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深水高压模拟试验舱的研制与应用
左其川1,2, 刘宏亮1,2, 雷广进1,2, 淮超2, 侯晓东1,2, 王秉武1,2, 陈叶2     
1. 国家油气钻井装备工程技术研究中心;
2. 宝鸡石油机械有限责任公司
摘要: 为了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,研制了深水高压模拟试验舱。该试验舱采用集成法兰,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;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。通过不同产品的深水高压模拟试验,证明了高压舱可模拟0~3 500 m水深的压力环境,能够满足深水环境下石油钻采装备的试验与检测。研制的深水高压模拟试验舱是一种安全可靠的多功能、综合性试验平台,可为水下装备的试验研究提供支持与评价。
关键词: 深水     高压舱     水下装备     模拟试验     水下监控    
Development and Application of Deep Water High Pressure Simulation Test Compartment
Zuo Qichuan1,2, Liu Hongliang1,2, Lei Guangjin1,2, Huai Chao2, Hou Xiaodong1,2, Wang Bingwu1,2, Chen Ye2     
1. National Engineering Research Center for Oil and Gas Drilling Equipment;
2. CNPC Baoji Oilfield Machinery Co., Ltd
Abstract: To simulate the deep water and high pressure working environment of drilling and production equipment, and to systematically test and study the pressure bearing performance, sealing performance, action performance, safety and reliability of underwater equipment, a deep water high pressure simulation test compartment has been developed.The test cabin, with integrated flange, integrates the water pressure, hydraulic, power, information, monitoring and testing, facilitating unified management, integrated control, while reducing the number of high-pressure cabin openings and improving reliability and operability.The compartment allows internal and external hydraulic pressure test and function (action) test of underwater equipment at the same time, and also allows monitoring, testing and data acquisition at the same time.The deep water high pressure simulation tests of different products have proved that the high pressure compartment could simulate the pressure environment of 0~3 500 m water depth, and could satisfy the test and detection of oil drilling equipment in deep water environment.The developed deep-water high-pressure simulation test compartment is a safe and reliable multi-functional and comprehensive test platform, which could provide support and evaluation for underwater equipment test and development.
Key words: deep water     high pressure compartment     underwater equipment     simulation test     underwater monitoring    

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。

图 1 高压舱设计方案图 Fig.1 Design plan of high-pressure compartment 1—数据采集系统;2—液控系统;3—增压系统;4—水下监控装置;5—主体总成;6—舱盖开合机构;7—水循环系统。

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。

图 2 高压舱主体总成结构示意图 Fig.2 Structural schematic of the main assembly 1—法兰螺栓;2—集成法兰;3—左封头;4—舱体;5—舱内平台;6—密封组合;7—卡箍;8—卡箍开启机构;9—舱盖;10—右封头;11—连接耳板;12—底座;13—支座。

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。

图 3 舱门开合机构示意图 Fig.3 Structural schematic of the cabin door opening and closing mechanism 1—导轨;2—平车;3—齿条;4—法兰;5—销轴;6—电机;7—减速箱;8—传动箱。

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。

图 4 水下监控装置结构示意图 Fig.4 Structural schematic of the underwater monitoring device 1—摄像头或照明灯;2—耐高压玻璃罩;3—压紧环;4—壳体;5—后盖;6—密封堵头。

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。

图 5 液压连接器外压功能试验照片 Fig.5 External pressure functional test of hydraulic connector

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。

图 6 水下闸阀驱动器外压试验 Fig.6 External pressure test of underwater gate valve drive

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。

参考文献
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[12] 刘秀全, 李家仪, 任克忍, 等. 基于反冲响应的深水钻井隔水管张紧力计算方法[J]. 石油钻探技术, 2016, 44(4): 47–51.

文章信息

左其川, 刘宏亮, 雷广进, 淮超, 侯晓东, 王秉武, 陈叶
Zuo Qichuan, Liu Hongliang, Lei Guangjin, Huai Chao, Hou Xiaodong, Wang Bingwu, Chen Ye
深水高压模拟试验舱的研制与应用
Development and Application of Deep Water High Pressure Simulation Test Compartment
石油机械, 2017, 45(5): 52-56
China Petroleum Machinery, 2017, 45(5): 52-56.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2017.05.010

文章历史

收稿日期: 2016-12-02

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