水下采油树闸阀及连接器关键测试技术及应用.pdf

水下采油树闸阀及连接器关键测试技术及应用 刘 晓1,2,张 宁1,2,朱 伟3,李 森1,2,刘程程1,2,熊 涛3,李泽邦1,2(1.青岛海洋工程水下设备检测有限公司,山东青岛 2 6 6 2 3 7;2.国家海洋设备质量检验检测中心(山东),山东青岛 2 6 6 2 3 7;3.重庆前卫科技集团有限公司,重庆 4 0 1 1 2 2)摘要 作为水下采油树系统的关键部件,水下阀门和井口连接器面临着极其复杂的海洋服役环境,必须经过测试验证其能够满足相关标准和规范规定的开启、关闭、锁紧、解锁、密封、承压、承载等性能要求。为充分模拟水下低温高压及复合加载的额定水深工况,研究了基于A P I S p e c 1 7 D、A P I S p e c 6 A标准的水下闸阀和液压井口连接器的关键测试技术,提出了一套复合测试的方法程序和测试系统,并顺利完成了对国产化装备的实验室测试应用。关键词 水下采油树;闸阀;井口连接器;额定水深;复合工况;测试方法;应用中图分类号:T E 9 5 2 文献标志码:A 文章编号:2 0 9 5 7 2 9 7(2 0 2 3)0 0 6 1 0 6d o i:1 0.1 2 0 8 7/o e e t.2 0 9 5-7 2 9 7.2 0 2 3.0 2.1 0K e y T e s t i n g T e c h n o l o g i e s a n d A p p l i c a t i o n o f G a t e V a l v e a n d C o n n e c t o r U s e d i n S u b s e a C h r i s t m a s T r e eL I U X i a o1,2,Z HA N G N i n g1,2,Z HU W e i3,L I S e n1,2,L I U C h e n g c h e n g1,2,X I O N G T a o1,2,L I Z e b a n g1,2(1.Q i n g d a o M a r i n e E n g i n e e r i n g a n d S u b s e a E q u i p m e n t I n s p e c t i o n a n d T e s t i n g C o.,L t d.,Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 2 3 7,C h i n a;2.N a t i o n a l C e n t e r f o r M a r i n e E q u i p m e n t Q u a l i t y I n s p e c t i o n&T e s t i n g(S h a n d o n g),Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 2 3 7,C h i n a;3.C h o n g q i n g q i a n w e i t e c h n o l o g i e s g r o u p C o.,L t d.,C h o n g q i n g,4 0 1 1 2 2,C h i n a)A b s t r a c t A s t h e k e y c o m p o n e n t s o f t h e s u b s e a C h r i s t m a s t r e e s y s t e m,u n d e r w a t e r v a l v e s a n d w e l l h e a d c o n n e c t o r s a r e f a c e d w i t h e x t r e m e l y c o m p l e x m a r i n e s e r v i c e e n v i r o n m e n t,a n d m u s t b e t e s t e d t o v e r i f y t h a t t h e y c a n m e e t t h e p e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t s o f r e l e v a n t s t a n d a r d s a n d s p e c i f i c a t i o n s f o r o p e n i n g,c l o s i n g,l o c k i n g,u n l o c k i n g,s e a l i n g,p r e s s u r e b e a r i n g,l o a d b e a r i n g,e t c.I n o r d e r t o f u l l y s i m u l a t e t h e w o r k i n g c o n d i t i o n s o f u n d e r w a t e r l o w t e m p e r a t u r e a n d h i g h p r e s s u r e a s w e l l a s t h e r a t e d w a t e r d e p t h u n d e r c o m b i n e d l o a d i n g,t h e k e y t e s t i n g t e c h n o l o g i e s o f u n d e r w a t e r g a t e v a l v e s a n d h y d r a u l i c w e l l h e a d c o n n e c t o r s b a s e d o n A P I S p e c 1 7 D a n d A P I S p e c 6 A s t a n d a r d s w e r e s t u d i e d;a s e t o f c o m b i n e d t e s t i n g m e t h o d s,p r o c e d u r e s a n d t e s t i n g s y s t e m s w e r e p r o p o s e d;a n d t h e l a b o r a t o r y t e s t i n g a p p l i c a t i o n o f d o m e s t i c e q u i p m e n t w a s s u c c e s s f u l l y c o m p l e t e d.K e y w o r d s s u b s e a c h r i s t m a s t r e e;g a t e v a l v e;w e l l h e a d c o n n e c t o r;r a t e d w a t e r d e p t h;c o m p o s i t e w o r k i n g c o n d i t i o n;t e s t m e t h o d;a p p l i c a t i o n0 引 言水下生产系统日益成为海洋油气资源开发的主要模式之一。采油树作为水下生产系统的重要设备,其工作性能会对整个水下油气生产状况产生直接影响1。水下采油树主要由井口连接器、油管悬挂器、顶部/内部堵塞器、树帽、树体、阀门以及各类通路等系统部件组成2。目前,国内已成功研发作者简介:刘晓(1 9 9 4),女,硕士研究生,工程师,主要从事海洋工程装备测试与评估方面的研究。E-m a i l:l i u x i a o_t a r g e t 1 6 3.c o m。第1 0卷 第2期 2 0 2 3年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E QU I P ME N T A N D T E C HN O L O G YV o l.1 0,N o.2J u n.,2 0 2 36 2 海洋工程装备与技术第1 0卷出了从浅水到深水的国产化水下采油树系统,并在我国南海、渤海等油气田应用3、4。水下阀门和井口连接器作为水下采油树系统的关键部件,不仅承受着内部油气冲蚀,还承受着外部高压、低温以及强腐蚀等复杂环境的影响。因此,其在投入使用之前必须进行一系列测试,以验证产品能否满足额定工作条件的要求。目前,国内发布的G B/T 2 1 4 1 2系列标准与I S O 1 3 6 2 8系列、A P I 1 7系列标准要求基本一致。国际标准中存在的问题,国标中依旧存在,即标准中关于水下阀门在内外压复合测试、连接器载荷测试规定不详细,缺少具体的试验项目、试验程序及验收准则,指导意义不足。因此,本文介绍了基于美国石油协会标准A P I S p e c 1 7 D5、A P I S p e c 6 A6的水下闸阀和液压井口连接器的实验室测试技术,围绕低温高压及复合加载等额定水深工况,提出了一套复合测试的方法程序和测试系统,并完成了国产化装备的测试应用。1 水下采油树闸阀测试技术研究国产水下采油树闸阀主要包括手动平板闸阀和液压驱动平板闸阀,结构如图1所示。为验证服役工况下的阀门性能,需要开展额定水深情况下的综合测试7。其中,手动闸阀依次进行扭矩测量试验、内外压循环启闭动态试验、外部保压试验。液压驱动平板闸阀的测试过程与手动闸阀基本一致,其主要不同在于闸阀开启方式不同。液动阀门测试的是驱动器开启力。下面以手动闸阀测试程序为例阐述额定水深情况下的测试方法。(a)手动闸阀(a)M a n u a l g a t e v a l v e s(b)液动闸阀驱动器(b)L i q u i d g a t e v a l v e a c t u a t o r s(c)液动闸阀(c)L i q u i d g a t e v a l v e s图1 水下闸阀结构示意图F i g.1 S t r u c t u r e d i a g r a m o f u n d e r w a t e r g a t e v a l v e1.1 额定水深情况下的扭矩测量试验试验步骤为:确认阀门完全封闭;阀门外部施加额定水深静水压,温度为(45);在阀门下游侧以1%的额定工作压力或更小的压力将阀体内腔充满水;利用扭转试验装置驱动闸板落下使阀门完全关闭;在阀门上游侧施加额定工作压力的水;全压差下将阀门完全打开,并记录下最大开启扭矩值;再次完全关闭阀门,重复测试过程至少3次。验收准则为:可正常启闭,无异常卡顿,最大开启扭矩小于该产品的性能参数设计要求。第2期刘晓,等:水下采油树闸阀及连接器关键测试技术及应用6 3 整个试验中共需要测试两次扭矩,两次的操作步骤和验收准则完全一致。第二次测试的目的在于测试阀门在额定水深情况下2 0 0次循环后的最大开启扭矩是否仍能满足该产品的性能参数设计要求。若阀门发生松脱、卡顿等疲劳故障,则该力值将会发生明显降低或增加,从而验证阀门驱动装置的可靠性。1.2 额定水深情况下的外部保压试验试验步骤为:确认阀门完全封闭,阀门闸板处于开启位置;阀门外部施加额定水深的静水压,温度为(45);在额定水深压力下至少保压6 0m i n;完全泄压。验收准则为:保压期间压力稳定,每小时的压力变化不大于试验压力的5%或者3.4 5M P a/h之内(取其二者中较小的数值)。1.3 额定水深情况下的内外压循环启闭动态试验 试验步骤为:确认阀门完全封闭;阀门外部施加额定水深的静水压,温度为(45);闸板处于关闭位置使阀门处于关闭状态;在阀门下游侧以1%的额定工作压力或更小的压力将阀体内腔充满水;阀门上游侧施加额定工作压力的水;全压差下开启阀门,阀门开启过程中阀腔内压力最小应保持起始试验压力的5 0%,开启行程可以中断,以便调整压力在上述限定范围内,直到阀门完全打开,并记录最大开启扭矩值;阀门在保持上步限定的压力下完全关闭;阀门完全关闭后,下游侧应泄压至试验压力的1%或更小;进行至少2 0 0次开启和关闭循环。验收准则为:启闭过程平稳、无卡阻现象和振动现象,最大开启扭矩应小于该产品的性能参数设计要求。2 水下采油树连接器测试技术国产水下采油树井口连接器主要为液压驱动的连接器,主要由上部本体、V X钢圈、钢圈支撑杆、锁紧卡爪、活塞、外缸体、下部本体组成,如图2所示。为充分验证实际服役工况下的连接器密封、解锁/锁紧、承载等关键性能8,需要开展额定压力下的性能测试,包括锁紧机构试验、密封机构试验、综合载荷试验。2.1 锁紧机构试验试验步骤为:液压锁紧,记录锁紧时的最大图2 液压井口连接器结构示意图F i g.2 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f h y d r a u l i c w e l l h e a d c o n n e c t o r锁紧压力;液压解锁,记录解锁时的最大解锁压力;用最大锁紧/解锁压力的6 7%重复步骤;用最大锁紧/解锁压力的3 3%重复步骤;重复步骤至少3次。验收准则为:连接器锁紧和解锁过程中无可见泄漏,且过程平稳连续,没有异常卡顿或阻碍。2.2 密封机构试验试验步骤为:液压锁紧,并保持锁紧压力使连接器处于锁紧状态;对连接器施加额定工作压力的内部压力,压力稳定后保压3m i n;完全泄压并解锁;重复步骤5次;液压解锁,并模拟连接器起出再连接井口头的过程;液压锁紧,泄掉锁紧压力,重复步骤1次;重复步骤,直至完成规定循环次数或密封失效。验收准则为:连接器锁紧、解锁、保压过程中无可见泄漏,保压期压力允许压降为试验压力的3%。2.3 综合载荷试验综合载荷试验中较为复杂的就是模拟额定工作压力下的拉伸和弯曲工况。试验步骤为:多个双轴应变计布置在连接器高应力或中等应力区域,以监测模拟采油树接头、上部本体、外缸体、下部本体和井口头等零件的应力状况。应变片的布置方法是,拉伸侧和压缩侧沿竖直方向布置,周向布置的应变片沿连接器环向布置,并且需要正确标记应变片方位并编号。多个位移传感器布置在试验过程中会产生相对位移的区域,以检测井口连接的毂面分离情况、螺纹连接处径向变形情况、连接器与模拟井口间相对位移。连接器液压锁紧,记录锁紧时的最大锁紧压力。连接器液压解锁,记录解锁时的最大解锁压力。连接器液压锁紧,记录锁紧时的最大锁紧压力。对连接器施加额定工6 4 海洋工程装备与技术第1 0卷作压力的内部压力、目标拉伸载荷、目标弯矩,保载1 5m i n,观察连接器的结构或密封是否失效。再解锁、锁紧、解锁一次,最后一次解锁后拆卸和检查连接器,目视检查连接器外观、尺寸检测,对无法拆卸检查的零件进行锯切检查。上述试验过程中,还需要同步记录轴向应力、轴向应力、三类位移与拉伸载荷、弯矩、内部压力的关系曲线。3 测试系统3.1 组成及功能水下采油树闸阀和连接器测试技术对测试系统的设备能力和系统集成度要求非常高,不仅需要稳定、准确地施加较大的目标压力值和目标载荷值,还需要实现多通路测试参数的高度集成,从而达到模拟深水服役环境下的产品性能测试目的。测试系统按照测试对象的不同主要分为水下闸阀测试系统和液压井口连接器测试系统。水下闸阀测试系统主要包括高压密封舱、控温系统冷库、高压密封系统、液压控制系统、扭转试验台、监测系统,如图3所示;液压井口连接器测试系统主要包括载荷试验台、高压密封系统、液压控制系统、监测系统,如图4所示。下面详细介绍测试系统中的6个关键组成设备。图3 水下手动闸阀测试系统图F i g.3 T e s t i n g s y s t e m d i a g r a m o f u n d e r w a t e r m a n u a l g a t e v a l v e图4 液压井口连接器测试系统图F i g.4 T e s t s y s t e m d i a g r a m o f h y d r a u l i c w e l l h e a d c o n n e c t o r (1)高压密封舱高压密封舱主要由卧式压力舱体、增压系统、舱门启闭装置、数据控制系统、参数采集系统组成,如图5(a)所示。压力舱体的最大工作压力为3 5M P a。通过减速电机驱动卡箍机构启闭,前端盖由液压缸配合舱内移动小车前后移动;通过增压系统向舱内压入水,使舱内的压力始终维持在试验要求的范围内。数据控制系统由工控机、P L C、监控系统、控制柜、控制软件、液晶显示屏等组成,各参数单独控制并集成。其主要作用是为闸阀测试提供模拟服役水深的外部压力9,并为密封系统、液压系统、监控系统提供穿舱的条件,保证压力和信号的有效输入和输出。(a)高压密封舱(a)H i g h p r e s s u r e s e a l e d c o m p a r t m e n t s(b)高压密封系统(b)H i g h p r e s s u r e s e a l i n g s y s t e m s第2期刘晓,等:水下采油树闸阀及连接器关键测试技术及应用6 5 (c)液压控制系统(c)H y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m s(d)扭转试验台(d)T o r s i o n t e s t s t a n d s(e)载荷试验台(e)L o a d t e s t s t a n d s(f)监测系统(f)M o n i t o r i n g s y s t e m s图5 测试系统设备图F i g.5 T e s t s y s t e m e q u i p m e n t d i a g r a m(2)高压密封系统高压密封系统主要由供气系统、增压泵、阀箱、控制台组成,如图5(b)所示。增压泵共包含2台3 5M P a级泵、1台2 1 0M P a级泵和1台6 0 0M P a级泵。其主要功能是为阀门和连接器提供额定工况下的内部压力,可自动补压以适应循环试验的压力要求,并可实时监测测试过程中的压力变化,从而观察阀门和连接器的密封情况。(3)液压控制系统液压控制系统主要由液压源、增压泵、控制台组成,如图5(c)所示。增压泵最高压力为1 0 0M P a。其主要功能是为阀门的启闭、连接器锁紧/解锁提供液压驱动力。(4)扭转试验台扭转试验台主要由驱动器、减速机、滑轨、扭矩传感器、万向联轴器、扭矩杆、控制台组成,如图5(d)所示。其主要功能是,驱动器驱动扭矩杆、万向节联轴器、延长杆正转或反转,启闭手动闸阀,并实时监测测试过程中的扭矩变化,从而观察阀门的峰值扭矩。(5)载荷试验台载荷试验台主要由主横梁、2个1 2 5 0k N油缸、1 2 5 0 k N负荷传感器、位移传感器、耳环立柱、双法兰连接板、插销轴、伺服阀组组成,如图5(e)所示。当两个油缸活塞同步向下移动时,施加压缩载荷;同步向上移动时,施加拉伸载荷;一个向下移动、另一个向上移动时施加弯矩载荷。其主要功能是利用连接板和定制夹具固定连接器并加载。(6)监测系统由于阀门和连接器测试过程中涉及的压力等级非常高,因此,试验必须通过远程控制的方式执行。监测系统主要由传感器、水下摄像头、水下照明灯、信号传输线缆或网络、监视器、工控机组成,如图5(f)所示。其主要功能是实现远程设备操作、试验参数设置与监测、数据实时显示与导出,实现对试验件的实时监测。3.2 主要技术参数水下闸阀测试系统参数:模拟水深压力:3 5M P a;模拟水深温度:(45);内部压力:2 1 0M P a;液压驱动力:1 0 0M P a;扭转驱动力:1 0 0 0Nm;高压舱体:卡箍卧式压力舱,内径1.5m,内部有效试验长度3.0m,测试通道3 2个,可穿舱管线6个;使用介质:自来水、液压油;控制方式:集成系统远程自动控制。液压井口连接器测试系统参数:拉伸/压缩载荷:2 5 0 0 0k N;弯曲载荷:1 0 0 0 0k Nm;内部压力:2 1 0M P a;使用介质:自来水;控制方式:集成系统远程自动控制。4 试验应用由于水下生产系统通常要求2 0年免维护,而5 0 0m水深环境相当于设备本体要承受5 0倍的大气压,长期承受低于6 的低温环境和海水腐蚀严苛的环境条件,对设备密封强度、材料承压能力和工艺质量提出了技术挑战。对我国自主研发的2 1/1 6 1 0K水下手动闸阀、2 1/1 6 1 0K水下液动闸阀、5 1/8 1 0K水下手动闸阀、5 1/8 1 0K水下液动闸阀等多套5 0 0m级水下采油树阀门进行额定水深情况下的两次扭矩/开启力测试,2 0 0次压力循环动态试验,外部保压试验,如图6所示。试验模拟水深15 0 0m,内部压力达1 00 0 0p s i(6 8.9M P a)。验证了水下阀门在低温、内外压复合工况下可以达到要求的工作性能。通过对1 8 3/4采油树井口液压连接器进行锁紧机构试验、密封机构试验、载荷试验,采用“内压+拉伸+弯曲”复合加载形式,验证了国产井口连接器达到了设计测试的要求。6 6 海洋工程装备与技术第1 0卷(a)水下手动闸阀测试(a)U n d e r w a t e r m a n u a l g a t e v a l v e t e s t i n g(b)水下液动闸阀测试(b)U n d e r w a t e r h y d r a u l i c g a t e v a l v e t e s t i n g(c)井口液压连接器测试(c)W e l l h e a d h y d r a u l i c c o n n e c t o r t e s t i n g图6 测试安装连接图F i g.6 T e s t i n s t a l l a t i o n c o n n e c t i o n d i a g r a m5 结 语水下采油树关键部件测试是保证水下生产系统能够良好运行、降低其风险的主要防线。本文提出的实验室复合测试方法及系统平台,对验证装备性能具有重要意义。而随着阀门、连接器等核心装备的尺寸、服役水深、压力等级不断增加,其性能条件将变得更严格,测试工况也将更苛刻,测试难度将更大。主要体现在开启扭矩或驱动力明显增加,装备的承压性、密封性、结构间配合要求会更高等方面。未来测试技术的关键在于,建成一套能够充分模拟深水超深水服役环境及工况参数的测试系统,突破外部低温高压、内部高温高压、“拉伸/压缩+弯曲+扭转”复合加载等综合测试技术集成化。参 考 文 献1石磊,琚选择,张飞,等.水下阀门研制及工程应用J.阀门,2 0 1 9,(1):2 4 2 7.2朱元坤.水下立式采油树系统可靠性分析研究D.青岛:中国石油大学(华东),2 0 1 8.3石磊,胡晓明,姜瑛,等.水下阀门国产化关键技术研究J.石油机械,2 0 1 8,4 6(2):5 8 6 2.4孙传轩,刘文霄,李磊,等.1 5 0 0m级国产水下卧式采油树样机码头浅水试验J.石油矿场机械,2 0 2 1,5 0(3):3 6 4 4.5A P I S p e c 1 7 D 2 0 2 1,S p e c i f i c a t i o n f o r S u b s e a W e l l h e a d a n d T r e e E q u i p m e n t S.6A P I S p e c 6 A2 0 1 8,S p e c i f i c a t i o n f o r W e l l h e a d a n d T r e e E q u i p m e n t S.7陈小平,郑杰,琚选择,等.水下阀门深水高压舱模拟试验研究J.石油和化工设备,2 0 1 6,1 9(6):2 8 3 0.8刘红芳.海洋水下井口装置锁紧机构研究J.石油矿场机械,2 0 1 5,4 4(6):2 5 2 8.9李波,张建权,王裴,等.水下阀门外压试验用压力舱功能和分析J.中国海洋平台,2 0 1 5,3 0(5):1 9 2 3.