放射狀液壓系統微泄漏降壓法定位技術

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(1.中國海洋石油有限公司 深圳分公司， 廣東 深圳 518067； 2.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

0 引 言

當前中國深水回接油氣田越來越多，深水油氣田的液壓系統組成一般包括海平面上的液壓源和接線終端等，以及海平面下1個分配中心和幾個分布于不同地點的水下結構，它們之間通過臍帶纜和液壓飛線實現系統連接，液壓系統經常因為有多個分支而稱為放射狀液壓系統[1-3]。深水液壓系統管路長，通常臍帶纜長幾十公里或上百公里。由于深水液壓系統只能采用快速接頭形式進行連接，存在快速接頭靜密封失效的潛在風險。當液壓系統發生泄漏/微泄漏時，傳統方法是派遣工程船出海檢查，所攜帶遙控無人潛水器(Remote Operated Vehicle, ROV)貼近液壓管路(即臍帶纜/液壓飛線)沿途進行視覺掃視檢查，通過發現液壓系統染色劑以定位微泄漏點，尤以微泄漏定位檢查最為困難[4-5]。傳統方法下，在ROV視覺掃視檢查期間，液壓系統一直需為系統加液/加壓維持故障狀態，以便ROV發現微泄漏點。如果微泄漏量低于30 L/d，ROV幾乎難以發現染色劑，傳統方法將無法完成泄漏點定位。再比如泄漏如果屬于內泄漏而不是外泄漏，ROV視覺檢查則徒勞無益。本文介紹液壓系統微泄漏降壓法定位技術以應對上述不利工況。

1 故障分析

圖1 某深水油氣田液壓控制系統主干路圖

圖2 壓力對比曲線

南海某深水油氣田的液壓控制系統干路如圖1所示，粗實線為臍帶纜，B、C、D端點的短細線則代表液壓飛線，幾段臍帶纜呈放射狀連接，管路的內徑皆為12.70 mm，ABCDO范圍內無閥門，液壓源在A點區域。A、B、C、D等4點有高精度壓力計(0.5‰)，O點區域無壓力計。2015年系統發生微泄漏故障，每天泄漏量約為50 L/d(液壓液年損失價值約人民幣98萬元)。由于B、C、D各點都有多條液壓飛線連接水下設備，相應地，每條液壓飛線應考慮其兩端的兩處接口，采用液壓快速接頭進行連接，密封失效/泄漏故障發生率相對較高；O點發生多個分支，同時考慮邏輯帽因素，每條分支至少有3處分段接口，同樣發生故障概率較高。在不排除其他位置泄漏的情況下，較大概率可能性是整個系統中只有1處泄漏，并且泄漏點在B、C、D、O各點其中的某一小范圍區域內。將泄漏分為3種情況進行考慮，即：(1)B或C點泄漏(OB和OC是類似長度的短支線)；(2)D點泄漏(長支線)；(3)O點泄漏(分支公共點)。

泄漏點定位分析步驟如下：第一步，對該故障液壓系統增壓至其運行壓力(注意，不能超過運行壓力，以免故障擴大)，將ABCDO管路與液壓源有效隔離，同時在每個液壓飛線的末端將系統與水下設備進行隔離，系統在此條件下通過泄漏點自然泄壓，可獲得1組系統自然泄壓數據(在A點壓力從運行壓力降至0壓力的泄壓過程中B、C、D各點的壓力)。第二步，對比相同時間B、C、D各點壓力數據，發現數據之間相關性趨勢/差異(見圖2)，C和D點差異曲線基本水平，而C-B兩點間以及D-B兩點間差異曲線在前半部分上翹趨勢明顯，且差異的絕對值逐漸縮小，并且差異曲線的趨勢基本一致。差異曲線波動振幅<0.1 bar；曲線的后半程近似水平，波動振幅≤0.2 bar。這可被認為找到了泄漏故障定位的突破口，根據相關性原則推斷B點泄漏。第三步，進行計算和確認。根據液壓系統設計壓力和壓力儀表誤差范圍等基本信息，認定在對比差異趨勢線中0.2 bar和0.1 bar波動按誤差考慮。同時，前半程差異變化部分約為1 bar，明顯大于誤差范圍，認定為泄漏的表征，充分說明該組曲線意味著系統發生了泄漏。由流體力學原理可知：在液壓系統未泄漏時，系統中任意兩點的壓力之差是常數；在泄漏發生時，如果任意兩點壓力變化過程中出現對比差異，應是泄漏流量造成的。(由于ABCDO管路范圍內無管徑改變情況，也沒有裝置計量表和閥門等配件，局部水頭損失可忽略，本例只考慮沿程阻力損失。)液壓管路AO段淺水區海床溫度為16 ℃，深水區海床溫度約為4 ℃。OA段流體黏度采用平均值；其余各段皆采用海床溫度4 ℃進行黏度選取，見表1。

表1 Oceanic HW443R(液體)典型物理性能

2 B點泄漏計算及驗證

如圖2壓力對比曲線所示，現假設故障處于B點區域小范圍內，B點泄漏的流量是AO、OB、CO、DO等4段臍帶纜按其管路體積成比例貢獻的，4段臍帶纜總長為113.2 km。以B點泄漏總流量為1個單位進行討論，則AO段貢獻80/113.2，OB段貢獻3.5/113.2，CO段貢獻3.7/113.2，DO段貢獻26/113.2。AO管段內每個橫截面的流量也不同，在A點微單元貢獻流量近似為0，而由于AO段所有微單元的貢獻流量均參與了O點流量，因此在O點流量近似為80/113.2。同理，CO、DO段的流量也符合這樣的關系。由于管徑一致，流速與流量成比例關系。當B點泄漏量為50 L/d時，流速情況見表2。

表2 各管段流速表

在本例中液壓管路是臍帶纜內圓形鋼管，根據雷諾數公式Re=ρVD/μ=VD/ν(ρ為液壓液密度；V為截面平均流速；D為臍帶纜內液壓管路直徑；μ為動力黏度；ν為運動黏度)，求得各點位雷諾數，判斷液壓管路內流型皆為層流[6]。

在約50 L/d的微泄漏時，從A點到B點的沿程阻力損失為

(1)

式中：λ1為沿程阻力系數；L1為AO段臍帶纜長度；v1為AO段管路首尾平均流速，取0.001 62 m/s；D為臍帶纜內液壓管路直徑；g為重力加速度；λ2、L2和v2為OB段管路相應數值，v2取0.004 50 m/s。經計算在微泄漏(50 L/d)發生初始時刻，B點壓力突降約為10 bar，不易在記錄曲線上被察覺。

在B點泄漏的初始瞬間，C、D兩點壓力保持不變。后期在B點區域小范圍內接口位置進行檢查，現場證實了B點泄漏?，F場檢查時將ROV上的探照燈熄掉，只使用機械臂上查漏燈照射液壓飛線的接口，發現了染色劑，如圖3所示，焦點右側色彩不規則部分為染色劑，確認微泄漏降壓法定位技術可靠。在本例液壓系統中，B點泄漏代表液壓系統短支線的泄漏情況。泄漏點處無明顯壓力突降，而泄漏支路與其他支路壓力對比曲線有明顯趨勢性特征。

圖3 ROV 在B點發現染色劑

3 D點和O點微泄漏特征

從服務于未來泄漏故障處理及方法推廣角度考慮，仍以本例液壓系統為模型，進一步研究D點(代表長支線末端泄漏)和O點(代表系統公共點泄漏)泄漏故障特征。當液壓系統微泄漏發生在D點時，各段液壓管路根據其體積比例貢獻泄漏流量，系統各管路流速見表3。

表3 D點微泄漏各管段流速表

經計算D點在泄漏瞬間的壓力突降約為42 bar。如圖4所示, 壓力突降的數值較大，可非常明顯地在D點壓力計的曲線上觀察到，不同于B點同等程度微泄漏。

圖4 D點泄漏壓力突降及壓力曲線

綜上所述，判斷D點微泄漏(長支路末端發生微泄漏)依據以下特點：(1)在泄漏發生時，泄漏支路有較明顯壓力突降，而其他支路沒有壓力突降。(2)在液壓系統自動增壓工作的情況下，實線表示其壓力曲線[7]；在自動增壓不工作的情況下，壓力將沿虛線逐漸降低。(3)關閉自動增壓設備，讓系統從運行壓力自然降壓(降壓法思路)，壓力對比曲線的特征與圖2類似。同時得出判斷O點發生微泄漏的特征：(1)由于本系統在O點無壓力儀表，無法確切了解任一時刻O點壓力，但是可推斷出B、C、D等3點的壓力無明顯壓力突降；(2)關閉自動增壓設備，讓系統從運行壓力自然降壓，3條壓力對比曲線應都呈水平線趨勢。

4 敏感性分析[8]

敏感性分析的目的在于找出適用降壓法的液壓支路最小長度與泄漏流量、液壓管路總長度之間的關系。

(1) 液壓支路最小長度與泄漏流量的關系。使用圖2液壓系統進行計算，得到泄漏流量Q與泄漏支路長度L的關系為Q·L2=常數。液壓系統發生泄漏30 L/d時，計算得出的支線最小長度約為1 173 m；液壓系統發生泄漏40 L/d時，其最小管路長度約為1 120 m；液壓系統發生泄漏50 L/d時，最小管路長度約為1 000 m；液壓系統發生泄漏60 L/d時，最小管路長度約為920 m。

(2) 液壓支路最小長度與液壓管路總長度的關系。管路總長度約為Skm的放射狀液壓系統，使用最小泄漏量30 L/d，泄漏點流速為0.002 7 m/s，最小支線長度為L, 泄漏支線的平均流速則為V=0.002 7 m/s(S-L/2)/S。仍以0.5 bar差異作為判斷泄漏的依據(約為壓力計誤差0.225 bar的2.2倍)，代入沿程阻力損失計算公式可得1 167 m=L-L2/2S。據此可求出一組數據：

S100 km 90 km 80 km 70 km 60 km 50 km 40 km 30 km

L1 174 m 1 175 m 1 176 m 1 176 m 1 179 m 1 180 m 1 184 m 1 190 m

由此看出，管路最小長度對泄漏流量更敏感，而對液壓系統管路總長度不敏感。

5 結 語

根據在某深水油氣田液壓泄漏故障處理的經驗，可依據以下幾點特征判斷泄漏點位置：(1)在短支路液壓微泄漏時，泄漏點無明顯壓力突降，無故障支路間的壓力對比曲線呈現為水平線，與泄漏支路間的壓力對比曲線有明顯不同趨勢特征。(2)在長支路液壓微泄漏時，泄漏點有明顯壓力突降，無故障支路間的壓力對比呈現為水平線，與泄漏支路之間的壓力曲線有明顯不同趨勢特征。(3)在線路公共點發生微泄漏時，各支線末端無壓力突降，任意支線末端壓力對比曲線應呈現水平線。同時建議，在微泄漏現場檢查時，應關閉ROV探照燈，僅使用查漏燈進行探查，否則，受背景光源影響，在微泄漏的染色劑很難被發現。