水下控制模塊的結構分析與設計

楊 安 王立權 蘇 鋒 李維天 陳 斌 馬洪文

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.哈爾濱工程大學機電工程學院，哈爾濱 150001)

自20世紀60年代以來，國外水下采油技術突飛猛進，水下生產控制系統被用于控制采油生產時井口的壓力和流量、清蠟及化學藥劑注入等采油流程。目前復合電液控制方式是應用較廣泛的一種控制方式，它將多個水下控制模塊連接到同一根臍帶纜的終端上，使操作者在岸上的工作站內可以對水下設備的各個閥門進行遠程操作，水下設備上的傳感器實時監測水下設備的工作狀態，并將狀態信息傳送到岸上的主控站內，從而實現了對水下多口井的控制。該類控制系統的特點是響應速度快、傳輸距離長、易實現集中控制。水下控制模塊是復合電液控制方式的重要組成部分，一般將其安裝在水下采油樹、水下分離器及管匯等水下設備上[1～3]。

1 水下控制模塊的組成①

水下控制模塊一般采用模塊化設計，將內部器件集成在一個密封的殼體中，為了降低殼體的制造成本，殼體中充滿礦物質油，用來平衡海水的壓力。水下控制模塊一般能夠被重復利用，在水下能夠被單獨安裝和取出，通過使用水下吊裝工具和水下機器人將水下控制模塊安裝到水下采油樹等設備上。

水下控制模塊內部結構復雜，集機械、電氣及液壓等技術于一體(圖1)，主要包括鎖緊機構、換向閥、蓄能器、壓力補償器、深水液壓接頭、濕插拔電連接器及水下電子模塊等，這些組件相互配合來控制水下采油設備。水下控制模塊底板設計有導向裝置，以便水下控制模塊的精確安裝，同時頂部上安裝有遙控車(Remotely Operated Vehicle,ROV)適配接口，方便回收和替換。

圖1 水下控制模塊典型結構

2 水下控制模塊設計

2.1 基本要求

筆者的設計主要是針對淺水測試場的水下控制模塊實驗，目標是做出初步的實驗樣機，相比于國外技術指標有所降低，其主要設計指標如下：

設計水深 水下50m

通信方式 電力載波通信和光纖通信

內部液壓控制功能 具備10路低壓控制口(20.685MPa),2路高壓控制口(34.475MPa)

傳感器類型 4～20mA、Canbus、Modbus

2.2 重點要素分析

水下控制模塊設計主要考慮壓力、海水腐蝕及密封等因素的影響。

深水環境下的壓力。水下控制模塊殼體主要受到內部礦物質油的靜壓力和外部海水的靜水壓力，另外還會受到海水的沖擊壓力。水下控制模塊內部使用的壓力補償器需經過較精確的估算，如果壓力補償器補償的油量不及時，會造成外部的靜水壓力大于水下控制模塊內部的壓力，所以在設計時需給殼體留出一些余量，可使殼體承受一定的壓力差[4]。同時為了避免壓力集中的現象，需對水下控制模塊殼體局部進行優化設計。

海水腐蝕。水下控制模塊長期工作在深海環境下，腐蝕會給其正常工作帶來極大的影響。控制模塊系統與外界海水接觸的殼體會受到海水的強烈腐蝕作用。所以設計結構時要注意殼體材料的選擇，同時采用犧牲陽極的方法減少殼體的腐蝕[5]。

密封。由于壓力補償器的作用，水下控制模塊殼體的密封主要使用氟橡膠密封，選擇密封件主要考慮密封件的使用壽命，設計整體結構時要充分考慮密封件安裝的方便性[6]。水下控制模塊內部元器件的密封方式多采用金屬密封和非金屬密封組合的方式，這兩種密封方式的機理是通過預緊力使密封件發生彈性變形或彈塑性變形后，使密封件與密封面貼合。

2.3 部分水下控制模塊內部器件分析與選型

國外有多家公司為生產水下控制模塊的公司提供配件，水下控制模塊內部元器件的生產和選用已經標準化。因為筆者設計的是實驗樣機，所以在研究國外標準化器件的基礎上，選擇與其相似的國內器件即可滿足實驗要求。

內部電液方向閥的分析與選型。水下控制系統在深水環境下工作時，其大部分組件不但要承受外部海水的壓力，而且要有較強的抗腐蝕能力，所以所采用的電子器件和液壓元件一般不能直接用在深海環境下[7]。水下控制模塊內部采用的方向控制閥是電液換向閥，這種產品一般是為水下控制模塊特制的，具有較好的耐腐蝕性和較高的可靠性。電液換向閥的閥體主材料多采用316L不銹鋼。它與岸上使用的電液換向閥的主要區別是其具備液壓自鎖和失壓復位功能。為了延長換向閥內部控制線圈的使用壽命，同時降低期間功耗并減少發熱量，水下電液換向閥采用脈沖操作，進而要配備液壓自鎖功能，這樣會使換向閥內部閥芯保持特定的工作位置。當水下控制模塊的電子設備失效時，為及時關閉水下設備上的各工作閥門，通過降低岸上液壓動力單元的供油壓力，從而降低換向閥供油口的壓力，此時閥芯會移動到初始位置，同時水下設備上的各閥門會關閉，此為失壓復位功能。

蓄能器的分析與選型。在水下控制模塊里，蓄能器作為一個應急液壓源，不但可以解決開閥動作所帶來的壓力降低問題，同時可以吸收液壓沖擊。

蓄能器存儲和釋放的容量與氣囊中氣體的體積變化是相同的，而氣體狀態變化遵守氣體狀態方程，即：

(1)

式中n——指數，等溫過程中n=1.0，絕熱過程中n=1.4；

p0——氣囊的充氣壓力，Pa；

p1——最高工作壓力，Pa；

p2——最低工作壓力，Pa；

V0——儲能器容量，L；

V1——氣囊被壓縮后，對應p1的氣體體積，L；

V2——氣囊膨脹后，對應p2的氣體體積，L。

將體積差ΔV=V2-V1代入式(1)整理可得：

(2)

為保證在p2壓力時，蓄能器仍有能力補償系統泄漏，常取p0=(0.80～0.85)p2。在此，最高工作壓力p1為34.5MPa，水深50m，故最低工作壓力p2=0.5MPa，p0=(0.80～0.85)p2，計算取p0為0.4MPa，ΔV取6L，n取1.4，根據式(2)解得V0=7.3L。經查液壓設計手冊，選擇容積為10.0L，工作壓力為34.5MPa的蓄能器，即可滿足該處的要求。

水下控制模塊底板液壓接頭的分析與選型。水下控制模塊底板使用的液壓接頭為多路板式液壓接頭，該產品的技術在美國、英國和德國已經成熟，被普遍應用在水下油氣田開發領域。該種液壓接頭的特點是便于多個接頭安裝在一個板子上，同時實現多個液壓接頭的插拔，提高了水下連接的效率和可靠性。單個水下液壓接頭不帶鎖緊機構，在整體液壓板安裝完畢后，需要操作一個整體鎖緊機構來實現多個液壓接頭的鎖緊。深水多路液壓板式接頭的安裝一般采用水下機器人來安裝[4]。

水下控制模塊內部的布置安裝。水下控制模塊內部器件繁多，而且內部空間有限，內部結構的布置安裝是一個難點。水下控制模塊外殼一般為圓柱形，殼體裝配后內部充入硅油，用來平衡外部海水的壓力。將水下電子模塊安裝在耐壓殼體中，其他所有內部器件浸泡在硅油中，承受外部海水傳遞的壓力。在此，因為水下控制模塊放在水下50m實驗，外部水壓為0.5MPa，壓力較小，根據經驗選擇殼體壁厚為8mm，足以承受外部壓力。參照國外經驗，將換向閥固定在閥塊上，然后安裝到水下控制模塊底板上，底板上有連接液壓接頭的通路。蓄能器與水下電子模塊一起被安裝在中間隔板上，水下電子模塊殼體頂板上預留出與換向閥和傳感器的電路接口，鎖緊軸從底板中心和中間隔板中心穿過。

3 水下控制模塊的調試與實驗

水下控制模塊在下水前必須進行功能測試，從而保證滿足水下生產控制系統的要求，降低水下生產系統出現故障的幾率。國外生產水下控制模塊的公司專門為水下控制模塊搭建了測試平臺，而筆者針對實驗要求簡化了水下控制模塊的測試內容，主要包括底板對接實驗及聯合測試等。

3.1 水下控制模塊底板對接實驗

水下控制模塊底部安裝有定位導向裝置，用來與水下安裝基座對接，同時可以有效防止多路接頭的錯插。在水下控制模塊底部安裝有特殊形狀的定位銷，作為引導裝置，在對接盤對接前，實現初步的引導定位，這是一個由粗定位到精確定位的過程，如果定位過程有障礙，輕則造成水下控制模塊無法安裝，重則破壞水下控制模塊底板外圍器件。

對接盤上有多個液壓接頭，液壓油導通后，每個液壓接頭上要受到液壓油的分離力，多個液壓接頭的存在使得總分離力和力矩變得復雜，所以鎖緊機構的可靠性變得尤為重要，單軸鎖緊和雙軸鎖緊方式被國外公司普遍采用。雙軸鎖緊方式采用兩根鎖緊軸將水下控制模塊固定在安裝基座上，適合較淺的海域使用，其鎖緊結構可靠；單軸鎖緊方式適合圓柱體結構的水下控制模塊，該鎖緊方式一般和單點吊裝方式一起使用，機械結構較為簡單和緊湊。

3.2 水下控制模塊與水下分離器聯合調試

水下分離器的作用是將從水下井口開采出來的油進行分離，去除里面的水和砂，提高油氣的產量。將原油脫水系統安裝在水下可以有效減少岸上水處理設備的數量，同時減少海底輸送原油管線的流量[8]。水下控制模塊一般安裝在水下分離器的橇體上，其液壓接口與分離器的各閥門連接，水下控制模塊接收來自岸上操作站的指令，來控制分布在水下分離器上各管路的閥門。圖2為本次聯合測試使用的水下分離器，此次聯合實驗所采用的水下分離器上主要有3個安全閥需要水下控制模塊來控制。

圖2 聯合調試用的水下分離器

4 結束語

水下控制模塊是水下生產系統的重要組成部分，它既與岸上的主控站連接，又與水下設備連接，是整個控制系統控制指令和監測信號的樞紐。設計水下控制模塊涉及電子、液壓、機械、密封及材料等多方面的知識，在設計并制造完成后，需要通過嚴格的實驗和測試來驗證其可靠性。目前國外的水下生產技術已經相當成熟，早已成功應用于實際生產，水下控制模塊的使用深度可達水下3km。國內對水下控制模塊的研究多限于理論，對于水下控制模塊的制造和測試還需加大力度。

[1] 朱高磊，趙宏林，段夢蘭.水下采油樹控制模塊設計要素分析[J].石油礦場機械，2013，42(10)：1～3.

[2] 張豐功，王定亞，李磊，等.水下控制模塊的技術分析與發展建議[J].石油機械，2013，41(6):59～62.

[3] 周美珍,張維慶,程寒生.水下生產控制系統的比較與選擇[J].中國海洋平臺，2007,22(3):47～48.

[4] 張理.水下生產控制系統設計探討[C].2010年度海洋工程學術會議論文集.廣州：《中國造船》編輯部，2010:197～203.

[5] 王瑋,孫麗萍,白勇.水下油氣生產系統[J].中國海洋平臺，2009，24(6)：41～42.

[6] 《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程深水油氣田開發技術[M].北京：石油工業出版社，2011：172.

[7] 李磊，鄧平，張豐功，等.電液換向閥在水下生產控制系統中的應用研究[J].石油機械，2013，41(3):58～62.

[8] 曹建強.深海水下分離器液控系統研究[D].青島:中國石油大學，2011.