水下防喷器组控制系统深水模拟试验装置研制

顾和元，侯国庆，郭雪，刘立兵

（河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北任丘 062552）①

防喷器组控制系统在深水环境的工作可靠性一直是钻井装备制造行业和使用单位高度关注的问题。国内外相关的生产制造单位和科研院校已努力建造了性能优异、试验能力强的深水模拟装置。例如：四川海洋特种技术研究所研制了15 MPa的压力试验舱和100 MPa的压力试验舱，直径分别是Ø1800mm和Ø300mm，可分别模拟1500 m 水深环境和10000m 水深环境；中国石油大学研制了用于钻完井理论研究的深水模拟试验装置［1］，内径Ø1120mm，工作压力可达50 MPa；中国石油天然气集团公司海洋工程技术重点实验室研制了用于海工结构物强度检测的深水模拟试验装置［2］，30 MPa压力的试验装置内径Ø1000mm；美国Cameron公司有大型深水试验舱，用于其水下防喷器控制系统的功能测试。其他国家也建立了规模宏大的深海环境实验室［3］，为潜艇结构舱段、各类潜器、水下生产设施、探测仪器等新型深海装备进行耐压结构试验、水密性试验、设备调试等。河北华北石油荣盛机械制造有限公司承担了国家的深水钻井防喷器组及控制系统研制任务，研究的3000m 水下控制系统的控制箱原理样机直径为1200 mm 左右，功能接口多。国内现有的深水模拟试验装置满足不了试验要求，国外虽有同类深水模拟装置，但试验周期长，费用高，研究进度受到限制。为保证研制出的水下防喷器组控制系统具有较高的可靠性，且能够实现设计、制造和检测技术自主化，设计建造了一套大型控制系统及其阀件的功能测试和可靠性研究的深水模拟测试装置。

1 总体设计

深水模拟试验装置由42 MPa 小高压舱、30 MPa大高压舱、舱室及被测部件增压、稳压及安全泄压的液压控制系统、PLC 电控系统及舱内监控系统组成。其中：42MPa小高压舱可模拟4200m 深水工作条件，用于深水防喷器组控制系统深水电磁阀、深水液压阀、梭阀、单个控制零件等控制元器件的深水功能测试和可靠性研究；30 MPa大高压舱可模拟3000m 深水工作条件，用于深水防喷器组控制箱原理样机及各类大型控制系统总成的深水功能测试和可靠性研究。控制系统可提供0～42MPa的压力，可对高压舱和测试部件进行增压、稳压，安全泄压操作，模拟在深水环境中控制系统对控制对象的操作。电控系统可根据压力变化和控制程序启动和关闭蓄能器及增压泵，实时记录控制系统压力变化曲线，生成报表；舱内水下摄像机可实时监控舱内阀开关动作、电子舱耐外压形变等试验情况。

2 关键部件设计

2.1 高压舱及光电缆接口

高压容器的端部连接结构有法兰连接、螺纹连接、卡箍连接等形式。通过对多种结构形式的分析对比，42 MPa高压舱采用螺纹压块式连接结构，密封可靠，有效地降低了舱体的外形尺寸，拆卸方便。舱盖上有舱室液控连接口、放气口、控制电缆连接口测试元件液控连接口 30 MPa大高压舱壳体与端盖采用卡块式连接结构，拆卸快速省力；侧出口上具有多个液压管线接口、监控电气接口、湿式电气接插件、深水光电缆穿舱密封机构。可对控制系统样机、水下电子舱壳体、深水光电缆及终端等进行压力、密封性、绝缘性等测试。研制的高压舱如图1～2所示，技术参数如表1。30 MPa高压舱采用立式安装方式，42 MPa高压舱配有卧式支座，可根据试验要求采用卧式或立式安装方式。

图1 30 MPa大高压舱

图2 42 MPa小高压舱

表1 高压舱技术参数

水下防喷器组控制箱原理样机及各类大型控制系统总成在大高压舱内试验时要与舱外电控系统和液控系统连接及通信，通信光电缆密封的可靠性直接决定试验的成败。设计了专门用于Ø27.94 mm（1.1英寸）海底通信光电缆的穿舱密封装置，如图3所示。法兰安装在高压舱壳体侧出口上，法兰通孔可通过海底光电缆直径Ø110mm的光电缆接头，内部安装密封件密封高压舱内30 MPa的压力在高压舱腔体内部安装光电缆夹持机构，夹持光电缆，舱内的压力将在光电缆表面施加正压力，利用密封件和光电缆之间的摩擦力克服光电缆横截面在舱内压力作用产生的轴向位移。设计时应满足式（1），即

式中：R为光电缆半径；L为夹持机构夹持长度；f为摩擦因数。

图3 光电缆穿舱密封装置

2.2 液压控制系统

液压控制系统是由3台高压柱塞泵提供动力，1台为大流量泵，流量60L／min，压力90MPa；2台为小泵，流量30L／min，压力70 MPa。3台泵组合理布局，泵组排量与压力均衡且考虑各个试验装置的极限状态。液压控制系统动力源根据需要向大高压舱、小高压舱、水下液压元件试验台、舱内试验元器件和试验样机提供水或水－乙二醇介质的液压液，模拟不同水深的压力，进行被试设备的给压及卸压功能测试。液控原理如图4，实物如图5。

图4 液压控制系统原理

图5 液压站

左侧柱塞泵为深水液压阀（SPM）和深水电磁阀（DDV）寿命试验提供液压动力，液压阀和电磁阀安放在小高压舱内，由右侧柱塞泵对高压舱施加30～42 MPa的深水模拟压力，液压动力通过过滤器、减压阀触发电磁阀动作，电磁阀触发液压阀动作，高压液压液通过液压阀，完成1次开关冲击试验。通过开关冲击次数来检验深水环境中电磁阀和液压阀的使用寿命。中间柱塞泵为高压舱中控制系统原理样机的电磁阀和液压阀提供液压动力，右侧柱塞泵为大高压舱提供模拟3000m 水深的压力，液压电磁阀触发液压阀动作，高压液体通过液压阀触发执行机构（防喷器液压腔）关闭或开启。通过测量液控操作和执行机构的时间来检验深水防喷器的响应时间。

2.3 电控系统

电气控制系统以西门子S7－200型PLC 作为主控制器，采用组态王监控软件作为人机交互界面。通过PLC编程可以实现对控制系统元件动作的循环控制以及压力、流量等信号的采集［4］，通过工控机和组态软件实现对试验过程的自动控制，使试验操作简单化，节省大量人力。电控系统操作台与操作界面如图6～7所示。

图6 电控系统操作台

图7 电控系统操作界面

电气控制系统由动力柜和操作台组成。动力柜主要安装断路器、熔断器、接触器、热过载保护器等电机主控元件。动力柜能给电机提供过流、过压、过载、缺相等各种保护功能，保证油泵的正常运行。操作台安装有PLC、工控机、显示器、直流电源、继电器等控制元件。PLC 中运行电机控制、阀件开关控制、传感器信号转换等各种控制和保护程序；工控机中安装组态王监控组态软件，各种人机操作界面根据液压控制要求设计，液控系统中电机的启动和停止通过点动操作台上的按钮控制，各种阀件开关等操作在操作界面上控制。

2.4 水下监控系统

水下摄像监控系统主要由水下摄像机、水下照明灯、穿舱电缆组件、监控计算机组成。水下摄像机和照明灯是深水监控专业设备，额定工作水深高达4000m，供电电源为120VAC，照明灯亮度可以通过旋钮进行调节。摄像机和照明灯的安装位置和角度可以通过手动调节，便于准确采集图像。穿舱电缆组件采用专用水密封穿舱件，额定工作压力高达70 MPa，将电源和信号从控制室传递到高压舱内。控制室中的监控计算机中安装专用摄像采集卡和监控软件，把从摄像机接收到的信号进行处理，清晰地显示在电脑屏幕上。

3 试验结果

3.1 深水设备外压和密封性能试验

对水下控制箱电子舱进行了30 MPa外压和密封性能试验。试验后拆卸检测电子舱关键尺寸，无超差，电子舱壳体可以承受30 MPa的外压；检测内部无漏水现象，电子密封舱舱底法兰和钟型罩之间密封性良好。试验证明：所设计的电子舱能够在水深3000m的环境中稳定工作满足设计要求。

3.2 深水阀件开关试验及寿命试验

对于深水电磁阀和深水液压阀，模拟3000 m水深环境的开启和关闭试验及密封试验，阀开启和关闭动作正常；试验后拆检阀，元件无损坏现象，内部无漏水现象。模拟了3000m 水深的2000次开关寿命试验。试验结果证明：设计的深水电磁阀、深水液压阀开启和关闭性能、密封性能及可靠性能够满足深水工作需要。

3.3 深水控制系统原理样机联动试验

对水下控制系统原理样机模拟3000m 深水环境进行了联动试验（如图10～11）。试验证明：水下控制系统原理样机执行机构在30 MPa外压下可以正常开启和关闭。通过对FHZ48－70型环形防喷器、2FZ48－105型闸板防喷器进行多次联动试验，控制系统关闭环形防喷器的响应时间均不超过39s，关闭闸板防喷器的响应时间均不超过25s，符合API 16D 标准要求［5］。通过对水下控制系统原理样机的试验，为水下控制系统112路工程样机的研制积累了大量试验数据。

图10 水下控制系统原理样机模拟试验现场

图11 水下控制系统原理样机模拟深水联动试验曲线

4 结论

1）该套深水模拟试验系统是用于水下防喷器组控制元器件和样机的试验装置，分别模拟3000 m 深水和4200m 深水压力，可为研制的样机进行海试提供必需的试验数据。

2）对水下防喷器组控制系统电子舱、深水电磁阀、深水液压阀、控制系统原理样机进行了耐外压试验、水密封试验、深水寿命试验等，试验结果符合设计和相关规范的要求，证明试验装置能够满足深水防喷器组控制系统的测试要求。

3）通过对小型控制箱原理样机的试验，为112路控制箱工程样机提供了大量的试验数据，缩短了水下防喷器组控制系统研制周期。

4）深水电磁阀和深水换向阀的寿命试验为下一步深水防喷器及控制系统可靠性研究提供了有益的参考依据。

5）该套试验装置用于模拟深水环境，不仅为深水防喷器组控制系统阀件和深水控制系统的科研和生产提供了测试平台，也可对其他深水环境下工作的设备进行外压试验、水密封试验和控制系统的联动试验等。

6）该装置仅可以进行常温环境下的深水模拟试验，如果进行深水高、低温的模拟试验还需对装置进行改造，例如高压舱增加可灌充乙醇的外夹套用于模拟深水低温环境，或增加加热装置用于模拟深水高温环境。

［1］杨进，刘书杰，周建良.深水石油钻采设备工程深水模拟试验装置的研制［J］.石油机械，2011，39（8）：1－3.

［2］姚志广，秦延龙.中国石油天然气集团公司海洋工程技术重点实验室特色试验技术［J］.石油工程建设，2010，36（6）：79－80.

［3］姚志广，秦延龙，赵开龙.深水高压舱典型试验实例研究［J］.石油工程建设，2011，37（增刊）：14－16.

［4］林镇诗，余建星，王永更，等.深水海底管道屈曲试验数据采集技术研究［J］.石油矿场机械，2011，40（12）：62－66.

［5］API Spec 16D.Specification for Control Systems for Drilling Well Control Equipment and Control Systems for Diverter Equipment［S］.Second Edition.2004.