高壓水下閥門產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及測試方案研究

閆嘉鈺,洪 毅,劉伯英,周學(xué)軍,陳 迪,何驍勇

(中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京 100027)

0 引 言

水下閥門是安裝在海底管道及水下結(jié)構(gòu)物內(nèi)管道上的流體控制部件,其工作環(huán)境苛刻,設(shè)計(jì)壓力高,可靠性要求高(15～25年免維護(hù)),屬于高附加技術(shù)含量產(chǎn)品。目前全球海底管道應(yīng)用的水下閥門市場多被OneSubsea(Cameron)、PetroValve、 ATV、 Magnum等公司占領(lǐng)?！笆逡?guī)劃”以來,隨著國家海洋戰(zhàn)略的提出以及國內(nèi)海上油氣由淺海向深?？缭?國內(nèi)部分廠商依托國家科技重大專項(xiàng)、工信部高技術(shù)船舶科研等科研項(xiàng)目,已著手開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品,并在150米水深工程項(xiàng)目得到現(xiàn)場應(yīng)用[1、 2]。適用于1500米及以上水深,同時(shí)具有液壓及ROV控制功能,具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全國產(chǎn)化水下閥門及執(zhí)行機(jī)構(gòu),已研發(fā)成功,尚待深水工程項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用。

為對研制的水下閥門產(chǎn)品進(jìn)行全方位的考核,保證產(chǎn)品質(zhì)量,增強(qiáng)用戶試用國產(chǎn)化首臺套產(chǎn)品的信心,需要聘請權(quán)威第三方,按照標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證工作流程對產(chǎn)品進(jìn)行全方位認(rèn)證[3、 4]。測試是檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量的最直接方式,也是產(chǎn)品認(rèn)證的最終關(guān)鍵環(huán)節(jié),特別是用于模擬產(chǎn)品實(shí)際工況的測試[5～7]。

本文依托國產(chǎn)化產(chǎn)品研發(fā)成果,對用于產(chǎn)品測試及認(rèn)證的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析,歸納整理最新版標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品測試的要求,形成認(rèn)證方案。并以此為基礎(chǔ),提出標(biāo)準(zhǔn)選擇及測試方案的建議。

1 水下閥門標(biāo)準(zhǔn)

1.1 適用標(biāo)準(zhǔn)

目前,國際水下生產(chǎn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系主要有ISO的13628系列,API的6及17系列。國內(nèi)水下生產(chǎn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 21412系列。其中,涉及水下閥門及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 現(xiàn)行水下生產(chǎn)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

我國目前通過對上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等同采用,形成了國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由于采標(biāo)方式為等同采用,現(xiàn)行國、行標(biāo)滯后于對應(yīng)的現(xiàn)行ISO、 API標(biāo)準(zhǔn)。

國產(chǎn)化水下閥門及執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品研發(fā)基于API標(biāo)準(zhǔn)的最新版本,下文分析針對上述四項(xiàng)最新標(biāo)準(zhǔn),簡稱為API 6A、 API 17D、 API 6D、 API 6DSS。

1.2 適用對象及原則

API 6A、 API 17D、 API 6D、 API 6DSS分別適用如下對象:

① API 6A、 API 17D分別針對陸地、水下井口和采油樹設(shè)備。API 17D以API 6A為基礎(chǔ),提出了水下設(shè)備相對陸地設(shè)備的特殊需求。API 17D根據(jù)需要,引用API 6A相關(guān)條款。

② API 6D、 API 6DSS分別針對陸地、水下管線閥門。API 6DSS以API 6D為基礎(chǔ),提出了水下管線閥門相對陸地管線閥門的特殊需求。API 6DSS根據(jù)需要,引用API 6D相關(guān)條款。

結(jié)合已有工程設(shè)計(jì)及研發(fā)經(jīng)驗(yàn),確定上述標(biāo)準(zhǔn)的選擇原則如下:

① 水下閥門及執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品研發(fā)主要遵循API 17D和API 6DSS兩項(xiàng)主標(biāo)準(zhǔn)。在使用過程中,根據(jù)需要引用API 6A、 API 6D具體條款。

② 水下井口、采油樹上,以及直接與水下采油樹相連的水下管匯的水下閥門,采用API 17D作為主標(biāo)準(zhǔn),API 6A作為輔助標(biāo)準(zhǔn)。如上述標(biāo)準(zhǔn)未覆蓋特定壓力等級和公稱通徑,其外形尺寸可參考6DSS,設(shè)計(jì)、測試仍參照API 17D和API 6A。

③ 水下長輸管道上的水下閥門采用6DSS作為主標(biāo)準(zhǔn),API 6D作為輔助標(biāo)準(zhǔn)。

④ 實(shí)際工程采辦中,為協(xié)調(diào)壓力等級、通經(jīng)尺寸、特殊密封、特定測試項(xiàng)目及測試判據(jù)要求,也有綜合采用API 17D、 6DSS、 API 6A三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的情況。但需要指定各項(xiàng)產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)適用的標(biāo)準(zhǔn)及其版本。

目前,國內(nèi)水下閥門產(chǎn)品研發(fā)集中在水下閘閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、水下球閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu),本文僅討論這兩類產(chǎn)品。

2 測試方案及要求

測試是貫穿水下設(shè)備國產(chǎn)化研發(fā)全過程的重要質(zhì)量保證工作。產(chǎn)品研發(fā)過程需進(jìn)行5類測試:加工裝配過程中的內(nèi)部質(zhì)量檢驗(yàn)、產(chǎn)品性能鑒定測試(Qualification Test/Validation Test,QT)、產(chǎn)品工廠接收測試(FAT)、產(chǎn)品現(xiàn)場接收測試(SRT)、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試(SIT)等。其中,每類測試均包含若干測試項(xiàng)目,如QT包含高低溫循環(huán)測試、高壓艙測試等。多類測試可包含同一測試項(xiàng)目,如閥門殼體耐液壓測試同時(shí)出現(xiàn)在QT、 FAT中。

本文僅討論與水下閥門產(chǎn)品認(rèn)證相關(guān)的QT、 FAT。QT是對產(chǎn)品全部性能在極限工況的全面驗(yàn)證,檢驗(yàn)產(chǎn)品的性能及可靠性,測試后的樣機(jī)不能用于供貨。FAT是對成批供貨產(chǎn)品部分關(guān)鍵功能及性能的驗(yàn)證,是產(chǎn)品出廠前的合格檢驗(yàn)。QT包含的測試項(xiàng)目比FAT多;同時(shí)包含在QT及FAT的測試項(xiàng)目,QT中的測試條件更為苛刻,測試判據(jù)更為嚴(yán)格。

水下閥門FAT、 QT測試項(xiàng)目的具體要求零散分布在標(biāo)準(zhǔn)多個(gè)章節(jié),未能體現(xiàn)不同測試之間的相互關(guān)系(如高低溫循環(huán)/高壓艙測試同高/低溫液壓殼體/閥座、高/低溫氣壓殼體/閥座等測試之間的包含關(guān)系),測試條款未根據(jù)產(chǎn)品測試實(shí)際順序排列,沒有完整的測試方案。為解決上述問題,本節(jié)結(jié)合國產(chǎn)化水下閥門產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn),針對水下閘閥、水下球閥分別提出測試方案。

2.1 水下閘閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)

最早的水下生產(chǎn)設(shè)備基本來源于對已有陸上生產(chǎn)設(shè)備的改造。閘閥是早期油氣開采最為常用的閥門,是最早應(yīng)用于水下油氣開采的一類閥門。本節(jié)分析符合API 17D及API 6A標(biāo)準(zhǔn)、PSL 3G產(chǎn)品規(guī)范等級、PR2F產(chǎn)品要求等級、壓力等級5000psi、適用水深1500m、具有液壓及ROV兩種操作方式的閘閥。

測試設(shè)備、儀表、人員、記錄等需要滿足API 17D及API 6A一般性要求的各項(xiàng)規(guī)定,以保證測試結(jié)果的有效性。

2.1.1 工廠接收測試

FAT相關(guān)內(nèi)容分散于API 17D的7.10.4.2,以及API 6A的11章,對所需進(jìn)行的測試項(xiàng)目、具體測試內(nèi)容及測試通過的判據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。主要包括三大類測試內(nèi)容:

(1) 液體壓力測試,包括液壓殼體測試、液壓閥座測試。

(2) 氣體壓力測試,包括氣壓殼體測試、氣壓閥座測試、氣體倒密封測試。

(3) 通徑測試。

結(jié)合國產(chǎn)化產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn),提出的FAT測試方案包括7大項(xiàng)內(nèi)容,涵蓋了標(biāo)準(zhǔn)中提出的全部8項(xiàng)具體測試內(nèi)容。測試順序及內(nèi)容如表2所示。

表2 水下閘閥FAT測試方案

(續(xù)表)

2.1.2 性能鑒定測試

性能鑒定試驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容分散于API 17D的5.1.7、 7.10.4.1和附錄J、附錄N,以及API 6A的14.11、 14.17及附錄F,對所需進(jìn)行的測試項(xiàng)目、具體測試內(nèi)容及測試通過的判據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。性能鑒定測試主要包括:初始推力測試、壓力循環(huán)測試、壓力-溫度循環(huán)測試、高壓艙測試、循環(huán)耐久測試、最終推力測試、拆解檢驗(yàn)。

結(jié)合國產(chǎn)化產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn),提出的測試方案包括7大項(xiàng)內(nèi)容,涵蓋了標(biāo)準(zhǔn)中提出的全部19項(xiàng)具體測試內(nèi)容。測試順序及內(nèi)容如表3所示。

表3 水下閘閥QT測試方案

(續(xù)表)

2.2 水下球閥及執(zhí)行機(jī)構(gòu)

相對閘閥,球閥應(yīng)用于水下油氣行業(yè)相對較晚。但由于機(jī)械構(gòu)造的不同,水下球閥可靠性更高,更加適用于大口徑、高壓差、需要進(jìn)行通球操作的應(yīng)用條件。隨著制造技術(shù)的進(jìn)步,出現(xiàn)了球閥逐步替代閘閥的趨勢。本節(jié)分析符合API 6DSS及API 6D標(biāo)準(zhǔn)、壓力等級5000psi、適用水深1500m、具有液壓及ROV兩種操作方式的12英寸通徑的雙向金屬密封球閥。

2.2.1 工廠接收測試

工廠接收試驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容分散于API 6DSS的第10章,詳細(xì)闡述了所需的測試項(xiàng)目、具體測試內(nèi)容及測試通過的判據(jù)。適用于球閥的工廠接收測試項(xiàng)目主要包括:液壓殼體測試、操作及功能測試、液壓閥座測試、閥腔泄放測試、低氣壓閥座測試、氣壓殼體測試、氣壓閥桿測試、氣壓閥座測試、電連續(xù)性測試。

結(jié)合國產(chǎn)化產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn),提出的測試方案包括9大項(xiàng)內(nèi)容,涵蓋了標(biāo)準(zhǔn)中提出的全部9項(xiàng)具體測試內(nèi)容。測試順序及內(nèi)容如表4所示。

表4 水下球閥FAT測試方案

(續(xù)表)

2.2.2 性能鑒定測試

性能鑒定試驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容分散于API 6DSS的第5.29 5.30附錄F及附錄G,詳細(xì)闡述了所需進(jìn)行的測試項(xiàng)目、具體測試內(nèi)容及測試通過的判據(jù)。

結(jié)合國產(chǎn)化產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn),提出的測試方案包括10大項(xiàng)內(nèi)容,涵蓋了標(biāo)準(zhǔn)中提出的全部20項(xiàng)具體測試。測試順序及內(nèi)容如表5所示。

表5 水下閘閥QT測試方案

(續(xù)表)

閘閥、球閥的FAT內(nèi)容對比如表6所示。

表6 FAT內(nèi)容對比表

(1) API 6A/17D和API 6DSS/6D的FAT包含7個(gè)共同測試項(xiàng)目。

(2) 閘閥增加了特有的氣體倒密封測試,以及通徑測試。

(3) 球閥增加了操作功能、閥腔泄放、氣壓閥桿3項(xiàng)測試。

(4) 實(shí)際測試過程中,建議結(jié)合兩套標(biāo)準(zhǔn),除氣體倒密封測試僅適用于閘閥外,增加相對缺少的測試項(xiàng)目。

對閘閥、球閥的QT內(nèi)容對比如表7所示:

表7 QT內(nèi)容對比表

(續(xù)表)

(1) API17D/6A和API 6DSS/6D的測試項(xiàng)目基本相同。

(2) API17D/6A增加了高低溫循環(huán)后的低氣壓殼體測試,并要求循環(huán)耐久達(dá)到600次;API 6DSS/6D未對耐久性提出要求。

(3) API 6DSS/6D在測試前增加了液壓殼體、液壓閥座測試,以保證后續(xù)測試的安全性。API17D/6A則要求在性能鑒定測試前完成常規(guī)耐壓測試,其目的也在于此。

(4) API 17D僅要求在高壓艙測試中重復(fù)200次,而API 6DSS則在200次重復(fù)開關(guān)測試外,還增加了在外壓環(huán)境下對閥門殼體及閥座的相關(guān)測試。

(5) 建議閘閥參考API 6DSS標(biāo)準(zhǔn),在測試時(shí)增加高壓艙內(nèi)測試相關(guān)內(nèi)容,以全面檢查模擬工作環(huán)境下的性能;球閥參考API 17D標(biāo)準(zhǔn),在測試時(shí)增加循環(huán)耐久總數(shù)600次的要求,以全面檢查閥門耐久性及質(zhì)量可靠性。

3 結(jié) 論

通過前文討論,可以得到以下結(jié)論及建議:

(1) 針對高壓水下閥門產(chǎn)品,存在ISO、 API及國標(biāo)3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系。其中,ISO及我國國家標(biāo)準(zhǔn)等同采用API標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)行的API標(biāo)準(zhǔn)為最新版。

(2) 現(xiàn)行最新版標(biāo)準(zhǔn)是API 6A 21th edition(2018.11)、API 17D 3nd edition(2021.10)、API 6D 25th edition(2021.12)、API 6DSS 3rd edition(2017.8)。

(3) API 17D以API 6A為基礎(chǔ),提出了水下采油樹及井口設(shè)備的特殊需求并引用相關(guān)條款。水下井口、采油樹及與水下采油樹直接相連的管匯的水下閥門,采用API 17D作為主標(biāo)準(zhǔn),API 6A作為輔助標(biāo)準(zhǔn)。

(4) API 6DSS以API 6D為基礎(chǔ),提出了水下管線閥門的特殊需求并引用相關(guān)條款。水下長輸管道上的水下閥門,采用6DSS作為主標(biāo)準(zhǔn),API 6D作為輔助標(biāo)準(zhǔn)。

(5) 結(jié)合國產(chǎn)化研發(fā)經(jīng)驗(yàn),歸納標(biāo)準(zhǔn)中分散提出的各項(xiàng)測試內(nèi)容,針對性提出高壓水下閘閥、球閥的FAT和QT測試方案,闡述了測試流程、參數(shù)及判據(jù)。提出的測試方案可供產(chǎn)品研發(fā)參考。

(6) FAT方面:建議在實(shí)際使用及后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí),API 17D/6A同API6DSS/6D互相補(bǔ)充測試項(xiàng)目,以更為全面檢測閥門出廠質(zhì)量。

(7) QT方面:建議在實(shí)際使用過程中,API 17D/6A增加高壓艙內(nèi)測試相關(guān)內(nèi)容,以全面檢查模擬工作環(huán)境下的性能;API 6DSS/6D增加循環(huán)耐久總數(shù)600次的要求,以全面檢查閥門耐久性及質(zhì)量可靠性。