深水連接器高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)設計

榮曉玲，尹一曉，郭昂，杜可普，吳桂峰，姜洋，徐君臣

（南陽二機石油裝備集團股份有限公司，河南 南陽 473006）

0 引言

我國南海的石油地質儲量占全國石油總量的1/3，其中70%以上蘊藏在海洋深水區(qū)[1]。水下連接器是深水采油設備的重要組成部分[2]，目前水下連接器主要被國外公司壟斷。南陽二機石油裝備集團股份有限公司（以下稱“南陽二機”）與中海油研究總院、中國石油大學（北京）依托“十三五”國家重大專項子課題“水下連接器和安裝工具工程樣機優(yōu)化及配套設備研制”，研制了6 in垂直連接器和12 in水平連接器。

深水套筒式連接器的測試技術是連接器樣機研制中的關鍵技術[3]。目前，套筒式連接器已經用于水深1000～3000 m海域，工作環(huán)境極其惡劣，連接器可能在有限的時間段內直接接觸低溫，正常服役時內腔的油氣溫度又較高[4]，既要承受10～30 MPa的外部水壓又要承受14～70 MPa的內部油氣壓力，對連接器的密封性能要求非常高[5]。在投入使用前，必須嚴格按照標準規(guī)范的要求對其進行各項試驗驗證，確保其在深海環(huán)境下的安全性和可靠性[6]。

1 深水連接器高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)設計背景

1.1 標準規(guī)定

1.1.1 API RECOMMENDED PRACTICE 17R的規(guī)定

標準5.4.2節(jié)和5.5.2節(jié)規(guī)定：應分析熱循環(huán)和壓力循環(huán)對連接器密封性能和部件的影響。壓力循環(huán)試驗的驗收標準應符合API 17D和API 6A附件F對PR2級連接器的要求[7]。

1.1.2 API Spec 17D的規(guī)定

第5.1.7.6節(jié)規(guī)定：在額定工作壓力或載荷下，應對設備進行試驗溫度不低于額定工作溫度級別范圍的鑒定試驗。進行溫度循環(huán)試驗時，按照規(guī)定的試驗程序交替地加熱、冷卻到其額定工作溫度類別的上極限溫度和下極限溫度。在溫度循環(huán)期間，設備應在溫度極限下施加額定工作壓力，不超過標準驗收準則的泄壓[8]。

1.2 國內高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

經對國內有資質的高低溫循環(huán)高壓試驗廠家調研、分析，發(fā)現(xiàn)各廠家設備都不能覆蓋所有型號水下連接器的高低溫循環(huán)高壓試驗，各廠家高低溫試驗室主要參數(shù)情況如表1所示。

表1 各廠家高低溫試驗室主要參數(shù)

根據(jù)標準規(guī)定，為適應深度為1500 m深海環(huán)境條件，要求試驗壓力為34.5 MPa，試驗溫度為-18～121 ℃。由表1統(tǒng)計數(shù)據(jù)可見，各廠家在升、降溫速度上稍有差異，溫度控制精度均可以滿足要求，但均不能同時進行高壓試驗，且廠家A溫度范圍無法滿足試驗要求。

鑒于此，也為了拓展試驗能力，更好地控制試驗過程和進度，南陽二機策劃設計、制造高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)需滿足各系列型號水下連接器的高低溫循環(huán)高壓試驗的尺寸、溫控、壓力及承重等各項測試指標要求。

2 高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)設計方案

2.1 總體方案

按照標準規(guī)定，試驗程序為多輪高低溫循環(huán)的高壓試驗，為降低升降溫過程時間、縮短試驗周期，要求該系統(tǒng)不僅能達到試驗要求的溫度、壓力，實現(xiàn)保溫、保壓，還要能快速升溫和降溫。

設計的連接器高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)主要包括制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、監(jiān)測、控制系統(tǒng)及保溫房體、移運支撐裝置等。

圖1 總體布置示意圖

2.2 制冷系統(tǒng)

采用20 kW制冷機組和導熱油循環(huán)傳熱兩種冷卻方式，實現(xiàn)對試驗房體內空氣及工件表面和工件內部的快速降溫。

2.3 加熱系統(tǒng)

采用空氣加熱器和加熱盤管兩種加熱方式，實現(xiàn)對試驗房體內空氣及工件表面和工件內部的快速升溫。

2.4 高壓系統(tǒng)

密封裝置主要由連接法蘭、密封圈和封板組成。連接法蘭為帶頸法蘭，法蘭頸端開半V形坡口與連接器全熔透焊接，法蘭與封板用螺栓連接；右側封板上焊接加熱盤管同時設有高壓輸入、輸出和增壓接頭；系統(tǒng)通過油壓測試臺進行高壓試驗和控制。

圖2 水下連接器的密封和加熱裝置的結構示意圖

2.5 監(jiān)測、控制系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)的保溫房體內部設置2套耐高低溫的監(jiān)控攝像系統(tǒng)及3個溫度傳感器，溫度傳感器信息與PLC控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)溫度監(jiān)測和控制。

2.6 保溫及安全保障系統(tǒng)

保溫房體底座為鋼結構框架加保溫材料，墻體、頂棚、門均為雙層鋼板加保溫材料，可起到保溫作用；房體一端設置對開門，方便工件移運；對開門四周安裝有柔性密封材料，以減少室內外溫度交換；為方便連接器進出，特設計平車移運，連接器安裝在平車上固定好后運至保溫房內，試驗房體固定在100 MPa的高壓試驗安全房內，在外置的綜合操作臺進行監(jiān)控操作試驗，確保試驗安全。

2.7 工作原理

1）升溫方式：通過壓力測試臺將連接器內腔注滿液壓油，空氣加熱器將保溫房內空氣加熱并穩(wěn)定至某一溫度，再由導熱油在加熱盤管內循環(huán)將連接器內部液體進行加熱，以達到熱傳導平衡的效果，實現(xiàn)連接器快速升溫。

2）冷卻方式：通過制冷機組和導熱油箱分別對試驗室內空氣和連接器內液壓油循環(huán)導熱，實現(xiàn)快速降溫。

在使用時，先把連接法蘭與水下連接器焊接連接，再組裝上封板、密封墊、熱電偶等部件，再將連接器安裝在平車上，沿導軌運輸?shù)皆囼灧績龋B接各管線，關閉房門，然后按試驗程序進行高低溫循環(huán)高壓試驗。

3 技術參數(shù)

溫度范圍為-30～150 ℃；最大壓力為70 MPa；溫度控制精度為0.5 ℃；平臺載重20 t；房體內尺寸為5 m×4 m×4 m。

4 創(chuàng)新點

1）采用空氣加熱和導熱油加熱兩種加熱方式實現(xiàn)快速升溫。

2）采用制冷機組和導熱油傳熱降溫兩種降溫方式實現(xiàn)快速降溫。

3）采用平車與裝夾裝置一體結構，方便工件裝夾固定、移運。

5 方案論證

5.1 溫度試驗的控制

根據(jù)API Spec 6A附錄F.1.9 關于溫度試驗的要求，所設計的高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)都有相應的保障措施，如表2所示。

根據(jù)表2可見，設計的高低溫高壓循環(huán)測試系統(tǒng)充分考慮了標準規(guī)定的關于溫度試驗的要求，該方面滿足標準規(guī)定。

表2 溫度試驗要求及測試系統(tǒng)的保障措施

5.2 保壓期的控制

根據(jù)API Spec 6A附錄F.1.10關于保壓期控制的要求，所設計的高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)都有相應的保障措施，如表3所示。

由表3可見，設計的高低溫高壓循環(huán)測試系統(tǒng)充分考慮了標準規(guī)定的關于保壓期控制的要求，該方面滿足標準規(guī)定。

表3 保壓期控制要求及測試系統(tǒng)相應的保障措施

5.3 壓力和溫度循環(huán)的控制

根據(jù)API Spec 6A附錄F.1.11關于壓力和溫度循環(huán)的要求，所設計的高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)都有相應的實現(xiàn)方式及說明，如表4所示。

根據(jù)表4可見，設計的高低溫高壓循環(huán)測試系統(tǒng)充分考慮了標準規(guī)定的關于壓力和溫度循環(huán)的要求，該方面滿足標準規(guī)定。

5.4 實際試驗結果

南陽二機研制的6 in垂直連接器已完成各項功能性試驗，經高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)進行試驗，并經船級社驗船師現(xiàn)場鑒定確認，結果合格。該連接器已在南海北部灣海域順利進行了海洋水下安裝試驗，效果得到專家組認可。

6 結論

設計、建造的高低溫循環(huán)高壓測試系統(tǒng)，能滿足主要技術參數(shù)以內的連接器的高低溫循環(huán)高壓試驗。

該系統(tǒng)在溫度控制方面，不僅能有效保溫，使溫度穩(wěn)定控制在標準范圍內，還能快速升溫和降溫，縮短升降溫時間，提高試驗效率。

在壓力控制方面，不僅能控制試驗裝置密封性，確保保壓時間及壓降滿足標準要求，還能滿足高溫和低溫下的壓力水平。

在數(shù)據(jù)分析及控制方面，不僅能保證數(shù)據(jù)準確、試驗可控，而且試驗系統(tǒng)安全可靠、易于操作控制。