張錚一 馬建強(qiáng) 張家珍 李楠 劉秀紅

摘 要 針對(duì)國產(chǎn)水下控制模塊的構(gòu)成、原理和功能需求，總結(jié)了一套適用于國產(chǎn)水下控制模塊的出廠測試技術(shù)，重點(diǎn)對(duì)測試項(xiàng)目的技術(shù)方法和要點(diǎn)進(jìn)行說明，為深水海洋工程裝備的建造與測試提供參考。

關(guān)鍵詞 水下控制模塊 電液復(fù)合 出廠測試

中圖分類號(hào) TP273? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B? ?文章編號(hào) 1000?3932（2023）03?0387?05

作者簡介：張錚一（1987-），工程師，從事海洋石油裝備設(shè)計(jì)與制造工作，zhangzhy36@cooec.com.cn。

引用本文：張錚一，馬建強(qiáng)，張家珍，等.電液復(fù)合型控制系統(tǒng)水下控制模塊的出廠測試技術(shù)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2023，50（3）：387-391.

水下控制模塊（Subsea Control Module，SCM）在海洋油氣資源開發(fā)中應(yīng)用廣泛。SCM出廠測試是水下控制系統(tǒng)集成測試之前非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，SCM的測試結(jié)果需符合API 17F［1］的相關(guān)要求，是水下生產(chǎn)系統(tǒng)安全、平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的保證。同時(shí)，通過SCM的出廠測試可以驗(yàn)證水下生產(chǎn)系統(tǒng)的性能是否滿足規(guī)范及工程設(shè)計(jì)要求，確保設(shè)備在設(shè)計(jì)生命周期內(nèi)安全可靠地工作。

1 SCM簡介

SCM主要由水下電子模塊（Subsea Eletronic Module，SEM）、蓄能器、鎖緊機(jī)構(gòu)及補(bǔ)償器等組成，如圖1所示。

復(fù)合電液控制系統(tǒng)的水上設(shè)備有液壓動(dòng)力單元、電力單元、不間斷電源、主控站和水上臍帶纜終端等；水下設(shè)備包括臍帶纜、水下控制模塊、水下分配單元、跨接軟管及跨接纜等。復(fù)合電液控制系統(tǒng)具有控制距離長、功能靈活、響應(yīng)時(shí)間短、安全事故處理能力強(qiáng)、水下控制設(shè)備和水上監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)雙向通信的特點(diǎn)［2，3］。

SCM的主要功能是實(shí)現(xiàn)水下采油樹的控制和監(jiān)測。控制功能包括執(zhí)行MCS下達(dá)的采油樹閥門操作指令、執(zhí)行MCS下達(dá)的井下閥門操作指令。監(jiān)測功能包括井下壓力、溫度，生產(chǎn)通道溫度、壓力，SCM液壓源壓力、SCM輸出回路壓力、SCM控制液流量、SEM內(nèi)部各卡件狀態(tài)及SEM內(nèi)部壓力和溫度等參數(shù)。

2 測試目的及范圍

SCM出廠測試的目的是驗(yàn)證SCM系統(tǒng)性能是否滿足規(guī)范及特定要求，確保設(shè)備在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)安全可靠地工作。

測試內(nèi)容主要包括SCM的機(jī)械接口、壓力完整性、清潔度、通信功能以及電液功能是否正確。

3 出廠測試內(nèi)容

依據(jù)API 17F標(biāo)準(zhǔn)，SCM出廠測試內(nèi)容主要包括：機(jī)械接口測試、供電和絕緣測試、靜壓測試、蓄能器預(yù)充及檢查、液壓換向閥內(nèi)漏測試、液壓換向閥功能測試、閥門功能測試、壓力變送器測試、電控測試、清潔度測試和密封測試。SCM測試設(shè)備組成如圖2所示。

3.1 機(jī)械接口測試

主要測試SCM液壓插頭和電氣插頭能否完好對(duì)接，鎖緊機(jī)構(gòu)能否順利鎖緊和解鎖（注：解鎖試驗(yàn)可在試驗(yàn)過程中需要移除SCM時(shí)進(jìn)行，無需單獨(dú)進(jìn)行），此項(xiàng)測試過程禁止帶壓操作。

機(jī)械接口測試包括：SCM底部與水下控制模塊安裝基座（Subsea Control Module Mounted Base，SCMMB）接口對(duì)接功能測試；鎖緊機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)鎖緊的圈數(shù)及扭矩測試；鎖緊機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)解鎖的圈數(shù)及扭矩測試。

3.2 供電與絕緣測試

主要是確保在SCM供電之前，測試供電設(shè)備的輸出電壓在規(guī)定范圍，SCM供電接口的絕緣值滿足要求。步驟如下：

a. 用絕緣電阻測試儀分別測試SCM頂部電連接器的絕緣電阻，要求絕緣值不小于1 GΩ；

b. 用萬用表測試供電設(shè)備的供電電壓。

3.3 靜壓測試

主要確定液壓管線接頭強(qiáng)度，測試時(shí)需確認(rèn)SCM液壓系統(tǒng)內(nèi)壓力變送器、蓄能器、回油補(bǔ)償器從系統(tǒng)中隔離。參數(shù)如下：

a. 低壓回路測試壓力7 500 psi（其中，1 psi=6.894 757 kPa）；

b. 高壓回路測試壓力15 000 psi；

c. 回油回路測試壓力2 200 psi。

3.4 蓄能器預(yù)充及檢查

如果SCM使用蓄能器，那么在測試前必須保證蓄能器已經(jīng)按照要求預(yù)充一定壓力的氮?dú)?。參?shù)如下：

a. 低壓蓄能器預(yù)充氮?dú)鈮毫? 600 psi；

b. 高壓蓄能器預(yù)充氮?dú)鈮毫? 400 psi。

3.5 液壓換向閥內(nèi)漏測試

主要驗(yàn)證DCV閥內(nèi)泄漏情況，可選擇性地在液壓換向閥安裝之前進(jìn)行?；贗SO 13628—6和API 17F標(biāo)準(zhǔn)，SCM內(nèi)部泄漏試驗(yàn)的要求如下：

a. 測試壓力，SCM的設(shè)計(jì)壓力；

b. 測試范圍，SCM的所有液壓回路；

c. 保壓時(shí)間，10 min。

3.6 液壓換向閥功能測試

3.6.1 梭閥功能測試

目的是驗(yàn)證梭閥能否正確操作。要測試梭閥的功能及系統(tǒng)液壓管路切換功能，首先需測試LP回路，然后再測試HP回路。

通過回路LP?1向液壓系統(tǒng)的低壓系統(tǒng)打入5 000 psi的壓力，觀測SCM的液壓輸入壓力值，驗(yàn)證供給壓力正確。打開低壓系統(tǒng)的某一個(gè)DCV，觀測SCM試驗(yàn)臺(tái)的壓力，確認(rèn)閥門開啟。給回路LP?2打入5 000 psi的壓力，降低回路LP?1的輸入壓力到0，觀測SCM試驗(yàn)臺(tái)的壓力，確認(rèn)閥門保持開啟。逐漸降低回路LP?2的壓力到0，觀測SCM試驗(yàn)臺(tái)的壓力，確認(rèn)閥門關(guān)閉。驗(yàn)證低壓系統(tǒng)的梭閥切換功能。

通過回路HP?1向液壓系統(tǒng)的高壓系統(tǒng)打入

10 000 psi的壓力，觀測SCM的液壓輸入壓力值，驗(yàn)證供給壓力正確。打開高壓系統(tǒng)的某一個(gè)DCV，觀測SCM試驗(yàn)臺(tái)的壓力，確認(rèn)閥門開啟。給回路HP?2打入10 000 psi的壓力，降低回路HP?1的輸入壓力到0，觀測SCM試驗(yàn)臺(tái)的壓力，確認(rèn)閥門保持開啟。逐漸降低HP?2的壓力到0，觀測SCM試驗(yàn)臺(tái)的壓力，確認(rèn)閥門關(guān)閉。驗(yàn)證高壓系統(tǒng)的梭閥切換功能。

3.6.2 DCV閥最小壓力及解鎖壓力測試

目的是驗(yàn)證所有DCV閥在規(guī)定的最小先導(dǎo)和供應(yīng)壓力下的工作能力。包括：測試系統(tǒng)最小壓力90 bar（1 bar=100 kPa）時(shí)DCV閥是否能開啟；慢慢降低系統(tǒng)壓力，測試在30～60 bar時(shí)DCV閥是否關(guān)閉。

3.6.3 DCV閥功能測試

目的是驗(yàn)證所有DCV閥的開啟和關(guān)閉功能，先用SEM A測試，再用SEM B測試，最后用雙SEM測試。參數(shù)如下：

a. 低壓測試壓力5 000 psi；

b. 高壓測試壓力10 000 psi。

3.6.4 用于控制節(jié)流閥的DCV閥功能測試

目的是驗(yàn)證控制節(jié)流閥的DCV閥功能，先用SEM A測試，再用SEM B測試，最后用雙SEM測試。測試要求如下：

a. 測試壓力5 000 psi；

b. DCV閥通電時(shí)間10 s。

3.7 閥門功能測試

3.7.1 液控閥門功能測試

目標(biāo)氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)中，在水下管匯和水下采油樹中的液控閥門，都需要在工藝管線無壓力的工況下進(jìn)行閥門開關(guān)測試。

在MCS中，屏蔽所有報(bào)警信號(hào)后，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有液控閥門進(jìn)行開關(guān)測試。其中，需分別對(duì)SCM中的SEM A和SEM B進(jìn)行測試，同時(shí)應(yīng)針對(duì)系統(tǒng)LP/HP A和LP/HP B進(jìn)行分別測試，以驗(yàn)證系統(tǒng)的兩個(gè)控制模塊和4路液壓輸出共計(jì)4種方式（方式一，SEM A+LP/HP A；方式二，SEM A+LP/HP B；方式三，SEM B+LP/HP A；方式四，SEM B+LP/HP B），均可對(duì)液控閥進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作。閥門開啟的時(shí)間與效果需滿足閥門FAT同等測試的要求。

3.7.2 PCV控制閥功能測試

此項(xiàng)測試需要保證兩個(gè)SEM均處于通電狀態(tài)。液壓源可以先選擇LP1，然后再切換至LP2。步驟如下：

a. 打開PCV（O）控制閥并保持供電，觀察對(duì)應(yīng)回路狀態(tài)，供電期間PCV（O）控制閥應(yīng)保持在開啟狀態(tài)，回路中壓力變送器讀數(shù)應(yīng)與LP輸入回路中壓力變送器讀數(shù)一致；

b. 關(guān)閉PCV（O）控制閥，回路中壓力變送器讀數(shù)應(yīng)降為0；

c. 打開PCV（C）控制閥并保持供電，觀察對(duì)應(yīng)回路狀態(tài)，供電期間PCV（C）控制閥應(yīng)保持在開啟狀態(tài)，回路中壓力變送器讀數(shù)應(yīng)與LP輸入回路中壓力變送器讀數(shù)一致；

d. 關(guān)閉PCV（C）控制閥，回路中壓力變送器讀數(shù)應(yīng)降為0。

3.8 壓力變送器測試

此項(xiàng)測試需保證兩個(gè)SEM均處于通電狀態(tài)，確保各回路輸出口已經(jīng)被封堵，具備保壓條件。

3.8.1 壓力變送器零點(diǎn)測試

將校準(zhǔn)好的壓力表安裝到LP、HP回路上。

回路未增壓時(shí)，SCM變送器讀數(shù)為初始值，記錄壓力變送器的讀數(shù)。

3.8.2 LP和HP回路壓力變送器測試

打開LP輸出，使LP輸入回路的壓力增加至5 000 psi，SCM LP輸入回路變送器壓力顯示值將從0增至5 000 psi，記錄此時(shí)壓力表與壓力變送器的讀數(shù)。打開HP輸出，使HP輸入回路壓力增至10 000 psi，SCMHP輸入變送器壓力顯示值將從0增至10 000 psi，記錄此時(shí)壓力表與壓力變送器的讀數(shù)。確認(rèn)此時(shí)其他未增壓回路壓力變送器壓力顯示值為0。

打開SCM所有輸出功能電磁閥，測試對(duì)接盤上對(duì)應(yīng)壓力表顯示的輸出壓力，SCM內(nèi)LP各輸出回路變送器壓力顯示值為5 000 psi，HP各輸出回路變送器壓力顯示值為10 000 psi，記錄此時(shí)壓力變送器的讀數(shù)。關(guān)閉所有電磁閥，待壓力穩(wěn)定后，各回路壓力值應(yīng)降為0，記錄此時(shí)壓力變送器的讀數(shù)。

測試過程將記錄與校準(zhǔn)好的壓力表讀數(shù)比較，變送器和壓力表值應(yīng)當(dāng)在精度允許范圍內(nèi)波動(dòng)。壓力變化時(shí)，變送器和壓力表的值同步波動(dòng)。

3.8.3 回油路壓力變送器測試

在HP回路與LP回路有壓力的情況下，緩慢給回油路增壓至1 500 psi。

測試對(duì)接盤上對(duì)應(yīng)壓力表顯示的輸出壓力，回油路變送器壓力顯示值為1 500 psi，記錄此時(shí)壓力表與壓力變送器的讀數(shù)。

泄放回油路中的液壓油，待壓力穩(wěn)定后，測試對(duì)接盤上壓力表及回油回路變送器壓力顯示值為0。

測試過程中將記錄與測試對(duì)接盤上壓力表讀數(shù)進(jìn)行比較，變送器和壓力表值應(yīng)當(dāng)在其精度允許范圍內(nèi)波動(dòng)，壓力變化時(shí)，變送器和壓力表的值應(yīng)同步波動(dòng)。

3.9 電控測試

3.9.1 通信測試

電力載波通信測試。通過測試電源模塊（內(nèi)含電力載波模塊）、電腦（安裝有軟件Modscan）和RS232到RS485轉(zhuǎn)換器分別對(duì)兩個(gè)SEM的電力載波通信進(jìn)行測試，驗(yàn)證兩個(gè)SEM的電力載波通信功能。

光纖通信測試。通過電子測試單元（內(nèi)含光電模塊）對(duì)兩個(gè)SEM的光纖通信進(jìn)行測試，驗(yàn)證兩個(gè)SEM的光纖通信功能。

3.9.2 信號(hào)采集測試

SEM內(nèi)部信號(hào)采集功能測試。通過電子測試單元分別與兩個(gè)SEM進(jìn)行通信，通過信號(hào)發(fā)生裝置分別給兩個(gè)SEM發(fā)送4～20 mA模擬信號(hào)，對(duì)兩個(gè)SEM的內(nèi)部各個(gè)模擬傳感器（電壓傳感器、電流傳感器、溫濕度傳感器和壓力傳感器）的采集功能進(jìn)行測試，驗(yàn)證模擬信號(hào)的采集精度。

SCM內(nèi)部信號(hào)采集功能測試。通過電子測試單元分別與兩個(gè)SEM進(jìn)行通信，通過信號(hào)發(fā)生裝置分別給兩個(gè)SEM發(fā)送4～20 mA模擬信號(hào)，對(duì)兩個(gè)SEM的外部各個(gè)模擬傳感器的采集功能進(jìn)行測試，驗(yàn)證模擬信號(hào)的采集精度。

井下溫壓傳感器信號(hào)采集功能測試。通過電子測試單元與兩個(gè)SEM進(jìn)行通信，通過井下溫壓傳感器模擬器發(fā)送井下溫壓信號(hào)，對(duì)兩個(gè)SEM的井下溫壓傳感器的采集功能進(jìn)行測試，驗(yàn)證井下信號(hào)的采集精度。

SCM外部串行（Modbus）信號(hào)采集功能測試。通過電子測試單元分別與兩個(gè)SEM進(jìn)行通信，通過信號(hào)發(fā)生裝置分別給兩個(gè)SEM發(fā)送Modbus RTU模擬信號(hào)，對(duì)兩個(gè)SCM的外部串行（Modbus）傳感器采集功能進(jìn)行測試，驗(yàn)證Modbus RTU信號(hào)的采集精度。

SCM外部串行（CANopen）信號(hào)采集功能測試。通過電子測試單元與兩個(gè)SEM進(jìn)行通信，通過信號(hào)發(fā)生裝置同時(shí)給兩個(gè)SEM發(fā)送CANopen模擬信號(hào)，對(duì)兩個(gè)SCM的外部串行（CANopen）傳感器采集功能進(jìn)行測試，驗(yàn)證CANopen信號(hào)的采集精度。

3.9.3 SCM閥門控制功能測試

電子測試單元與兩個(gè)SEM進(jìn)行通信，通過控制信號(hào)測試模塊對(duì)兩個(gè)SEM的控制功能進(jìn)行測試，驗(yàn)證SEM的每個(gè)控制功能。

3.9.4 電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)靈敏度試驗(yàn)

基于ISO 13628—6標(biāo)準(zhǔn)和API STD 17F標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)SEM的電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)靈敏度試驗(yàn)要求的如下：

a. 電力系統(tǒng)靈敏度試驗(yàn)內(nèi)容包括，在電源最低供電輸入電壓情況下測試SEM的所有功能，在電源最高供電輸入電壓情況下測試SEM的所有功能。

b. 通信系統(tǒng)靈敏度試驗(yàn)包括，電力載波通信系統(tǒng)靈敏度測試，即通過電力載波衰減器對(duì)SEM的電力載波通信線路進(jìn)行干擾衰減，在規(guī)定的最大衰減參數(shù)條件下，接收端可正確接收，且?guī)瑏G失率應(yīng)低于1%；光纖通信系統(tǒng)靈敏度測試，通過光纖衰減器對(duì)SEM的光纖通信線路進(jìn)行干擾衰減，在規(guī)定的最大衰減參數(shù)條件下，接收端可正確接收，且?guī)瑏G失率應(yīng)低于1%。

3.10 清潔度測試

FAT程序均做完且滿足技術(shù)要求之后，需要對(duì)系統(tǒng)的清潔度進(jìn)行檢測。從回路出口取樣進(jìn)行清潔度檢測，確認(rèn)清潔度滿足SAE AS4059 6B?F或以上的要求。

3.11 密封測試

3.11.1 高壓測試

此項(xiàng)測試應(yīng)該在最終FAT測試前完成，測試前必須將SCM內(nèi)部清洗干凈，必須保證所有測試設(shè)備的清潔。

測試前檢查確認(rèn)頂蓋及底盤上的接頭、閥門等無損壞且正確安裝。

SCM安裝到壓力艙，連接電線和液壓線，高低壓供給線充壓，確?；赜途€充滿液壓油，向壓力艙充水，將SCM暴露在1.1倍SCM工作環(huán)境壓力中（由SCM的設(shè)計(jì)水深確定）。測試時(shí)，在合適的時(shí)間間隔記錄水溫和水壓。保持設(shè)計(jì)水深確定的環(huán)境壓力12 h，重新測試SEM通信。

3.11.2 殼體密封測試和充油

SCM殼體密封測試的目的是驗(yàn)證模塊外殼是否密封，然后用補(bǔ)償液填充，使其處于適合海底布署的狀態(tài)。SCM殼體密封測試通常只執(zhí)行一次，即在內(nèi)部測試之后的原始構(gòu)建階段和最終驗(yàn)收測試之前。只有在外殼完整性受損或部分補(bǔ)償液已被移除或排出的情況下才需要使用。

確認(rèn)SCM內(nèi)部表面完全干燥，所有碎片和流體痕跡都已清除。從SCM排氣閥位置向內(nèi)部充氮?dú)?，將外殼加壓，然后把排氣閥安裝上閥帽。移除氮?dú)庠?，隔離外殼，確認(rèn)SCM外殼內(nèi)的壓力沒有下降，并且沒有發(fā)現(xiàn)泄漏。

4 結(jié)束語

結(jié)合SCM的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)SCM出廠接收測試流程及技術(shù)方法和要點(diǎn)進(jìn)行了說明，為國內(nèi)SCM出廠測試相關(guān)工作提供參考。

對(duì)于SCM，國內(nèi)下一階段的工作是，逐步掌握SCM設(shè)計(jì)、制造、測試技術(shù)，加快水下控制系統(tǒng)、水下電子模塊、水下閥門等關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化技術(shù)研究，力爭在不久的將來打破國外壟斷，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化，服務(wù)于國家海洋能源開發(fā)事業(yè)，早日實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ API Standard 17F.Standard for Subsea Production Contorl Systems：API 17F［S］.American，American Petrole? um Institute，2017.

［2］ 安維崢，孫欽，左信，等.水下電液復(fù)合控制系統(tǒng)方向控制閥技術(shù)現(xiàn)狀［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2023，50（1）：1-9；43.

［3］ 左信，岳元龍，段英堯，等.水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)綜述［J］.海洋工程裝備與技術(shù)，2016，3（1）：58-66.

（收稿日期：2022-10-31，修回日期：2023-04-14）