2. 宝鸡石油机械有限责任公司
2. CNPC Baoji Oilfield Machinery Co., Ltd
0 引言
目前我国还不具备独立在深海海域进行油气开发的能力,其主要原因之一就是国内深海油气钻采装备技术落后,仍处于起步阶段。因此,在深海油气领域,有必要建立一个用于水下装备研究与试验的技术平台,以保障钻采装备在深水海洋环境下的安全性和可靠性。为促进我国油气钻井装备制造行业发展,尤其是海洋水下装备的自主创新能力,国家科技部批准了依托宝鸡石油机械有限责任公司组建“国家油气钻井装备工程技术研究中心”(以下简称工程中心)的项目,并列入科技部2011年度国家工程技术研究中心组建计划。作为工程中心的重点建设项目之一的深水高压模拟试验舱(以下简称高压舱),则用于模拟钻采装备的深水高压工作环境,并对水下装备的承压性能、密封性能、动作(功能)性能、安全性和可靠性等进行系统性试验与研究。高压舱与国内外同类型的试验装置相比,具有安全可靠、试验压力高、内腔容积大、功能齐全、应用范围广、数据采集可靠以及试验过程可视化等特点,可为我国水下钻采装备模拟试验提供一个良好的试验平台[1-6]。
1 技术方案 1.1 结构及功能高压舱采用卧式安装,施行人机分离,通过远程控制进行操作,有效保障人员安全,其结构如图 1所示,主要包括主体总成、舱门开合机构、增压系统、水下液控系统、数据采集系统、水下监控系统和水循环系统等。其中,主体总成用于试件的安装、连接与试验等;舱门开合机构用于舱门的开启和关闭;增压系统用于水下装备的外压试验和内压试验;水下液控系统为深水高压工况下的水下装备提供液压动力源;数据采集系统用于试验过程中的各种水压、液压、应变及温度等数据的采集和处理;水下监控装置用于高压舱内的照明、图像收集和视频监控;水循环系统用于高压舱内试验用水的注入与排放。
1.2 主要技术参数
高压舱有效容腔为ϕ2.5 m×5.0 m,模拟水深3 500 m,模拟井压(内压)0~140 MPa,水下液控压力70 MPa,水下耐高压摄像头4台,水下耐高压照明灯4盏,摄像头和照明灯耐压35 MPa。
2 关键部件设计 2.1 主体总成高压舱主体总成如图 2所示,它由舱体、舱盖、封头、人孔、集成法兰、卡箍、卡箍开启机构、密封组合及舱内平台等组成。
舱体和舱盖均采用锻件加工而成;左、右封头采用钢板冲压成型后与舱体和舱盖焊接,其中右封头上焊有安装用的底座和耳板;左封头设有人孔和集成法兰。试验时,所有的水压、液压、电源、数据和通信等均通过人孔和集成法兰进行传输。舱体和舱盖间采用卡箍连接的结构形式,卡箍分为4瓣,分别安装在架体上,利用油缸伸缩进行关闭或伸缩,试验时4瓣卡箍之间须用螺栓连接,防止卡箍松脱。高压舱舱体和舱盖间采用径向组合密封,舱内设有舱内平台,它随舱盖的开合而伸出或缩进,用于试件的安装、连接与试验。
2.2 舱门开合机构舱门开合机构如图 3所示,它由导轨、平车、齿条、法兰、销轴、电机、减速箱和传动箱等组成。工作时,电机为动力源,通过减速箱、传动箱和齿条等传动系统,驱动平车沿导轨运动,从而实现舱门的开启与关闭。
2.3 水下监控装置
水下监控装置包括水下耐高压摄像头和水下耐高压照明灯,其结构如图 4所示。
水下耐高压摄像头和水下耐高压照明灯的结构形式相同,均为宝鸡石油机械有限责任公司自主研发。它由耐高压玻璃罩、压紧环、壳体、后盖和密封堵头等组成,形成了一个独立的密封容器。普通摄像头或普通照明灯安装在密封容器内,形成了耐压、防水的监控单元;摄像头或照明灯的电源线、数据线和控制线等从后盖引出并密封,再与高压舱控制台连接,通过电脑终端控制。
3 关键设备选型及主要技术特点 3.1 增压系统增压系统包括外部加压装置和内部加压装置,二者均采用气动增压泵作为动力源,气源压力为0.2~1.0 MPa,其中,外部加压泵的额定工作压力为52.0 MPa,排量25.0 L/min;内部加压泵的额定工作压力为150.0 MPa,排量0.8 L/min。
3.2 水下液控系统水下液控系统采用电驱液压泵,额定工作压力为80.0 MPa,排量20.0 L/min,可为深水压力环境下的水下装备提供液压动力。
3.3 数据采集系统数据采集系统包括内、外水压数据采集、液压数据采集、温度数据采集和应力应变采集等。其中外压、内压及液压均采用压力传感器和压力表采集数据,量程分别为0~60 MPa、0~160 MPa、0~100 MPa;温度采集单元为2处,位于高压舱的上、下两端,测试温度范围为-20~60 ℃;应力应变数据采集系统拥有32个应力应变测试点,可同时、实时采集水下装备的受力状况。
3.4 视频监视系统视频监视系统包括舱内视频监控和舱外视频监控,其中舱内视频监控为自主开发,设有4台,可随意停放;舱外视频监控也设有4台,安装在各监控点。视频监视系统实现了对试压区域全方位的监控,保障了人员和设备的安全。
3.5 其他设备试验地坑内安装高压舱,地坑尺寸为16.0 m×6.6 m×5.0 m(长×宽×深),地坑周围设有声光报警系统、安全防护栏和警示牌;高压舱控制房分为控制间和设备间,设备间用于安装设备与仪器,控制间用于试验的操作和监控,实现人机分离。水循环系统选用潜水泵,扬程30 m,排量300 L/min。
3.6 主要技术特点(1) 采用集成法兰,将水压、液压、电源、信息、监控和测试等集于一体,便于统一管理,集成控制,同时减少高压舱的开口数量,提高可靠性和操作性。
(2) 可对水下装备同时进行内、外水压试验和功能(动作)试验,可同时进行监控、测试和数据采集等。
(3) 自制水下耐高压摄像头和水下耐高压照明灯,可在黑暗、密闭和高压的恶劣工况下实现试验全程的实时照明、监控和记录。
4 试验情况 4.1 海底输油管外压测试2016年3月20日,项目组采用高压舱完成了海底输油管的外压静态试验与应力测试。该试验用于研究海底输油管在3 500 m深水高压环境下的受力情况,以及管材的应力变化和变形过程。试验期间,高压舱内压力稳定;水下视频系统全程实时监控,且图像清晰;应力应变数据采集系统实时采集应力变化;高压舱各项辅助设备工作正常。最终,试验取得圆满成功。
4.2 液压连接器水下功能试验2016年4月3日,项目组采用高压舱完成了中石油装备制造分公司项目“海洋锁块式井口液压连接器研制”的外压功能试验[7-8],试验照片如图 5所示。
试验时,高压舱为液压连接器模拟了1 600 m深水压力环境,并同时进行了内压试验和锁块功能试验。试验测试了液压连接器的密封性能、受力性能,以及锁块的连接、锁紧及解锁功能。
4.3 水下卧式采油树关键部件外压试验2016年4月8日,项目组采用高压舱完成了国家863计划项目“水下卧式采油树系统研制(2012AA09A204)”中水下闸阀驱动器的外压测试与研究,试验照片如图 6所示。
水下闸阀驱动器在高压舱内进行了2 000 m水深的外部压力测试,并在此压力环境下,通过远程液压控制操作水下闸阀驱动器阀门开关,验证了水下闸阀驱动器的可靠性与安全性。
4.4 隔水管浮筒耐压测试2016年4—5月,项目组采用高压舱先后2次完成了合同产品海洋钻井隔水管浮筒的耐压测试,成功测试了浮筒的材料变化,检测浮筒在试验前、后的吸水率、体积变化及浮力损失率等[9-12]。
该试验需要高压舱提供10 MPa的恒定压力,在此压力下的试验时间不得短于24 h。由于浮筒材料吸水,所以试验期间须随时补压,保持压力稳定;另外,浮筒可能存在压溃或体积变化等现象,因此试验过程须实时监控,实时记录试验状态。
5 结论(1) 高压舱可模拟0~3 500 m水深的压力环境,并在此压力环境下同时开展内压试验、功能(动作)试验和应力应变检测等,满足深水油气钻采装备的研发要求。
(2) 高压舱可全程采集和处理水压、液压及温度等试验数据,实时监控和监视水下装备的密封、受力及变形等试验状态。
(3) 高压舱成功完成了各项复杂工况下的模拟试验,且内、外压力稳定,检测数据准确,水下监控图像清晰,证明该试验装置是一种安全可靠的多功能、综合性试验平台。
(4) 高压舱作为主要的试验装备,可为行业提供相应的技术服务,为水下装备的试验研究提供支持与评价。
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