水下方向控制閥質(zhì)量測試方法的設(shè)計

李宇航 陳易紅 譚文濤 岳元龍 范江龍

DOI：10.20030/j.cnki.1000?3932.202403019

摘 要 以API STD 17F—2017標準規(guī)定的水下方向控制閥（DCV）測試項目為基礎(chǔ)，制定了具有可操作性的DCV質(zhì)量測試方法。測試項目包括外壓、內(nèi)壓、內(nèi)泄漏、功能和連續(xù)性、污染流體循環(huán)、壽命、環(huán)境篩選和絕緣電阻測試，針對每一個測試項目給出了詳細的測試目的、標準要求和測試步驟。本文方法通過了挪威船級社審核，并成功應用于渤海油氣田淺水水下方向控制閥工程化產(chǎn)品的挪威船級社認證。

關(guān)鍵詞 DCV 質(zhì)量測試方法 內(nèi)泄漏 環(huán)境篩選 絕緣電阻

中圖分類號 TE54??? 文獻標志碼 A?? 文章編號 1000?3932（2024）03?0502?05

作者簡介：李宇航（1999-），碩士研究生，從事水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)布局優(yōu)化、水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計工作。

通訊作者：岳元龍（1985-），高級工程師，從事水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)、水下通信協(xié)議、高可靠性嵌入式系統(tǒng)設(shè)計和多傳感器數(shù)據(jù)融合的研究，yueyuanlong@cup.edu.cn。

引用本文：李宇航，陳易紅，譚文濤，等.水下方向控制閥質(zhì)量測試方法的設(shè)計[J].化工自動化及儀表，2024，51（3）：502-506.

水下方向控制閥（Directional Control Valve，DCV）是水下生產(chǎn)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的裝備之一，包括水面控制水下安全閥、緊急關(guān)斷閥、隔離閥、內(nèi)部止回閥及快速排氣閥等多種類型[1，2]。水下方向控制閥主要由先導閥和主閥組成，其功能是控制液壓系統(tǒng)中液壓油的流向，改變液壓執(zhí)行機構(gòu)的開關(guān)狀態(tài)，最終實現(xiàn)海底生產(chǎn)系統(tǒng)配套的液壓設(shè)備控制。

目前，國外DCV產(chǎn)品主要由海洋油氣開發(fā)領(lǐng)域的知名集團成套開發(fā)，如Oceaneering、Aker及Bifold等[3]。其中，Oceaneering集團生產(chǎn)的15系列深海高壓方向控制閥能夠在4 000 m的海底環(huán)境中運行，其設(shè)計壓力可達20 000 psi（1 psi=6.895 kPa）[4]。Aker集團提供了多種適合深水工況的高、低壓電液換向閥，其水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)DCV均采用的是耐海水腐蝕材料，閥門最大設(shè)計壓力達15 000 psi[5]。Bifold流體動力公司主要從事設(shè)計和制造水下方向控制閥，其設(shè)計的水下方向控制閥設(shè)計水深可達3 000 m，最高設(shè)計壓力可達15 000 psi，并且能夠在污染等級高于NAS1638 12級的液壓流體上可靠運行。Bifold對DCV產(chǎn)品的出廠測試標準十分嚴苛，其污染流體循環(huán)試驗可達100 000次，壽命試驗達100萬次，遠超API的要求[6]。以上國外DCV產(chǎn)品的泄漏量均小于0.2 cc/min（1 cc=1 mL），且耐海水腐蝕，耐控制流體污染，其作業(yè)水深均超過1 500 m。這些設(shè)計標準為我國DCV產(chǎn)品在泄漏量、污染流體測試方面均提供了參考[7]。

筆者依托API STD 17F—2017開展水下方向控制閥質(zhì)量測試方法（包括質(zhì)量測試（Qualification Test，QT）方法和出廠驗收測試（Factory Acceptation Test，F(xiàn)AT）方法）研究，旨在突破國外對水下方向控制閥的壟斷，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的水下方向控制閥出廠測試技術(shù)，從而為水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計和維護提供技術(shù)支持。

1 DCV質(zhì)量測試方法

1.1 DCV內(nèi)壓測試

DCV內(nèi)壓測試的目的是驗證DCV在測試壓力下有無外泄漏。

測試開始時，實際壓力不應高于測試壓力的5%。測試結(jié)束時，實際壓力不應低于測試壓力。若DCV內(nèi)某組件的內(nèi)壓測試壓力小于系統(tǒng)內(nèi)壓測試壓力，則內(nèi)壓測試過程中該組件需要與系統(tǒng)隔離[8]。

內(nèi)壓試驗壓力計算式為：

TP=1.5×DP??????????? ，DP≤15000 psi

0.5×DP+15000，15000 psi

1.25×DP????????? ，DP≥20000 psi

（1）

其中，TP是測試壓力，DP是設(shè)計壓力。

內(nèi)壓測試包括兩個階段：

a. 第一階段，無壓力敏感元件測試。如圖1所示，首先將先導閥閥體、主閥閥體、電磁閥盲板堵頭集成，將液壓泵升至1.5×1.05倍（為壓降留有一定的閾值）的設(shè)計壓力，通過主閥供油口向DCV內(nèi)注入高壓液壓油。由于液壓泵與DCV之間采用穩(wěn)定的壓力源為組件充壓，因此可以通過觀察數(shù)字壓力表的示數(shù)來計算壓降，從而判斷是否存在外泄漏。保壓10 min后觀察壓降是否超過3%。泄壓后觀察DCV閥體有無外泄漏。

b. 第二階段，安裝壓力敏感元件測試。拆除第一階段的電磁閥盲板堵頭，如圖2所示，將電磁閥和壓力變送器與第一階段的設(shè)備集成。按照1.1倍的設(shè)計壓力進行內(nèi)壓測試。將液壓泵升至1.1×1.05倍的設(shè)計壓力。保壓10 min后觀察壓降是否超過3%。泄壓后觀察有無外泄漏。內(nèi)壓測試結(jié)束后對DCV閥芯、閥套孔進行探傷，觀察有無裂紋。

P——主閥供油口;R——回油口;PP——先導閥供油口

F——功能口

1.2 外壓測試

DCV外壓測試的目的是驗證DCV與外界硅油環(huán)境接觸的密封件功能的完整性，確保外壓測試結(jié)束后無硅油泄漏至DCV內(nèi)部。

外壓測試時DCV運行在海底控制模塊（Subsea Control Module，SCM）的硅油環(huán)境中，若DCV生產(chǎn)廠家沒有SCM，則需要設(shè)計SCM等效工裝，即環(huán)境模擬裝置。首先將DCV安裝至環(huán)境模擬裝置底座，并將環(huán)境模擬裝置（圖3）充滿硅油，然后通過硅油泵升壓至設(shè)計環(huán)境壓力的1.1倍，壓力上升速度不小于24 bar/min（1 bar=100 kPa）。升壓完成后停止升壓，進入保壓階段，保壓不少于5 min后開始泄壓，泄壓速度不小于36 bar/min。外壓測試共進行3個泄壓-升壓循環(huán)，每個循環(huán)的高壓階段切換DCV閥位，觀察其控制功能和復位功能是否正常。

第3個循環(huán)結(jié)束后進入保壓階段，保壓時間不少于6 h（不含泄壓-升壓循環(huán)時間）。隨后泄壓至大氣壓，回收硅油，擦除DCV表面硅油后將其從環(huán)境模擬裝置上拆除。最后拆卸兩個先導閥，觀察主閥閥體內(nèi)部是否有硅油滲入。

1.3 DCV內(nèi)泄漏測試

DCV內(nèi)泄漏測試的目的是驗證DCV內(nèi)泄漏量是否符合標準要求，即內(nèi)泄漏量小于0.2 cc/min。

DCV內(nèi)泄漏測試需要在液壓系統(tǒng)的設(shè)計壓力下，并在閥處于控制狀態(tài)或復位的狀態(tài)下進行。閥位切換至少10 min后開始檢測泄漏量，具體包括以下兩種方法：

a. 方法一，對測試組件進行充壓并隔離壓力源，監(jiān)測壓降。此時需要搭建一個工裝，通過顯示壓降的方式測試泄漏量。

b. 方法二，采用穩(wěn)定的壓力源為組件充壓，通過在回油口處收集液壓油的方式記錄泄漏量。首先將DCV安裝至測試臺上。將液壓動力單元升壓至最大設(shè)計壓力，先導閥和主閥供油壓力均為最大設(shè)計壓力。然后切換DCV至控制狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定10 min后，在回油口用量筒收集液壓油，收集10 min。觀察量筒內(nèi)液壓油積液量，計算每分鐘泄漏量。切換DCV至復位狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定10 min后，在回油口用量筒收集液壓油，收集10 min后觀察量筒內(nèi)液壓油積液量，計算每分鐘泄漏量。

1.4 DCV功能和連續(xù)性測試

DCV功能和連續(xù)性測試的目的是驗證DCV的控制功能、復位功能和閥位保持功能。

首先將DCV安裝至測試臺上，液壓動力單元升壓至最大設(shè)計壓力，先導閥和主閥供油壓力均為最大設(shè)計壓力，然后切換DCV閥位，檢測DCV控制功能、復位功能、閥位保持功能，切換次數(shù)為10次，每次間隔10 min。

將DCV切換至控制狀態(tài)，開啟供油泄壓閥，觀察DCV功能口壓力。然后記錄當壓力突然變?yōu)? MPa時的壓力，此時即為起跳壓力。連續(xù)測試3次，以測出起跳壓力范圍。

1.5 DCV污染流體循環(huán)測試

在污染等級為NAS1638 12級的液壓系統(tǒng)中，當切換次數(shù)達到循環(huán)次數(shù)后，驗證DCV內(nèi)泄漏量是否小于0.4 cc/min。

循環(huán)測試可以在開路或閉路模式下進行：開路模式，液壓油直接流出測試回路;閉路模式，液壓油返回油箱。測試過程中，當流出量或返回量超過10 cc后進行切換。

循環(huán)測試壓力設(shè)置為DCV設(shè)計壓力，測試過程中定期監(jiān)測液壓油的污染程度，污染流體循環(huán)測試液壓流體最低污染濃度限制列于表1。

首先將DCV安裝至測試臺上。液壓動力單元升壓至最大設(shè)計壓力，先導閥和主閥供油均為最大設(shè)計壓力。DCV在控制狀態(tài)與復位狀態(tài)之間切換。在DCV上游進行液壓油采樣，記錄污染流體濃度。若濃度低于最低濃度限制，則測試停止，清洗測試工裝，并重新開始測試。每次重新開始為一次循環(huán)開始，循環(huán)測試次數(shù)加1。當切換次數(shù)分別為200、500、1 000、2 000、2 500、2 950、3 000次時在回油口用量筒收集液壓油，收集液壓油前DCV在復位或控制狀態(tài)下至少穩(wěn)定10 min。觀察量筒內(nèi)液壓油積液量，計算每分鐘泄漏量。

1.6 DCV壽命測試

在設(shè)計壓力下，DCV壽命測試的目的是驗證DCV設(shè)計使用次數(shù)應不小于實際應用次數(shù)。

DCV壽命測試的循環(huán)次數(shù)不小于10 000次[9]，若設(shè)備未出現(xiàn)功能失效，則通過測試。首先將DCV安裝至測試臺上。液壓供應單元升壓至最大設(shè)計壓力，先導閥和主閥供油均為最大設(shè)計壓力。往復切換DCV控制狀態(tài)與復位狀態(tài)。在循環(huán)次數(shù)基礎(chǔ)上，累計每到10 000次，使DCV處于控制狀態(tài)，穩(wěn)定10 min后，在回油口用量筒收集液壓油，收集10 min。觀察量筒內(nèi)液壓油積液量，計算每分鐘泄漏量。

1.7 DCV配套電子部件環(huán)境篩選試驗

DCV配套電子部件環(huán)境篩選試驗用于驗證DCV在運輸、搬運、安裝和操作過程中，不會對其功能造成任何損壞或退化。DCV壓力變送器和電磁先導閥屬于配套電子部件，需要進行單獨的溫度、沖擊、振動試驗，如果壓力變送器和電磁先導閥廠家能夠提供試驗證明，則壓力變送器和先導電磁閥可以免除測試。

1.7.1 溫度測試

溫度測試應在振動測試之前進行。首先，DCV與測試工裝集成，放入溫度試驗工作臺并固定。然后，DCV在最高設(shè)計溫度下保溫48 h，在高溫測試開始時進行斷電/通電測試。保溫期間，檢測電磁先導閥和壓力變送器功能、通信功能是否正常。保溫結(jié)束時進行斷電/通電測試。接著進行高低溫循環(huán)試驗，DCV在-18～40 ℃的溫度范圍內(nèi)進行循環(huán)測試，溫度變化速率5 ℃/min，高/低溫持續(xù)時間30 min，循環(huán)10次。循環(huán)期間，檢測電磁先導閥和壓力變送器功能是否正常。若在熱循環(huán)過程中檢測到故障，應盡快進行修復，并重新啟動循環(huán)測試。若有連續(xù)10次無故障循環(huán)，則測試通過。測試結(jié)束后，檢測DCV閥位切換功能和壓力變送器功能。

1.7.2 振動測試

振動試驗后，DCV不應出現(xiàn)明顯損壞或變形，電磁先導閥和壓力變送器應通過功能試驗。首先，將集成的DCV放置在振動試驗工作臺上并固定，向3個相互垂直的軸各施加5～150 Hz的往返掃頻，觀察是否有機械放大系數(shù)大于10的共振，并確定敏感軸。最后，在確定的敏感軸上進行2 h的隨機振動。振動測試后，檢查DCV緊固螺栓是否松動。

1.7.3 沖擊測試

沿3個相互垂直的軸在6個方向上施加4次沖擊。首先，將集成的DCV工裝放置在沖擊試驗工作臺上并固定。沿3個相互垂直的軸在6個方向上施加4次沖擊，其中一個軸垂直于電路板平面，沖擊等級為10g，11 ms半正弦。試驗結(jié)束后，觀察DCV測試工裝是否出現(xiàn)損壞或變形，電磁先導閥和壓力變送器應通過功能試驗。

2 DCV出廠驗收測試

2.1 DCV內(nèi)壓測試

DCV出廠驗收測試中的內(nèi)壓測試標準要求及測試步驟詳見1.1節(jié)，泄壓之后，無需拆卸先導閥和壓力變送器，無需探傷試驗，觀察連接處有無外泄漏。

2.2 DCV外壓測試

首先將DCV安裝至環(huán)境模擬裝置底座，向環(huán)境模擬裝置中倒入硅油，直至DCV完全浸沒于硅油中。通過硅油泵升壓至實際運行環(huán)境壓力的1.1倍，環(huán)境模擬裝置壓力上升速度不小于18 bar/min。保壓10 min后泄壓，泄壓速度不小于24 bar/min，觀察控制功能和復位功能是否正常?；厥展栌停脸鼶CV表面硅油，從環(huán)境模擬裝置上拆卸DCV，觀察連接處有無硅油滲入。

2.3 DCV內(nèi)泄漏測試

DCV出廠驗收測試中的內(nèi)泄漏測試標準要求及步驟詳見1.3節(jié)。

2.4 DCV功能和連續(xù)性測試

DCV出廠驗收測試中的功能和連續(xù)性測試標準要求及步驟見1.4節(jié)。

2.5 DCV環(huán)境篩選試驗

DCV環(huán)境篩選試驗用于驗證DCV是否由于工藝或裝配引起潛在故障[10]。DCV工程產(chǎn)品交付前進行環(huán)境篩選試驗，包括溫度測試和振動測試。溫度測試的目的是驗證DCV在設(shè)計溫度范圍內(nèi)的功能是否會過早失效。振動測試的目的是揭示裝配過程中存在的問題。

2.5.1 溫度測試

溫度測試應在振動測試之前進行。首先集成DCV測試工裝，放入溫度試驗工作臺上并固定。DCV在-18～40 ℃進行10次溫度循環(huán)，溫度變化速率為5 ℃/min，高/低溫持續(xù)時間為30 min，循環(huán)10次，然后DCV在最高設(shè)計溫度下保溫48 h。溫度循環(huán)試驗結(jié)束后，檢測DCV閥位切換功能，泄漏量是否小于0.2 cc/min。

2.5.2 振動測試

振動試驗后不應出現(xiàn)明顯損壞或變形，電磁先導閥和壓力變送器應通過全功能試驗。首先將集成的DCV放置在振動試驗工作臺上并固定，沿著DCV最高應力軸施加隨機振動，隨機振動應持續(xù)10 min，隨機振動譜如圖4所示。

圖4中，20～80 Hz范圍內(nèi)，每倍頻程上升3 dB;80～350 Hz范圍內(nèi)，加速度譜密度為0.04 g2/Hz;350～2 000 Hz范圍內(nèi)，每倍頻程衰減3 dB;復合激勵水平為6g。振動測試后，應對DCV進行目視檢查，觀察緊固螺栓是否松動。

2.6 DCV絕緣電阻檢測

絕緣電阻檢測的目的是驗證DCV所有電氣部件和組件的絕緣性，包括壓力變送器和電磁先導閥。

測試電壓50 V，施加測試電壓60 s后記錄讀數(shù)，阻值不得低于1 GΩ。測試時，絕緣電阻值應在60 s內(nèi)穩(wěn)定，且測試電壓不得超過設(shè)備的最大額定值。由于濕度和溫度會影響絕緣電阻讀數(shù)，因此當有重大影響時，應重點記錄和說明。推薦的IR值列于表2[8]。

3 結(jié)束語

筆者參考國外DCV產(chǎn)品性能指標以及水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)和海底高完整性壓力保護系統(tǒng)對DCV的要求制定了一系列測試方案，為DCV出廠測試提供了方法與技術(shù)支持，給出了DCV測試過程中的要點、DCV及其相關(guān)產(chǎn)品的測試標準要求。該測試方法驗證了DCV產(chǎn)品的可靠性，可為我國DCV產(chǎn)品出廠測試提供參考。目前，該測試方法通過了挪威船級社審核，并成功應用于渤海油氣田淺水水下方向控制閥工程化產(chǎn)品的挪威船級社現(xiàn)場認證。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-06-02，修回日期：2024-04-12）

Design of Quality Testing Methods for Subsea

Directional Control Valves

LI Yu?hang， CHEN Yi?hong， TAN Wen?tao， YUE Yuan?long， FAN Jiang?long

（School of Information Science and Engineering ， China University of Petroleum （Beijing））

Abstract?? The quality test method for directional control valves（DCV）was developed based on the subsea DCV test items stipulated in the API STD 17F—2017 standard. The test items have the external pressure， internal pressure， internal leakage， function and continuity， contaminated fluid cycling， life， environmental stress screening， insulation resistance test covered and detailed test objectives， standard requirements and test procedures presented for each test item. The method designed has passed DNV audit and has been successfully applied in shallow water submerged DCVs for Bohai oil and gas fields.

Key words?? DCV， quality testing methods， internal leakage， environmental screening， insulation resistance