水下防喷器自动剪切和失效安全系统的设计思路

何 凡

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

水下防喷器自动剪切和失效安全系统的设计思路

何 凡

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

美国石油协会组织于2012年出版的API Standard 53标准相对于之前的API RP53，对水下防喷器的应急备用部分做出了强制性要求，需要配备自动剪切以及失效安全两种系统。针对该要求，目前现役的大部分水下防喷器控制系统需要进行升级改造。本文通过对规范的解读，对自动剪切及失效安全功能进行系统原理上的逐一分析，提出一种升级改造的设计思路。

水下防喷器控制系统；自动剪切；失效安全；电液多路控制系统

0 引言

美国安全与环境执法局（BSEE）于2016年4月发布了“最终井口控制规范”[1]（Final Well Control Rules）。在该井控规范中，借鉴深水地平线半潜式钻井平台的事故经验[2]、调查报告以及业界钻探公司、学术机构、环境组织以及设备厂家的反馈情况，对水下防喷器（BOP）系统提出了更高的要求且需要满足API Standard 53[3]规范。除了要求水下防喷器组需要配备两组钻杆剪切闸板之外，特别是对于防喷器的控制系统，还需要强制配备自动剪切和失效安全两种功能。针对这些增加的强制要求，本文阐述了对水下防喷器的控制系统进行设计的一些思路和方法。

1 电液多路控制应急系统简介

水下防喷器制造商 Hydril、Cameron、Shaffer在近几年交付的项目中控制系统均采用电液多路控制系统，其设计原理可简要表述为：

1）水面部分：液压充能及蓄能、控制面板及中央处理器、电力及通信；

2）水下部分：水下电子模块（SEM）、液压总管及阀组、应急控制部分。

水面部分的液压能通过依附在隔水管（marine riser）上的刚性液压管和软管为水下部分提供先导信号能及控制回路液压能；水面部分的电力及通信信号通过依附在隔水管上的水下电缆对水下电子模块进行供电及相互通信；输送到水下的液压能被分成两部分：先导回路及主控制回路；封装在压力补偿腔中的电磁阀组控制接通液压先导回路，液压先导回路控制接通主液压控制回路。水下主要的液压控制回路和电子模块被集成为一体，叫做控制舱（control pod）。当水面发出某一命令时，该命令信号通过水下电缆传输到选择的控制舱，并触发相关的电磁阀，接通对应的液压回路执行该命令。

1.1 水下防喷器应急备份控制系统

下部隔水管总成（LMRP，lower marine riser package）为隔水管和水下防喷器的连接部分，安装有环形防喷器、隔水管下部万向接头、泥浆增压短接、水下控制舱以及和下方防喷器组（BOP stack）连接用的液压连接接头。因水下防喷器组的控制液压回路需要和LMRP相连，又需要LMRP与之脱开，液压和电路部分典型的连接方式为插入式且配备有密封及锁紧脱开装置，一旦LMRP与BOP脱开或主要控制功能失效，主液压控制和电信号回路将会中断，BOP的功能只能由应急备份控制系统来完成。这些应急备份控制系统主要分成四部分：自动剪切系统、失效安全系统、声学控制系统和水下机器人介入。

自动剪切系统是在非计划性脱开LMRP自动关井的安全系统。其实现的方式是，在LMRP和BOP之间安装推杆液压阀，在自动剪切功能预备时，一旦LMRP和BOP脱开，该阀将会开启，使先导液进入主控制阀，接通主控制回路，进而主控制液可进入 BOP操作液缸（operator），推动关闭BOP剪切闸板，如图1所示。

失效安全系统是在同时失去控制及液压信号时自动关井的安全系统。其实现的方式是，液压先导回路串联分别为失去液压信号和失去供电信号的液压阀；在失效安全系统预备时，当水下防喷器LMRP上同时失去液压和电力，即这两个液压阀同时开启时，先导液将进入主液压阀控制腔打开主控制回路。主控制液即可以进入BOP操作液缸推动关闭BOP剪切闸板，如图2所示。

1.2 应急备份系统能量源

因LMRP和BOP脱开后，BOP上将会失去主液压控制能量，因而上述两种系统的能量源需来自于底部的防喷器组。

在底部BOP上可安装蓄能器组，以便在失去主液压控制能时对最重要的防喷器功能，如剪切闸板、剪切盲封闸板等进行应急关断操作。在水下防喷器正常工作时，该蓄能器组由水面蓄能器组单向充液。

2 API Standard 53对水下防喷器控制系统的要求及实现方式

2.1 API Standard 53中电液多路控制系统的要求

以下章节摘自API Standard 53标准：

“MUX Control Systems

7.4.14.2 Autoshear shall be installed on all subseaBOP stacks.

7.4.14.4 The dedicated emergency accumulator system may be used for both the Autoshear and Deadman systems, as well as for secondary control systems.

7.4.15.2 A Deadman system shall be installed on all subsea BOP stacks.

7.4.15.4 The dedicated emergency accumulator system may be used for both the Autoshear and Deadman systems, as well as for secondary control systems (e.g.ROV or acoustic systems).”

可以看出水下防喷器控制系统必须配备自动剪切和失效安全系统，且它们可以分享应急备份蓄能器系统。

2.2 同时配备自动剪切和失效安全系统的实现方式

简单地说，把前面提到的两个示意图合并，自动剪切回路和失效安全回路通过梭阀连接到防喷器的剪切闸板可以实现API Standard 53中的要求（如图3所示）。但这仅仅局限于配备有单个剪切闸板的水下防喷器组。在API Standard 53中同时有针对Class 5及以上的水下防喷器组则有需要配备两组剪切闸板的要求：

“7.1.3.1.6 A minimum of two sets of shear rams for shearing the drill pipe and tubing in use, of which at least one shall be capable of sealing.”

3 自动剪切和失效安全系统设计

在配备有两组闸板的水下防喷器上，可以有以下设计思路：

1）通过液压两位四通阀来选择关闭上部或下部的剪切闸板；

2）液压先导回路集中；

3）主液压控制回路集中；

4）先导液压回路控制部分配备液压锁。

当自动剪切和失效安全系统同时存在时，它们的触发逻辑如表1所示。

基于上述思路及控制逻辑，考虑到LMRP与BOP脱开时，自动剪切和安全失效系统可同时触发，如若同时触发且关断两者的剪切闸板，将会使得所需应急蓄能器组的数量大大增加。因此，自动剪切及失效安全系统的系统图可以设计成图 4所示，用于配备两组剪切闸板的水下防喷器组（注：液压部分的安全保护及电气信号反馈等细节未在其中反映）。

表1 控制逻辑

4 结论

水下防喷器控制系统依然为核心关键技术。目前仍属于少数国外厂家垄断部分。

通过对API Standard 53规范的理解，以及对水下防喷器应急控制系统的分析，本文详细介绍了对于水下防喷器控制系统同时配备自动剪切和失效安全系统时对该系统进行设计的思路。对于以后国内设计研发人员对这一部分的研发有一定的启发作用，同时对于现有水下防喷器的升级改造有借鉴意义。

[1]AA11-BSEE Well Control Final Rule[S].2016.

[2]DNV Report No.EP030842.Final Report for Forensic Examination of Deepwater Horizon Blowout Preventer[S].2011.

[3]API STANDARD 53 Fourth Edition 2012.Blowout Prevention Equipment Systems for Drilling Wells[S].2012.

Design Thinking of Autoshear and Deadman System of Subsea BOP

He Fan
(COSCO Shanghai Shipyard Co., Ltd., Shanghai 200231, China)

Comparing to the API RP53, the API Standard 53 published by American Petroleum Institute (API) in 2012 has a compulsory requirement for the emergency spare part of subsea blow out preventer (BOP).The BOP should install the autoshear and the deadman system.Aiming at the requirement, most of the current BOP control system should be improved.Through the understanding of the standard, the paper analyzes the functions of the autoshear and the deadman system on the system theory and puts forward the design thinking of the improvement.

subsea blow out preventer (BOP); autoshear; deadman; multiplex control system

U665

A

10.14141/j.31-1981.2017.01.012

何凡（1981—），男，本科，研究方向：钻井设备及水下设备系统。