件，并配備氣動預充閥和手動截止閥。預充過程中同時將1500L水箱灌滿，用作升降壓使用。

預充完畢后，利用高壓泵進行增壓。高壓泵為電動柱塞泵，配備變頻電機，變頻電機由變頻器來控制，通過變頻來控制注入速率和升壓速度，高壓柱塞泵的柱塞材質為SS304不銹鋼材質，增強耐磨性和防腐蝕性。高壓泵電機功率為15kW，排量為30L/min，增壓壓力高壓25MPa。并且在出口配置氣動輸出閥和氣動泄壓閥，實現(xiàn)設備的自動到壓停機。

該系統(tǒng)采用高低壓雙泵結構，低壓泵為前級泵，用于高壓泵的預增壓泵。高壓泵可將介質增壓至Max.25MPa，滿足測試工件的壓力需求（Max.20MPa）。

系統(tǒng)核心裝置為由變頻電機控制的高壓電動柱塞泵，變頻電機由變頻器來控制，可實現(xiàn)柱塞泵的流量和壓力的無級調速。柱塞泵采用潔凈的自來水作為試驗介質，同時系統(tǒng)內配有高壓手動、氣動閥門、高精度壓力傳感器、壓力表等零部件，均為國內外知名品牌，性能穩(wěn)定。系統(tǒng)可通過遠程或者手動控制對測試壓力進行有效控制，并采集試驗過程壓力相關數(shù)據(jù)，軟件界面設計能夠顯示壓力-時間曲線。高壓艙內配置照明裝置和監(jiān)控攝像頭，工作壓力均滿足最大壓力要求。通過配置照明裝置和監(jiān)控攝像頭，可對試驗過程中的試驗工件進行監(jiān)控，觀察高壓艙內加壓情況，艙內情況可通過網絡傳輸至監(jiān)控臺進行遠程觀察。本系統(tǒng)為國內外成熟技術，安全可靠，性能穩(wěn)定，保障有力。

3.2 試驗樣件水壓加載系統(tǒng)

系統(tǒng)為集成的加載系統(tǒng)，與高壓艙水壓加載系統(tǒng)并行使用，合成為撬裝結構，針對用戶需求，對試驗樣件最大試驗壓力42MPa、最大試驗容積260升進行充水加壓。設備配置一臺氣動液泵進行試驗樣件內部充水，充水最高可達42Mpa。

4 結語

總而言之，本套系統(tǒng)的設計開發(fā)將對深海設備的工況驗證提供非常有力的數(shù)據(jù)支持，對我國海洋石油裝備現(xiàn)場應用前，提供了一套廠內綜合試驗系統(tǒng)；本試驗系統(tǒng)經過多次專家討論，設計論證，對高壓釜的安全設計標準，設計結構形式，設計建模計算，密封方式，開啟方式，高壓控制系統(tǒng)，密封接頭方式等，都做了詳細的設計方案論證。本方案正在和國內幾家海洋設備開發(fā)的企業(yè)洽談合作，將很快應用于設備開發(fā)的生產企業(yè)，提高我國深海海洋裝備的開發(fā)能力。

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