模拟深海高压舱试验系统设计方案

李国强

摘 要：该系统设计开发了一套模拟深海高压试验环境系统，可模拟水下2000m压力环境，并可对试验设备进行高压循环测试；设计的高压试验舱结构简单，安装空间大，开启方便，密封采用独特设计，特殊材料，安全系数高；被试件安装方便，打压通道设计巧妙，试验过程采用远程操作，无死角监视。将对我国在深海海洋设备的开发提供有力的厂内试验数据支撑，对设备改型&改进的测试，创建了一套可以完全模拟海底不同水深环境的可视化试验系统。

关键词：深海高压舱 试验系统 水下阀门 高压加载

中图分类号：TH49 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）11（a）-0010-02

近年来我国在海洋石油开发设备及技术开发的投入很大， 海上能源工程新兴产业及技术也取得不小的进步，但与世界先进水平以及我国海上能源开发的实际需求相比还差距很大，主要表现在：深水工程装备差距大：2011年我国建成部分深水工程重大装备，但距离形成系统作业和施工作业深水作业船队还有很大差距，还远远不能满足我国南海深水开发的实际需求，同时与之配套的深水作业能力还处于探索阶段；深水油气田勘探开发工程技术、装备差距大；所以开发配套深海油气开采的装备至关重要。深海高压舱试验系统是为针对深海管线阀门，在工厂内建造一套试验环境，为设备开发过程试验提供有力的工况数据支持。

该系统能够模拟2000m深海环境压力，且在该深海环境压力下的水下阀门及执行机构总成能够正常模拟油气介质在额定设计介质压力和执行机构工作压力下的全压差正常开启或关闭。模拟产品在工作时的压力环境及功能测试要求，充分提高用户产品质量。系统主要包含6个部分：高压试验舱体、密封卡箍装夹装置、高压舱水压加载系统、试验件水压加载系统、阀门液压执行机构动力加载系统、中央监测控制平台。

1 试验系统介绍

1.1 深海高压舱

主要由筒体、舱盖、穿插水密接头、舱盖密封圈、密封卡箍或密封剪切环组成；试验设备按GB 150-2011《压力容器》、JB 4732-1995（2005确认）《钢制压力容器-分析设计标准》的规定进行设计、制造、组焊、检验与验收；同时还应符合TSGR 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》的有关要求，并参照执行GB 150-2011《压力容器》的规定。

1.2 密封卡箍装夹装置

高压舱盖或剪切环与筒体为两体式结构，在完成两者的配合安装后，采用自动装夹装置实现装卸方便、安全快捷。高压舱盖的起吊，采用配套的液压或电动装置实现自动定位、起落、平移。

1.3 高压舱水压加载系统

主要作用和功能是向高压舱筒体内注满试验介质，并达到试验要求的试验压力，试验结束后，将高压舱内的试验介质泄放或排空。为保证试验介质自来水的清洁，试验管路使用高压不锈钢管及接头，泵、阀材质也为不锈钢。

1.4 试验样件水压加载系统

主要作用和功能是向试验样件流道内注满试验介质，并达到试验要求的试验压力，试验结束后，将各自试验、工作腔体内的试验介质泄放或排空。为保证试验介质自来水的清洁，试验管路使用高压不锈钢管及接头；泵、阀材质也为不锈钢。该系统与高压舱水压加载系统统一设计为一套系统，成撬装设计。

1.5 液压执行机构动力加载系统

主要作用和功能是向液压执行机构液压缸内注满工作介质，并达到试验要求的动作压力，试验结束后，将各自试验、工作腔体内的试验介质泄放或排空。液压执行机构用液压加载系统应分别实现对ROV模拟液压马达、液压缸的压力控制，两者不同步操作。

1.6 试验装置中央监测控制平台

主要作用和功能是控制高压舱、试验样件内腔的加载过程，对压力进行实时监测和记录，同时对试验管路进行控制和监测，通过水下摄像设备，对液压执行机构开关动作进行实时监测、记录。能实现手动和远程自动控制，对压力加载控制系统采用程序控制，自动记录、显示压力加载曲线，具有数据导出、打印、编辑功能，同时可压力检测过载报警、卸放。主要由壓力传感器、配电柜、高压球阀、高压安全阀、工控机、水下摄像器材、控制试验软件等组成。

2 系统设计参数

2.1 使用环境条件

配电电源条件：交流三相380V±10%，50Hz或（和）单相220V±10%，50Hz。

工作环境温度：5℃～40℃（室内）。

环境湿度：30%～50%。

2.2 高压舱主要技术参数

筒体内径：3500mm，筒体直段筒深4000mm。

筒体设计水深（压力）：2000m（20MPa）。

水密测试通道：12个，最小测试流道直径大于10mm。

高压舱内试验介质温度：室温。

高压舱内试验介质：自来水。

设计使用寿命：30年。

筒体、舱盖、卡箍材质20MnMoNb。

2.3 压力加载控制主要技术参数

高压舱及试验样件的升、降压速率：1MPa/min。

压力控制精度：0.1MPa。

压力监测仪表的精度不低于1.0级。

显示仪表的测量范围应在满量程的20%～75%间。

试验样件最大试验压力42MPa，最大试验容积260升。

液压执行机构最大工作压力5000PSI（34.5MPa），单个液压缸最大工作容积20L，液压缸数量最多2个。

高压舱设计压力20MPa。

压力加载管路：共分三路，第1路满足高压舱试验压力加压；第2路满足试验样件内腔加压；第3路满足驱动装置液压系统加载，包括2个液压缸和1个液压马达所需工作回路。

低压注水和排水：从舱体底部注水和排水，2h内注满高压仓。

2.4 试验装置中央监测控制操作平台

在1个监测控制平台上完成对高压舱、试样样件流道、液压执行机构的压力加载过程、液压执行机构开关动作的集中控制和水下监测。

具有1套独立的水下摄像照明监测、记录系统，系统工作电压为交流三相380V±10%，50Hz或（和）单相220V± 10%，50Hz。

对压力加载控制系统采用程序控制，自动记录显示压力加载曲线，具有数据导出、打印；过载报警和安全泄放功能。

3 系统设计实施方案

3.1 高压舱水压加载系统

本系统为集成的加载系统，对尺寸为内径3.5m、有效筒深4m的高压舱进行充水加压。配置一台预充泵进行高压舱内部充水，当水充满高压舱时，再使用高压电动柱塞泵进行高压充水，至Max.20MPa，高压舱内部配置可承受20MPa水压的视频监控系统和照明装置。所有的接口均采用防水、耐外部高压的接口形式。

系统配置1500L水箱，通过预充泵将自来水存储在水箱内，并与现场供水相连，确保系统能够正常运行，且如果供水不满足设备使用要求，可以通过电控自动控制泵启停，避免供水泵因水量不够而损坏。

系统使用低压预充泵将高压舱充满自来水，该低压预充为潜水泵，直接放置在蓄水池中，为了保证高压舱的使用安全，在出水管路上安装Y型过滤器，过滤精度200目，避免颗粒较大的杂质进入舱内。为了能够较快速度地充满测试工件，并配备气动预充阀和手动截止阀。预充过程中同时将1500L水箱灌满，用作升降压使用。

预充完毕后，利用高压泵进行增压。高压泵为电动柱塞泵，配备变频电机，变频电机由变频器来控制，通过变频来控制注入速率和升压速度，高压柱塞泵的柱塞材质为SS304不锈钢材质，增强耐磨性和防腐蚀性。高压泵电机功率为15kW，排量为30L/min，增压压力高压25MPa。并且在出口配置气动输出阀和气动泄压阀，实现设备的自动到压停机。

该系统采用高低压双泵结构，低压泵为前级泵，用于高压泵的预增压泵。高压泵可将介质增压至Max.25MPa，满足测试工件的压力需求（Max.20MPa）。

系统核心装置为由变频电机控制的高压电动柱塞泵，变频电机由变频器来控制，可实现柱塞泵的流量和压力的无级调速。柱塞泵采用洁净的自来水作为试验介质，同时系统内配有高压手动、气动阀门、高精度压力传感器、压力表等零部件，均为国内外知名品牌，性能稳定。系统可通过远程或者手动控制对测试压力进行有效控制，并采集试验过程压力相关数据，软件界面设计能够显示压力-时间曲线。高压舱内配置照明装置和监控摄像头，工作压力均满足最大压力要求。通过配置照明装置和监控摄像头，可对试验过程中的试验工件进行监控，观察高压舱内加压情况，舱内情况可通过网络传输至监控台进行远程观察。本系统为国内外成熟技术，安全可靠，性能稳定，保障有力。

3.2 试验样件水压加载系统

系统为集成的加载系统，与高压舱水压加载系统并行使用，合成为撬装结构，针对用户需求，对试验样件最大试验压力42MPa、最大試验容积260升进行充水加压。设备配置一台气动液泵进行试验样件内部充水，充水最高可达42Mpa。

4 结语

总而言之，本套系统的设计开发将对深海设备的工况验证提供非常有力的数据支持，对我国海洋石油装备现场应用前，提供了一套厂内综合试验系统；本试验系统经过多次专家讨论，设计论证，对高压釜的安全设计标准，设计结构形式，设计建模计算，密封方式，开启方式，高压控制系统，密封接头方式等，都做了详细的设计方案论证。本方案正在和国内几家海洋设备开发的企业洽谈合作，将很快应用于设备开发的生产企业，提高我国深海海洋装备的开发能力。

参考文献

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