深水連接器高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

榮曉玲，尹一曉，郭昂，杜可普，吳桂峰，姜洋，徐君臣

（南陽二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司，河南 南陽 473006）

0 引言

我國南海的石油地質(zhì)儲(chǔ)量占全國石油總量的1/3，其中70%以上蘊(yùn)藏在海洋深水區(qū)[1]。水下連接器是深水采油設(shè)備的重要組成部分[2]，目前水下連接器主要被國外公司壟斷。南陽二機(jī)石油裝備集團(tuán)股份有限公司（以下稱“南陽二機(jī)”）與中海油研究總院、中國石油大學(xué)（北京）依托“十三五”國家重大專項(xiàng)子課題“水下連接器和安裝工具工程樣機(jī)優(yōu)化及配套設(shè)備研制”，研制了6 in垂直連接器和12 in水平連接器。

深水套筒式連接器的測試技術(shù)是連接器樣機(jī)研制中的關(guān)鍵技術(shù)[3]。目前，套筒式連接器已經(jīng)用于水深1000～3000 m海域，工作環(huán)境極其惡劣，連接器可能在有限的時(shí)間段內(nèi)直接接觸低溫，正常服役時(shí)內(nèi)腔的油氣溫度又較高[4]，既要承受10～30 MPa的外部水壓又要承受14～70 MPa的內(nèi)部油氣壓力，對連接器的密封性能要求非常高[5]。在投入使用前，必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求對其進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，確保其在深海環(huán)境下的安全性和可靠性[6]。

1 深水連接器高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景

1.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

1.1.1 API RECOMMENDED PRACTICE 17R的規(guī)定

標(biāo)準(zhǔn)5.4.2節(jié)和5.5.2節(jié)規(guī)定：應(yīng)分析熱循環(huán)和壓力循環(huán)對連接器密封性能和部件的影響。壓力循環(huán)試驗(yàn)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合API 17D和API 6A附件F對PR2級連接器的要求[7]。

1.1.2 API Spec 17D的規(guī)定

第5.1.7.6節(jié)規(guī)定：在額定工作壓力或載荷下，應(yīng)對設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)溫度不低于額定工作溫度級別范圍的鑒定試驗(yàn)。進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，按照規(guī)定的試驗(yàn)程序交替地加熱、冷卻到其額定工作溫度類別的上極限溫度和下極限溫度。在溫度循環(huán)期間，設(shè)備應(yīng)在溫度極限下施加額定工作壓力，不超過標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收準(zhǔn)則的泄壓[8]。

1.2 國內(nèi)高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

經(jīng)對國內(nèi)有資質(zhì)的高低溫循環(huán)高壓試驗(yàn)廠家調(diào)研、分析，發(fā)現(xiàn)各廠家設(shè)備都不能覆蓋所有型號水下連接器的高低溫循環(huán)高壓試驗(yàn)，各廠家高低溫試驗(yàn)室主要參數(shù)情況如表1所示。

表1 各廠家高低溫試驗(yàn)室主要參數(shù)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，為適應(yīng)深度為1500 m深海環(huán)境條件，要求試驗(yàn)壓力為34.5 MPa，試驗(yàn)溫度為-18～121 ℃。由表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可見，各廠家在升、降溫速度上稍有差異，溫度控制精度均可以滿足要求，但均不能同時(shí)進(jìn)行高壓試驗(yàn)，且廠家A溫度范圍無法滿足試驗(yàn)要求。

鑒于此，也為了拓展試驗(yàn)?zāi)芰?，更好地控制試?yàn)過程和進(jìn)度，南陽二機(jī)策劃設(shè)計(jì)、制造高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)需滿足各系列型號水下連接器的高低溫循環(huán)高壓試驗(yàn)的尺寸、溫控、壓力及承重等各項(xiàng)測試指標(biāo)要求。

2 高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 總體方案

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試驗(yàn)程序?yàn)槎噍喐叩蜏匮h(huán)的高壓試驗(yàn)，為降低升降溫過程時(shí)間、縮短試驗(yàn)周期，要求該系統(tǒng)不僅能達(dá)到試驗(yàn)要求的溫度、壓力，實(shí)現(xiàn)保溫、保壓，還要能快速升溫和降溫。

設(shè)計(jì)的連接器高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)主要包括制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、監(jiān)測、控制系統(tǒng)及保溫房體、移運(yùn)支撐裝置等。

圖1 總體布置示意圖

2.2 制冷系統(tǒng)

采用20 kW制冷機(jī)組和導(dǎo)熱油循環(huán)傳熱兩種冷卻方式，實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)房體內(nèi)空氣及工件表面和工件內(nèi)部的快速降溫。

2.3 加熱系統(tǒng)

采用空氣加熱器和加熱盤管兩種加熱方式，實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)房體內(nèi)空氣及工件表面和工件內(nèi)部的快速升溫。

2.4 高壓系統(tǒng)

密封裝置主要由連接法蘭、密封圈和封板組成。連接法蘭為帶頸法蘭，法蘭頸端開半V形坡口與連接器全熔透焊接，法蘭與封板用螺栓連接；右側(cè)封板上焊接加熱盤管同時(shí)設(shè)有高壓輸入、輸出和增壓接頭；系統(tǒng)通過油壓測試臺進(jìn)行高壓試驗(yàn)和控制。

圖2 水下連接器的密封和加熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 監(jiān)測、控制系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)的保溫房體內(nèi)部設(shè)置2套耐高低溫的監(jiān)控?cái)z像系統(tǒng)及3個(gè)溫度傳感器，溫度傳感器信息與PLC控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測和控制。

2.6 保溫及安全保障系統(tǒng)

保溫房體底座為鋼結(jié)構(gòu)框架加保溫材料，墻體、頂棚、門均為雙層鋼板加保溫材料，可起到保溫作用；房體一端設(shè)置對開門，方便工件移運(yùn)；對開門四周安裝有柔性密封材料，以減少室內(nèi)外溫度交換；為方便連接器進(jìn)出，特設(shè)計(jì)平車移運(yùn)，連接器安裝在平車上固定好后運(yùn)至保溫房內(nèi)，試驗(yàn)房體固定在100 MPa的高壓試驗(yàn)安全房內(nèi)，在外置的綜合操作臺進(jìn)行監(jiān)控操作試驗(yàn)，確保試驗(yàn)安全。

2.7 工作原理

1）升溫方式：通過壓力測試臺將連接器內(nèi)腔注滿液壓油，空氣加熱器將保溫房內(nèi)空氣加熱并穩(wěn)定至某一溫度，再由導(dǎo)熱油在加熱盤管內(nèi)循環(huán)將連接器內(nèi)部液體進(jìn)行加熱，以達(dá)到熱傳導(dǎo)平衡的效果，實(shí)現(xiàn)連接器快速升溫。

2）冷卻方式：通過制冷機(jī)組和導(dǎo)熱油箱分別對試驗(yàn)室內(nèi)空氣和連接器內(nèi)液壓油循環(huán)導(dǎo)熱，實(shí)現(xiàn)快速降溫。

在使用時(shí)，先把連接法蘭與水下連接器焊接連接，再組裝上封板、密封墊、熱電偶等部件，再將連接器安裝在平車上，沿導(dǎo)軌運(yùn)輸?shù)皆囼?yàn)房內(nèi)，連接各管線，關(guān)閉房門，然后按試驗(yàn)程序進(jìn)行高低溫循環(huán)高壓試驗(yàn)。

3 技術(shù)參數(shù)

溫度范圍為-30～150 ℃；最大壓力為70 MPa；溫度控制精度為0.5 ℃；平臺載重20 t；房體內(nèi)尺寸為5 m×4 m×4 m。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

1）采用空氣加熱和導(dǎo)熱油加熱兩種加熱方式實(shí)現(xiàn)快速升溫。

2）采用制冷機(jī)組和導(dǎo)熱油傳熱降溫兩種降溫方式實(shí)現(xiàn)快速降溫。

3）采用平車與裝夾裝置一體結(jié)構(gòu)，方便工件裝夾固定、移運(yùn)。

5 方案論證

5.1 溫度試驗(yàn)的控制

根據(jù)API Spec 6A附錄F.1.9 關(guān)于溫度試驗(yàn)的要求，所設(shè)計(jì)的高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)都有相應(yīng)的保障措施，如表2所示。

根據(jù)表2可見，設(shè)計(jì)的高低溫高壓循環(huán)測試系統(tǒng)充分考慮了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的關(guān)于溫度試驗(yàn)的要求，該方面滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

表2 溫度試驗(yàn)要求及測試系統(tǒng)的保障措施

5.2 保壓期的控制

根據(jù)API Spec 6A附錄F.1.10關(guān)于保壓期控制的要求，所設(shè)計(jì)的高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)都有相應(yīng)的保障措施，如表3所示。

由表3可見，設(shè)計(jì)的高低溫高壓循環(huán)測試系統(tǒng)充分考慮了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的關(guān)于保壓期控制的要求，該方面滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

表3 保壓期控制要求及測試系統(tǒng)相應(yīng)的保障措施

5.3 壓力和溫度循環(huán)的控制

根據(jù)API Spec 6A附錄F.1.11關(guān)于壓力和溫度循環(huán)的要求，所設(shè)計(jì)的高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)都有相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方式及說明，如表4所示。

根據(jù)表4可見，設(shè)計(jì)的高低溫高壓循環(huán)測試系統(tǒng)充分考慮了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的關(guān)于壓力和溫度循環(huán)的要求，該方面滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

5.4 實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果

南陽二機(jī)研制的6 in垂直連接器已完成各項(xiàng)功能性試驗(yàn)，經(jīng)高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，并經(jīng)船級社驗(yàn)船師現(xiàn)場鑒定確認(rèn)，結(jié)果合格。該連接器已在南海北部灣海域順利進(jìn)行了海洋水下安裝試驗(yàn)，效果得到專家組認(rèn)可。

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)、建造的高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)，能滿足主要技術(shù)參數(shù)以內(nèi)的連接器的高低溫循環(huán)高壓試驗(yàn)。

該系統(tǒng)在溫度控制方面，不僅能有效保溫，使溫度穩(wěn)定控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，還能快速升溫和降溫，縮短升降溫時(shí)間，提高試驗(yàn)效率。

在壓力控制方面，不僅能控制試驗(yàn)裝置密封性，確保保壓時(shí)間及壓降滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，還能滿足高溫和低溫下的壓力水平。

在數(shù)據(jù)分析及控制方面，不僅能保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、試驗(yàn)可控，而且試驗(yàn)系統(tǒng)安全可靠、易于操作控制。