水下防噴器自動剪切和失效安全系統的設計思路

何 凡

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

水下防噴器自動剪切和失效安全系統的設計思路

何 凡

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

美國石油協會組織于2012年出版的API Standard 53標準相對于之前的API RP53，對水下防噴器的應急備用部分做出了強制性要求，需要配備自動剪切以及失效安全兩種系統。針對該要求，目前現役的大部分水下防噴器控制系統需要進行升級改造。本文通過對規范的解讀，對自動剪切及失效安全功能進行系統原理上的逐一分析，提出一種升級改造的設計思路。

水下防噴器控制系統；自動剪切；失效安全；電液多路控制系統

0 引言

美國安全與環境執法局（BSEE）于2016年4月發布了“最終井口控制規范”[1]（Final Well Control Rules）。在該井控規范中，借鑒深水地平線半潛式鉆井平臺的事故經驗[2]、調查報告以及業界鉆探公司、學術機構、環境組織以及設備廠家的反饋情況，對水下防噴器（BOP）系統提出了更高的要求且需要滿足API Standard 53[3]規范。除了要求水下防噴器組需要配備兩組鉆桿剪切閘板之外，特別是對于防噴器的控制系統，還需要強制配備自動剪切和失效安全兩種功能。針對這些增加的強制要求，本文闡述了對水下防噴器的控制系統進行設計的一些思路和方法。

1 電液多路控制應急系統簡介

水下防噴器制造商 Hydril、Cameron、Shaffer在近幾年交付的項目中控制系統均采用電液多路控制系統，其設計原理可簡要表述為：

1）水面部分：液壓充能及蓄能、控制面板及中央處理器、電力及通信；

2）水下部分：水下電子模塊（SEM）、液壓總管及閥組、應急控制部分。

水面部分的液壓能通過依附在隔水管（marine riser）上的剛性液壓管和軟管為水下部分提供先導信號能及控制回路液壓能；水面部分的電力及通信信號通過依附在隔水管上的水下電纜對水下電子模塊進行供電及相互通信；輸送到水下的液壓能被分成兩部分：先導回路及主控制回路；封裝在壓力補償腔中的電磁閥組控制接通液壓先導回路，液壓先導回路控制接通主液壓控制回路。水下主要的液壓控制回路和電子模塊被集成為一體，叫做控制艙（control pod）。當水面發出某一命令時，該命令信號通過水下電纜傳輸到選擇的控制艙，并觸發相關的電磁閥，接通對應的液壓回路執行該命令。

1.1 水下防噴器應急備份控制系統

下部隔水管總成（LMRP，lower marine riser package）為隔水管和水下防噴器的連接部分，安裝有環形防噴器、隔水管下部萬向接頭、泥漿增壓短接、水下控制艙以及和下方防噴器組（BOP stack）連接用的液壓連接接頭。因水下防噴器組的控制液壓回路需要和LMRP相連，又需要LMRP與之脫開，液壓和電路部分典型的連接方式為插入式且配備有密封及鎖緊脫開裝置，一旦LMRP與BOP脫開或主要控制功能失效，主液壓控制和電信號回路將會中斷，BOP的功能只能由應急備份控制系統來完成。這些應急備份控制系統主要分成四部分：自動剪切系統、失效安全系統、聲學控制系統和水下機器人介入。

自動剪切系統是在非計劃性脫開LMRP自動關井的安全系統。其實現的方式是，在LMRP和BOP之間安裝推桿液壓閥，在自動剪切功能預備時，一旦LMRP和BOP脫開，該閥將會開啟，使先導液進入主控制閥，接通主控制回路，進而主控制液可進入 BOP操作液缸（operator），推動關閉BOP剪切閘板，如圖1所示。

失效安全系統是在同時失去控制及液壓信號時自動關井的安全系統。其實現的方式是，液壓先導回路串聯分別為失去液壓信號和失去供電信號的液壓閥；在失效安全系統預備時，當水下防噴器LMRP上同時失去液壓和電力，即這兩個液壓閥同時開啟時，先導液將進入主液壓閥控制腔打開主控制回路。主控制液即可以進入BOP操作液缸推動關閉BOP剪切閘板，如圖2所示。

1.2 應急備份系統能量源

因LMRP和BOP脫開后，BOP上將會失去主液壓控制能量，因而上述兩種系統的能量源需來自于底部的防噴器組。

在底部BOP上可安裝蓄能器組，以便在失去主液壓控制能時對最重要的防噴器功能，如剪切閘板、剪切盲封閘板等進行應急關斷操作。在水下防噴器正常工作時，該蓄能器組由水面蓄能器組單向充液。

2 API Standard 53對水下防噴器控制系統的要求及實現方式

2.1 API Standard 53中電液多路控制系統的要求

以下章節摘自API Standard 53標準：

“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).”

可以看出水下防噴器控制系統必須配備自動剪切和失效安全系統，且它們可以分享應急備份蓄能器系統。

2.2 同時配備自動剪切和失效安全系統的實現方式

簡單地說，把前面提到的兩個示意圖合并，自動剪切回路和失效安全回路通過梭閥連接到防噴器的剪切閘板可以實現API Standard 53中的要求（如圖3所示）。但這僅僅局限于配備有單個剪切閘板的水下防噴器組。在API Standard 53中同時有針對Class 5及以上的水下防噴器組則有需要配備兩組剪切閘板的要求：

“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 自動剪切和失效安全系統設計

在配備有兩組閘板的水下防噴器上，可以有以下設計思路：

1）通過液壓兩位四通閥來選擇關閉上部或下部的剪切閘板；

2）液壓先導回路集中；

3）主液壓控制回路集中；

4）先導液壓回路控制部分配備液壓鎖。

當自動剪切和失效安全系統同時存在時，它們的觸發邏輯如表1所示。

基于上述思路及控制邏輯，考慮到LMRP與BOP脫開時，自動剪切和安全失效系統可同時觸發，如若同時觸發且關斷兩者的剪切閘板，將會使得所需應急蓄能器組的數量大大增加。因此，自動剪切及失效安全系統的系統圖可以設計成圖 4所示，用于配備兩組剪切閘板的水下防噴器組（注：液壓部分的安全保護及電氣信號反饋等細節未在其中反映）。

表1 控制邏輯

4 結論

水下防噴器控制系統依然為核心關鍵技術。目前仍屬于少數國外廠家壟斷部分。

通過對API Standard 53規范的理解，以及對水下防噴器應急控制系統的分析，本文詳細介紹了對于水下防噴器控制系統同時配備自動剪切和失效安全系統時對該系統進行設計的思路。對于以后國內設計研發人員對這一部分的研發有一定的啟發作用，同時對于現有水下防噴器的升級改造有借鑒意義。

[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：鉆井設備及水下設備系統。