李　波，汪學(xué)軍，張建權(quán)，葉民杰，呂　強(qiáng)

（1.中原油田物資供應(yīng)處，河南濮陽(yáng)457003；2.上海神開(kāi)石油設(shè)備有限公司，上海201114）①

水下控制模塊的應(yīng)用與設(shè)計(jì)分析

李波1，汪學(xué)軍2，張建權(quán)2，葉民杰2，呂強(qiáng)2

（1.中原油田物資供應(yīng)處，河南濮陽(yáng)457003；2.上海神開(kāi)石油設(shè)備有限公司，上海201114）①

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)是一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，其中水下部分的核心單元是水下控制模塊，其可靠性是最關(guān)鍵的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)。通過(guò)對(duì)當(dāng)前有代表性幾家公司產(chǎn)品的介紹，闡述了其基本組成及主要功能，對(duì)水下控制模塊的原理進(jìn)行分析，并對(duì)設(shè)計(jì)中的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)水下控制系統(tǒng)研發(fā)中重點(diǎn)關(guān)注的測(cè)試方法，為產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化提供充分的數(shù)據(jù)，降低用戶(hù)的使用風(fēng)險(xiǎn)。

水下控制模塊；水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)；應(yīng)用；設(shè)計(jì)

目前，海洋油氣田開(kāi)采所需配套核心設(shè)備包括水上與水下部分均被5家國(guó)外公司（4家美國(guó)公司Cameron、FMC、GE Oil＆Gas、Dril-Quip和1家挪威公司Aker Solutions）所壟斷。而我國(guó)也僅在南海引進(jìn)了1套水下設(shè)備，其他的設(shè)備均使用于墨西哥灣、北海海域、巴西海域和西非等海域。國(guó)內(nèi)在水下設(shè)備方面的發(fā)展速度也在加快，隨著近3 a來(lái)許多相關(guān)立項(xiàng)均得到國(guó)家及地方的政策支持，意味著該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已進(jìn)入了快車(chē)道。水下設(shè)備中的各種零配件的研發(fā)也得到國(guó)內(nèi)眾多相關(guān)廠家的關(guān)注，而水下控制模塊的研發(fā)則是水下控制系統(tǒng)研發(fā)中最核心的單元。

1　水下控制模塊的應(yīng)用分析

水下生產(chǎn)系統(tǒng)作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水下井口和生產(chǎn)系統(tǒng)的各種工作狀況，調(diào)整生產(chǎn)壓力與流量等參數(shù)，并對(duì)異常情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)及有限的應(yīng)急處理。由于生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)施置于水下數(shù)百米乃至數(shù)千米深處，距離監(jiān)控平臺(tái)也很遠(yuǎn)，對(duì)生產(chǎn)的監(jiān)控和管理完全依賴(lài)于水下控制系統(tǒng)，因而與常規(guī)的控制系統(tǒng)相比，需要選用可靠性更高、免維護(hù)或更換方便的控制產(chǎn)品，這也決定了水下部分的設(shè)施要有嚴(yán)格的質(zhì)量與壽命要求，而水下部分的核心設(shè)施單元便是水下控制模塊（SCM ）。

1.1 水下控制模塊的組成及功能

水下控制模塊（SCM）是水下控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它通過(guò)接收到上端主控制模塊MCS或地面控制信號(hào)來(lái)控制SCM內(nèi)部液壓閥件的開(kāi)啟與通斷，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)安裝于采油樹(shù)中各種功能閥的開(kāi)啟與關(guān)閉，同時(shí)將分布于采油樹(shù)及流程中的各種傳感信號(hào)集中處理后傳輸?shù)缴隙说闹骺啬KMCS中。各種信號(hào)包括采油樹(shù)中的井口壓力與溫度、閥位開(kāi)關(guān)信號(hào)、化學(xué)試劑的流量等。為了保證系統(tǒng)的可靠性，除了采用性能可靠的元件外，冗余設(shè)計(jì)也是水下控制模塊設(shè)計(jì)的一個(gè)特點(diǎn)。根據(jù)項(xiàng)目需要，水下控制模塊可能還將承擔(dān)其他區(qū)域信號(hào)的監(jiān)測(cè)與傳輸功能。

1.2 典型水下控制模塊

1.2.1 FMC公司的水下控制模塊

圖1為FMC公司的一款使用相當(dāng)成熟的水下控制模塊，它的外形通常采用圓柱形，結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，內(nèi)部的零件也分布合理。FMC公司提供的水下模塊系統(tǒng)眾多，工作水深從400～3 000 m均有成熟的產(chǎn)品，內(nèi)部控制壓力最高可達(dá)105MPa （15 000 psi）。根據(jù)項(xiàng)目要求，水下控制模塊的控制對(duì)象從1路到最多可達(dá)16路。水下電子模塊均采用雙冗余結(jié)構(gòu)，所有設(shè)備均具有標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)接口。它采用1根中間鎖緊軸的形式，利用專(zhuān)用工具和水下機(jī)器人將水下控制模塊整體安裝到水下設(shè)備上。

圖1　FMC公司的水下控制模塊

1.2.2 Aker Solution公司的水下控制模塊

圖2為Aker Solution公司雙軸鎖緊式水下控制模塊。該模塊的設(shè)計(jì)可用于2 000 m以?xún)?nèi)的水深作業(yè)，而控制對(duì)象最多可擴(kuò)展到16路，壓力最高可達(dá)69 MPa（10 000 psi）。采用雙鎖緊軸鎖緊的形式，鎖緊可靠，適合于較淺海水使用；安裝回收容易，其內(nèi)部只配1個(gè)電子模塊，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。

圖2　Aker Solution公司的水下控制模塊

1.2.3 應(yīng)用分析

各大公司目前選用的水下控制模塊以復(fù)合電液型為主，該技術(shù)目前相對(duì)最成熟并且性能也比較穩(wěn)定，內(nèi)部所配置的元件也基本成熟，在全電控型（主要是水下電控型執(zhí)行機(jī)構(gòu)）未取得顯著成效與成本優(yōu)勢(shì)前，復(fù)合電液型的水下控制模塊仍將持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間。

2　水下控制模塊設(shè)計(jì)

常規(guī)的水下控制模塊由電氣SEM、液壓閥組、電氣及液壓接頭、保護(hù)罩4部分組成，如圖3。由于整個(gè)水下控制模塊始終處于高壓下的流動(dòng)海水環(huán)境中，所以水下控制模塊的設(shè)計(jì)需要綜合考慮密封、腐蝕、定位、鎖緊、對(duì)外接口等因素。水下控制模塊通常獨(dú)立安裝在采油樹(shù)上，所以整個(gè)設(shè)計(jì)注意以下幾個(gè)要點(diǎn)：

圖3　典型的水下控制模塊

1） SCM內(nèi)的SEM和液壓閥件及外部的密封裝置要有高可靠性。

2） 水下控制模塊要有良好的可拆卸性、再安裝性。

3） 水下控制模塊的鎖緊機(jī)構(gòu)要具有良好的操作性。

2.1 相對(duì)成熟的設(shè)計(jì)工藝

在整個(gè)水下控制模塊中，并非所有的設(shè)計(jì)都是技術(shù)難點(diǎn)，每個(gè)設(shè)備均是由大部分的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及若干核心技術(shù)構(gòu)成的，對(duì)于基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)對(duì)象，研發(fā)中進(jìn)行適度關(guān)注，主要增加防腐方面的內(nèi)容即可。

2.1.1 封裝系統(tǒng)

水下控制模塊通常置于1個(gè)密封的腔室內(nèi)，該密封腔主要提供對(duì)內(nèi)部元件的一次壓力保護(hù)，內(nèi)部的元件承擔(dān)二次壓力。對(duì)于封閉系統(tǒng)，首要考慮密封、溫度、壓力、海水腐蝕和海水流動(dòng)等因素的影響，其次是安裝的便攜性及可靠性。具體體現(xiàn)在強(qiáng)度、密封、工作壓力、工作環(huán)境腐蝕等方面，其中強(qiáng)度、密封與工作壓力屬于相當(dāng)成熟的工藝，只需在各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)加入環(huán)境腐蝕因素即可，包括水下控制模塊內(nèi)部的防腐因素，防止因外密封的失效進(jìn)入海水后造成的腐蝕。

2.1.2 鎖緊裝置

該裝置在整個(gè)水下控制模塊中屬于標(biāo)準(zhǔn)件，可以根據(jù)作業(yè)方式進(jìn)行選擇即可，在選擇中主要注意水下機(jī)器人ROV操作的便利性。

2.1.3 水下控制模塊基座及耦合盤(pán)

水下控制模塊基座及耦合盤(pán)是承載各種閥件、液壓快速接頭及電氣接頭的載體，密封、強(qiáng)度、防腐（材料）及加工精度均是屬于當(dāng)前成熟的技術(shù)與工藝范疇。由于閥件眾多，大多采用板式閥塊，通道比較復(fù)雜，內(nèi)部元件布局的合理性是該部件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)方向。

2.2 核心設(shè)計(jì)

水下控制模塊的功能描述起來(lái)并不復(fù)雜，液壓及電氣方面的原理圖相對(duì)一些系統(tǒng)來(lái)說(shuō)還是比較簡(jiǎn)單的。而水下控制模塊的所有功能均是通過(guò)性能可靠的硬件和基于硬件的軟件組態(tài)實(shí)現(xiàn)的，其硬件組態(tài)主要包括水下電子模塊SEM、通信模塊、電磁換向閥和電液附屬元件。由于這些部件所處位置的特殊性及重要性，其可靠性是重要的指標(biāo)，而可靠性主要從2個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)：一是冗余性設(shè)計(jì)；二是元件本身的質(zhì)量可靠。

2.2.1 水下電氣模塊SEM

水下控制模塊的所有功能均是通過(guò)水下電氣模塊（SEM）來(lái)發(fā)出或接收指令實(shí)現(xiàn)的，SEM的組成如圖4。它的設(shè)計(jì)既涉及到冗余性設(shè)計(jì)，又涉及到所選電子元件的質(zhì)量，由于SEM空間有限，所有的功能需盡可能集成，而集成電路是一個(gè)比較好的選擇，集成電路的設(shè)計(jì)則是SEM的設(shè)計(jì)核心。

圖4　典型SCM控制原理

總體來(lái)說(shuō)，水下電子模塊SEM應(yīng)具備的功能為［8］：

1） 數(shù)字開(kāi)關(guān)量的輸出。

2） 模擬信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)化。

3） 簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理。

4） 與上位機(jī)的通信。

2.2.2 電磁換向閥

電磁換向閥（如圖5）是水下控制模塊中最重要的執(zhí)行元件，它是直接控制采油樹(shù)上各種關(guān)斷型閥門(mén)及水下節(jié)流閥的閥件，它的性能直接反應(yīng)了操作的可靠性。而對(duì)該電磁換向閥，除了要考慮到電路的冗余外，還要考慮它的功耗、散熱性。目前在水下電磁換向閥的研發(fā)上，已有多家國(guó)外公司走在前沿，已有多款符合要求的產(chǎn)品用在眾多的水下模塊中，如BIFOLD，SUBSEACOMPONENTS等公司。因此，該元件的設(shè)計(jì)主要在于選型，當(dāng)然后期的產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化中該零件也是重要研發(fā)對(duì)象。

圖5　電磁換向閥

2.2.3 水下快插接頭

深水應(yīng)用的水下快插接頭除需滿(mǎn)足其本身的快速連接功能外，還需排除在插撥過(guò)程中海水對(duì)介質(zhì)的污染。圖6是Subsea Components公司的快速接頭，此類(lèi)接頭屬于自密封結(jié)構(gòu)，分別安裝在水下控制模塊的基座及耦合盤(pán)上［4］。

圖6　液壓快插接頭

2.2.4 電纜接頭

電纜接頭在水下的應(yīng)用越來(lái)越多，根據(jù)工藝要求必須滿(mǎn)足水下直接插撥的要求，重點(diǎn)在于水中插拔時(shí)海水不能進(jìn)入插頭里影響電器系統(tǒng)的正常工作。深水用直接插撥式電纜接頭連接結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　深水用直接插撥式電纜接頭連接結(jié)構(gòu)

3　水下控制模塊的測(cè)試

水下控制模塊經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)及裝配后，除了經(jīng)過(guò)研發(fā)中的有限元分析外，在陸地上嚴(yán)格而又完備的測(cè)試是必要的。具體如以下4個(gè)方面：

1） 功能測(cè)試。各種閥的開(kāi)關(guān)測(cè)試，通訊與監(jiān)控測(cè)試，各種傳感器測(cè)試，故障自動(dòng)切換測(cè)試，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)測(cè)試。

2） 極限性能測(cè)試。液壓閥的開(kāi)關(guān)次數(shù)測(cè)試，接頭的插撥次數(shù)測(cè)試，電壓、電流負(fù)載測(cè)試，溫度測(cè)試，SEM模塊老化測(cè)試，振動(dòng)測(cè)試，腐蝕測(cè)試，壓力測(cè)試，內(nèi)泄漏測(cè)試，信號(hào)衰減、干擾測(cè)試。

3） 連接測(cè)試。各種接頭的對(duì)接測(cè)試，外部接口的操作（ROV工具）測(cè)試，SCM水下作業(yè)測(cè)試。

4） 最終聯(lián)調(diào)。包括海試。

4　結(jié)論

1） 水下控制模塊是水下控制系統(tǒng)中水下部分的最核心控制單元，也是技術(shù)含量最高的單元，它的可靠性決定了后期的維護(hù)成本，而每一次維護(hù)的直接與間接費(fèi)用均接近或超過(guò)該單元的費(fèi)用。因此，水下控制模塊的可靠性是其最關(guān)鍵的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)，所有的設(shè)計(jì)及制造均需以此為第一要素。

2） 水下控制模塊的各部分均有其常規(guī)與核心技術(shù)部分，在進(jìn)行研發(fā)時(shí)，充分利用好常規(guī)技術(shù)，適當(dāng)?shù)匾煤诵募夹g(shù)進(jìn)行消化吸收，縮短研發(fā)時(shí)間，提高研發(fā)效率。

3） 水下控制模塊是一個(gè)要求高可靠性的設(shè)備單元，為了保證這一核心要求，進(jìn)行各種完備的功能測(cè)試及性能測(cè)試是必不可少的。

［1］ 張豐功，王定亞，李磊，等.水下控制模塊的技術(shù)分析與發(fā)展建議［J］.石油機(jī)械，2013，41（6）：59-62.

［2］ 朱高磊，趙宏林，段夢(mèng)蘭，等，水下采油樹(shù)控制模塊設(shè)計(jì)要素分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（10）：1-6.

［3］ 張理.水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討［J］.中國(guó)造船，2010，51（2）：185-191.

［4］ 王俊明.測(cè)試用水下采油樹(shù)控制模塊研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

［5］ API 17D，Design and Operation of Subsea Production Systems-SubseaWellheadandTreeEquipment ［S］.2011.

TE952

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.026

1001-3482（2015）07-0101-04

①2015-03-13

李 波（1970-），男，河南項(xiàng)城人，高級(jí)工程師，主要從事油氣田項(xiàng)目管理工作。