模擬深海高壓艙試驗系統設計方案

李國強

摘 要：該系統設計開發了一套模擬深海高壓試驗環境系統，可模擬水下2000m壓力環境，并可對試驗設備進行高壓循環測試；設計的高壓試驗艙結構簡單，安裝空間大，開啟方便，密封采用獨特設計，特殊材料，安全系數高；被試件安裝方便，打壓通道設計巧妙，試驗過程采用遠程操作，無死角監視。將對我國在深海海洋設備的開發提供有力的廠內試驗數據支撐，對設備改型&改進的測試，創建了一套可以完全模擬海底不同水深環境的可視化試驗系統。

關鍵詞：深海高壓艙 試驗系統 水下閥門 高壓加載

中圖分類號：TH49 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）11（a）-0010-02

近年來我國在海洋石油開發設備及技術開發的投入很大， 海上能源工程新興產業及技術也取得不小的進步，但與世界先進水平以及我國海上能源開發的實際需求相比還差距很大，主要表現在：深水工程裝備差距大：2011年我國建成部分深水工程重大裝備，但距離形成系統作業和施工作業深水作業船隊還有很大差距，還遠遠不能滿足我國南海深水開發的實際需求，同時與之配套的深水作業能力還處于探索階段；深水油氣田勘探開發工程技術、裝備差距大；所以開發配套深海油氣開采的裝備至關重要。深海高壓艙試驗系統是為針對深海管線閥門，在工廠內建造一套試驗環境，為設備開發過程試驗提供有力的工況數據支持。

該系統能夠模擬2000m深海環境壓力，且在該深海環境壓力下的水下閥門及執行機構總成能夠正常模擬油氣介質在額定設計介質壓力和執行機構工作壓力下的全壓差正常開啟或關閉。模擬產品在工作時的壓力環境及功能測試要求，充分提高用戶產品質量。系統主要包含6個部分：高壓試驗艙體、密封卡箍裝夾裝置、高壓艙水壓加載系統、試驗件水壓加載系統、閥門液壓執行機構動力加載系統、中央監測控制平臺。

1 試驗系統介紹

1.1 深海高壓艙

主要由筒體、艙蓋、穿插水密接頭、艙蓋密封圈、密封卡箍或密封剪切環組成；試驗設備按GB 150-2011《壓力容器》、JB 4732-1995（2005確認）《鋼制壓力容器-分析設計標準》的規定進行設計、制造、組焊、檢驗與驗收；同時還應符合TSGR 21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》的有關要求，并參照執行GB 150-2011《壓力容器》的規定。

1.2 密封卡箍裝夾裝置

高壓艙蓋或剪切環與筒體為兩體式結構，在完成兩者的配合安裝后，采用自動裝夾裝置實現裝卸方便、安全快捷。高壓艙蓋的起吊，采用配套的液壓或電動裝置實現自動定位、起落、平移。

1.3 高壓艙水壓加載系統

主要作用和功能是向高壓艙筒體內注滿試驗介質，并達到試驗要求的試驗壓力，試驗結束后，將高壓艙內的試驗介質泄放或排空。為保證試驗介質自來水的清潔，試驗管路使用高壓不銹鋼管及接頭，泵、閥材質也為不銹鋼。

1.4 試驗樣件水壓加載系統

主要作用和功能是向試驗樣件流道內注滿試驗介質，并達到試驗要求的試驗壓力，試驗結束后，將各自試驗、工作腔體內的試驗介質泄放或排空。為保證試驗介質自來水的清潔，試驗管路使用高壓不銹鋼管及接頭；泵、閥材質也為不銹鋼。該系統與高壓艙水壓加載系統統一設計為一套系統，成撬裝設計。

1.5 液壓執行機構動力加載系統

主要作用和功能是向液壓執行機構液壓缸內注滿工作介質，并達到試驗要求的動作壓力，試驗結束后，將各自試驗、工作腔體內的試驗介質泄放或排空。液壓執行機構用液壓加載系統應分別實現對ROV模擬液壓馬達、液壓缸的壓力控制，兩者不同步操作。

1.6 試驗裝置中央監測控制平臺

主要作用和功能是控制高壓艙、試驗樣件內腔的加載過程，對壓力進行實時監測和記錄，同時對試驗管路進行控制和監測，通過水下攝像設備，對液壓執行機構開關動作進行實時監測、記錄。能實現手動和遠程自動控制，對壓力加載控制系統采用程序控制，自動記錄、顯示壓力加載曲線，具有數據導出、打印、編輯功能，同時可壓力檢測過載報警、卸放。主要由壓力傳感器、配電柜、高壓球閥、高壓安全閥、工控機、水下攝像器材、控制試驗軟件等組成。

2 系統設計參數

2.1 使用環境條件

配電電源條件：交流三相380V±10%，50Hz或（和）單相220V±10%，50Hz。

工作環境溫度：5℃～40℃（室內）。

環境濕度：30%～50%。

2.2 高壓艙主要技術參數

筒體內徑：3500mm，筒體直段筒深4000mm。

筒體設計水深（壓力）：2000m（20MPa）。

水密測試通道：12個，最小測試流道直徑大于10mm。

高壓艙內試驗介質溫度：室溫。

高壓艙內試驗介質：自來水。

設計使用壽命：30年。

筒體、艙蓋、卡箍材質20MnMoNb。

2.3 壓力加載控制主要技術參數

高壓艙及試驗樣件的升、降壓速率：1MPa/min。

壓力控制精度：0.1MPa。

壓力監測儀表的精度不低于1.0級。

顯示儀表的測量范圍應在滿量程的20%～75%間。

試驗樣件最大試驗壓力42MPa，最大試驗容積260升。

液壓執行機構最大工作壓力5000PSI（34.5MPa），單個液壓缸最大工作容積20L，液壓缸數量最多2個。

高壓艙設計壓力20MPa。

壓力加載管路：共分三路，第1路滿足高壓艙試驗壓力加壓；第2路滿足試驗樣件內腔加壓；第3路滿足驅動裝置液壓系統加載，包括2個液壓缸和1個液壓馬達所需工作回路。

低壓注水和排水：從艙體底部注水和排水，2h內注滿高壓倉。

2.4 試驗裝置中央監測控制操作平臺

在1個監測控制平臺上完成對高壓艙、試樣樣件流道、液壓執行機構的壓力加載過程、液壓執行機構開關動作的集中控制和水下監測。

具有1套獨立的水下攝像照明監測、記錄系統，系統工作電壓為交流三相380V±10%，50Hz或（和）單相220V± 10%，50Hz。

對壓力加載控制系統采用程序控制，自動記錄顯示壓力加載曲線，具有數據導出、打印；過載報警和安全泄放功能。

3 系統設計實施方案

3.1 高壓艙水壓加載系統

本系統為集成的加載系統，對尺寸為內徑3.5m、有效筒深4m的高壓艙進行充水加壓。配置一臺預充泵進行高壓艙內部充水，當水充滿高壓艙時，再使用高壓電動柱塞泵進行高壓充水，至Max.20MPa，高壓艙內部配置可承受20MPa水壓的視頻監控系統和照明裝置。所有的接口均采用防水、耐外部高壓的接口形式。

系統配置1500L水箱，通過預充泵將自來水存儲在水箱內，并與現場供水相連，確保系統能夠正常運行，且如果供水不滿足設備使用要求，可以通過電控自動控制泵啟停，避免供水泵因水量不夠而損壞。

系統使用低壓預充泵將高壓艙充滿自來水，該低壓預充為潛水泵，直接放置在蓄水池中，為了保證高壓艙的使用安全，在出水管路上安裝Y型過濾器，過濾精度200目，避免顆粒較大的雜質進入艙內。為了能夠較快速度地充滿測試工件，并配備氣動預充閥和手動截止閥。預充過程中同時將1500L水箱灌滿，用作升降壓使用。

預充完畢后，利用高壓泵進行增壓。高壓泵為電動柱塞泵，配備變頻電機，變頻電機由變頻器來控制，通過變頻來控制注入速率和升壓速度，高壓柱塞泵的柱塞材質為SS304不銹鋼材質，增強耐磨性和防腐蝕性。高壓泵電機功率為15kW，排量為30L/min，增壓壓力高壓25MPa。并且在出口配置氣動輸出閥和氣動泄壓閥，實現設備的自動到壓停機。

該系統采用高低壓雙泵結構，低壓泵為前級泵，用于高壓泵的預增壓泵。高壓泵可將介質增壓至Max.25MPa，滿足測試工件的壓力需求（Max.20MPa）。

系統核心裝置為由變頻電機控制的高壓電動柱塞泵，變頻電機由變頻器來控制，可實現柱塞泵的流量和壓力的無級調速。柱塞泵采用潔凈的自來水作為試驗介質，同時系統內配有高壓手動、氣動閥門、高精度壓力傳感器、壓力表等零部件，均為國內外知名品牌，性能穩定。系統可通過遠程或者手動控制對測試壓力進行有效控制，并采集試驗過程壓力相關數據，軟件界面設計能夠顯示壓力-時間曲線。高壓艙內配置照明裝置和監控攝像頭，工作壓力均滿足最大壓力要求。通過配置照明裝置和監控攝像頭，可對試驗過程中的試驗工件進行監控，觀察高壓艙內加壓情況，艙內情況可通過網絡傳輸至監控臺進行遠程觀察。本系統為國內外成熟技術，安全可靠，性能穩定，保障有力。

3.2 試驗樣件水壓加載系統

系統為集成的加載系統，與高壓艙水壓加載系統并行使用，合成為撬裝結構，針對用戶需求，對試驗樣件最大試驗壓力42MPa、最大試驗容積260升進行充水加壓。設備配置一臺氣動液泵進行試驗樣件內部充水，充水最高可達42Mpa。

4 結語

總而言之，本套系統的設計開發將對深海設備的工況驗證提供非常有力的數據支持，對我國海洋石油裝備現場應用前，提供了一套廠內綜合試驗系統；本試驗系統經過多次專家討論，設計論證，對高壓釜的安全設計標準，設計結構形式，設計建模計算，密封方式，開啟方式，高壓控制系統，密封接頭方式等，都做了詳細的設計方案論證。本方案正在和國內幾家海洋設備開發的企業洽談合作，將很快應用于設備開發的生產企業，提高我國深海海洋裝備的開發能力。

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