水下控制模块的应用与设计分析

2015-08-04汪学军张建权叶民杰

石油矿场机械 2015年7期

关键词：换向阀元件密封

李　波，汪学军，张建权，叶民杰，吕　强

（1.中原油田物资供应处，河南濮阳457003；2.上海神开石油设备有限公司，上海201114）①

水下控制模块的应用与设计分析

李波1，汪学军2，张建权2，叶民杰2，吕强2

（1.中原油田物资供应处，河南濮阳457003；2.上海神开石油设备有限公司，上海201114）①

水下生产控制系统是一个庞大复杂的系统，其中水下部分的核心单元是水下控制模块，其可靠性是最关键的一个技术指标。通过对当前有代表性几家公司产品的介绍，阐述了其基本组成及主要功能，对水下控制模块的原理进行分析，并对设计中的技术难点进行分析，结合目前国内水下控制系统研发中重点关注的测试方法，为产品国产化提供充分的数据，降低用户的使用风险。

水下控制模块；水下生产控制系统；应用；设计

目前，海洋油气田开采所需配套核心设备包括水上与水下部分均被5家国外公司（4家美国公司Cameron、FMC、GE Oil＆Gas、Dril-Quip和1家挪威公司Aker Solutions）所垄断。而我国也仅在南海引进了1套水下设备，其他的设备均使用于墨西哥湾、北海海域、巴西海域和西非等海域。国内在水下设备方面的发展速度也在加快，随着近3 a来许多相关立项均得到国家及地方的政策支持，意味着该产业的发展已进入了快车道。水下设备中的各种零配件的研发也得到国内众多相关厂家的关注，而水下控制模块的研发则是水下控制系统研发中最核心的单元。

1　水下控制模块的应用分析

水下生产系统作用是实时监测水下井口和生产系统的各种工作状况，调整生产压力与流量等参数，并对异常情况进行监测及有限的应急处理。由于生产系统设施置于水下数百米乃至数千米深处，距离监控平台也很远，对生产的监控和管理完全依赖于水下控制系统，因而与常规的控制系统相比，需要选用可靠性更高、免维护或更换方便的控制产品，这也决定了水下部分的设施要有严格的质量与寿命要求，而水下部分的核心设施单元便是水下控制模块（SCM ）。

1.1 水下控制模块的组成及功能

水下控制模块（SCM）是水下控制系统的关键部件，它通过接收到上端主控制模块MCS或地面控制信号来控制SCM内部液压阀件的开启与通断，来实现对安装于采油树中各种功能阀的开启与关闭，同时将分布于采油树及流程中的各种传感信号集中处理后传输到上端的主控模块MCS中。各种信号包括采油树中的井口压力与温度、阀位开关信号、化学试剂的流量等。为了保证系统的可靠性，除了采用性能可靠的元件外，冗余设计也是水下控制模块设计的一个特点。根据项目需要，水下控制模块可能还将承担其他区域信号的监测与传输功能。

1.2 典型水下控制模块

1.2.1 FMC公司的水下控制模块

图1为FMC公司的一款使用相当成熟的水下控制模块，它的外形通常采用圆柱形，结构相对比较简单，内部的零件也分布合理。FMC公司提供的水下模块系统众多，工作水深从400～3 000 m均有成熟的产品，内部控制压力最高可达105MPa （15 000 psi）。根据项目要求，水下控制模块的控制对象从1路到最多可达16路。水下电子模块均采用双冗余结构，所有设备均具有标准的工业接口。它采用1根中间锁紧轴的形式，利用专用工具和水下机器人将水下控制模块整体安装到水下设备上。

图1　FMC公司的水下控制模块

1.2.2 Aker Solution公司的水下控制模块

图2为Aker Solution公司双轴锁紧式水下控制模块。该模块的设计可用于2 000 m以内的水深作业，而控制对象最多可扩展到16路，压力最高可达69 MPa（10 000 psi）。采用双锁紧轴锁紧的形式，锁紧可靠，适合于较浅海水使用；安装回收容易，其内部只配1个电子模块，结构简单，维护方便。

图2　Aker Solution公司的水下控制模块

1.2.3 应用分析

各大公司目前选用的水下控制模块以复合电液型为主，该技术目前相对最成熟并且性能也比较稳定，内部所配置的元件也基本成熟，在全电控型（主要是水下电控型执行机构）未取得显著成效与成本优势前，复合电液型的水下控制模块仍将持续很长一段时间。

2　水下控制模块设计

常规的水下控制模块由电气SEM、液压阀组、电气及液压接头、保护罩4部分组成，如图3。由于整个水下控制模块始终处于高压下的流动海水环境中，所以水下控制模块的设计需要综合考虑密封、腐蚀、定位、锁紧、对外接口等因素。水下控制模块通常独立安装在采油树上，所以整个设计注意以下几个要点：

图3　典型的水下控制模块

1） SCM内的SEM和液压阀件及外部的密封装置要有高可靠性。

2）水下控制模块要有良好的可拆卸性、再安装性。

3）水下控制模块的锁紧机构要具有良好的操作性。

2.1 相对成熟的设计工艺

在整个水下控制模块中，并非所有的设计都是技术难点，每个设备均是由大部分的基础设计及若干核心技术构成的，对于基础性设计对象，研发中进行适度关注，主要增加防腐方面的内容即可。

2.1.1 封装系统

水下控制模块通常置于1个密封的腔室内，该密封腔主要提供对内部元件的一次压力保护，内部的元件承担二次压力。对于封闭系统，首要考虑密封、温度、压力、海水腐蚀和海水流动等因素的影响，其次是安装的便携性及可靠性。具体体现在强度、密封、工作压力、工作环境腐蚀等方面，其中强度、密封与工作压力属于相当成熟的工艺，只需在各个设计环节加入环境腐蚀因素即可，包括水下控制模块内部的防腐因素，防止因外密封的失效进入海水后造成的腐蚀。

2.1.2 锁紧装置

该装置在整个水下控制模块中属于标准件，可以根据作业方式进行选择即可，在选择中主要注意水下机器人ROV操作的便利性。

2.1.3 水下控制模块基座及耦合盘

水下控制模块基座及耦合盘是承载各种阀件、液压快速接头及电气接头的载体，密封、强度、防腐（材料）及加工精度均是属于当前成熟的技术与工艺范畴。由于阀件众多，大多采用板式阀块，通道比较复杂，内部元件布局的合理性是该部件设计的重点方向。

2.2 核心设计

水下控制模块的功能描述起来并不复杂，液压及电气方面的原理图相对一些系统来说还是比较简单的。而水下控制模块的所有功能均是通过性能可靠的硬件和基于硬件的软件组态实现的，其硬件组态主要包括水下电子模块SEM、通信模块、电磁换向阀和电液附属元件。由于这些部件所处位置的特殊性及重要性，其可靠性是重要的指标，而可靠性主要从2个方面来实现：一是冗余性设计；二是元件本身的质量可靠。

2.2.1 水下电气模块SEM

水下控制模块的所有功能均是通过水下电气模块（SEM）来发出或接收指令实现的，SEM的组成如图4。它的设计既涉及到冗余性设计，又涉及到所选电子元件的质量，由于SEM空间有限，所有的功能需尽可能集成，而集成电路是一个比较好的选择，集成电路的设计则是SEM的设计核心。

图4　典型SCM控制原理

总体来说，水下电子模块SEM应具备的功能为［8］：

1）数字开关量的输出。

2）模拟信号的采集和转化。

3）简单数据处理。

4）与上位机的通信。

2.2.2 电磁换向阀

电磁换向阀（如图5）是水下控制模块中最重要的执行元件，它是直接控制采油树上各种关断型阀门及水下节流阀的阀件，它的性能直接反应了操作的可靠性。而对该电磁换向阀，除了要考虑到电路的冗余外，还要考虑它的功耗、散热性。目前在水下电磁换向阀的研发上，已有多家国外公司走在前沿，已有多款符合要求的产品用在众多的水下模块中，如BIFOLD，SUBSEACOMPONENTS等公司。因此，该元件的设计主要在于选型，当然后期的产品国产化中该零件也是重要研发对象。