高壓水下閥門產品標準及測試方案研究

閆嘉鈺,洪 毅,劉伯英,周學軍,陳 迪,何驍勇

(中海油研究總院有限責任公司,北京 100027)

0 引 言

水下閥門是安裝在海底管道及水下結構物內管道上的流體控制部件,其工作環境苛刻,設計壓力高,可靠性要求高(15～25年免維護),屬于高附加技術含量產品。目前全球海底管道應用的水下閥門市場多被OneSubsea(Cameron)、PetroValve、 ATV、 Magnum等公司占領?！笆逡巹潯币詠?隨著國家海洋戰略的提出以及國內海上油氣由淺海向深?？缭?國內部分廠商依托國家科技重大專項、工信部高技術船舶科研等科研項目,已著手開發相關產品,并在150米水深工程項目得到現場應用[1、 2]。適用于1500米及以上水深,同時具有液壓及ROV控制功能,具有自主知識產權的全國產化水下閥門及執行機構,已研發成功,尚待深水工程項目進行現場應用。

為對研制的水下閥門產品進行全方位的考核,保證產品質量,增強用戶試用國產化首臺套產品的信心,需要聘請權威第三方,按照標準的認證工作流程對產品進行全方位認證[3、 4]。測試是檢驗產品質量的最直接方式,也是產品認證的最終關鍵環節,特別是用于模擬產品實際工況的測試[5～7]。

本文依托國產化產品研發成果,對用于產品測試及認證的相關標準進行分析,歸納整理最新版標準對產品測試的要求,形成認證方案。并以此為基礎,提出標準選擇及測試方案的建議。

1 水下閥門標準

1.1 適用標準

目前,國際水下生產系統標準體系主要有ISO的13628系列,API的6及17系列。國內水下生產系統標準為GB/T 21412系列。其中,涉及水下閥門及執行機構的現行標準如表1所示。

表1 現行水下生產系統標準

我國目前通過對上述標準進行等同采用,形成了國家、行業標準。由于采標方式為等同采用,現行國、行標滯后于對應的現行ISO、 API標準。

國產化水下閥門及執行機構產品研發基于API標準的最新版本,下文分析針對上述四項最新標準,簡稱為API 6A、 API 17D、 API 6D、 API 6DSS。

1.2 適用對象及原則

API 6A、 API 17D、 API 6D、 API 6DSS分別適用如下對象:

① API 6A、 API 17D分別針對陸地、水下井口和采油樹設備。API 17D以API 6A為基礎,提出了水下設備相對陸地設備的特殊需求。API 17D根據需要,引用API 6A相關條款。

② API 6D、 API 6DSS分別針對陸地、水下管線閥門。API 6DSS以API 6D為基礎,提出了水下管線閥門相對陸地管線閥門的特殊需求。API 6DSS根據需要,引用API 6D相關條款。

結合已有工程設計及研發經驗,確定上述標準的選擇原則如下:

① 水下閥門及執行機構產品研發主要遵循API 17D和API 6DSS兩項主標準。在使用過程中,根據需要引用API 6A、 API 6D具體條款。

② 水下井口、采油樹上,以及直接與水下采油樹相連的水下管匯的水下閥門,采用API 17D作為主標準,API 6A作為輔助標準。如上述標準未覆蓋特定壓力等級和公稱通徑,其外形尺寸可參考6DSS,設計、測試仍參照API 17D和API 6A。

③ 水下長輸管道上的水下閥門采用6DSS作為主標準,API 6D作為輔助標準。

④ 實際工程采辦中,為協調壓力等級、通經尺寸、特殊密封、特定測試項目及測試判據要求,也有綜合采用API 17D、 6DSS、 API 6A三項標準的情況。但需要指定各項產品規格參數適用的標準及其版本。

目前,國內水下閥門產品研發集中在水下閘閥及執行機構、水下球閥及執行機構,本文僅討論這兩類產品。

2 測試方案及要求

測試是貫穿水下設備國產化研發全過程的重要質量保證工作。產品研發過程需進行5類測試:加工裝配過程中的內部質量檢驗、產品性能鑒定測試(Qualification Test/Validation Test,QT)、產品工廠接收測試(FAT)、產品現場接收測試(SRT)、系統聯調測試(SIT)等。其中,每類測試均包含若干測試項目,如QT包含高低溫循環測試、高壓艙測試等。多類測試可包含同一測試項目,如閥門殼體耐液壓測試同時出現在QT、 FAT中。

本文僅討論與水下閥門產品認證相關的QT、 FAT。QT是對產品全部性能在極限工況的全面驗證,檢驗產品的性能及可靠性,測試后的樣機不能用于供貨。FAT是對成批供貨產品部分關鍵功能及性能的驗證,是產品出廠前的合格檢驗。QT包含的測試項目比FAT多;同時包含在QT及FAT的測試項目,QT中的測試條件更為苛刻,測試判據更為嚴格。

水下閥門FAT、 QT測試項目的具體要求零散分布在標準多個章節,未能體現不同測試之間的相互關系(如高低溫循環/高壓艙測試同高/低溫液壓殼體/閥座、高/低溫氣壓殼體/閥座等測試之間的包含關系),測試條款未根據產品測試實際順序排列,沒有完整的測試方案。為解決上述問題,本節結合國產化水下閥門產品研發經驗,針對水下閘閥、水下球閥分別提出測試方案。

2.1 水下閘閥及執行機構

最早的水下生產設備基本來源于對已有陸上生產設備的改造。閘閥是早期油氣開采最為常用的閥門,是最早應用于水下油氣開采的一類閥門。本節分析符合API 17D及API 6A標準、PSL 3G產品規范等級、PR2F產品要求等級、壓力等級5000psi、適用水深1500m、具有液壓及ROV兩種操作方式的閘閥。

測試設備、儀表、人員、記錄等需要滿足API 17D及API 6A一般性要求的各項規定,以保證測試結果的有效性。

2.1.1 工廠接收測試

FAT相關內容分散于API 17D的7.10.4.2,以及API 6A的11章,對所需進行的測試項目、具體測試內容及測試通過的判據進行了詳細闡述。主要包括三大類測試內容:

(1) 液體壓力測試,包括液壓殼體測試、液壓閥座測試。

(2) 氣體壓力測試,包括氣壓殼體測試、氣壓閥座測試、氣體倒密封測試。

(3) 通徑測試。

結合國產化產品研發經驗,提出的FAT測試方案包括7大項內容,涵蓋了標準中提出的全部8項具體測試內容。測試順序及內容如表2所示。

表2 水下閘閥FAT測試方案

(續表)

2.1.2 性能鑒定測試

性能鑒定試驗相關內容分散于API 17D的5.1.7、 7.10.4.1和附錄J、附錄N,以及API 6A的14.11、 14.17及附錄F,對所需進行的測試項目、具體測試內容及測試通過的判據進行了詳細闡述。性能鑒定測試主要包括:初始推力測試、壓力循環測試、壓力-溫度循環測試、高壓艙測試、循環耐久測試、最終推力測試、拆解檢驗。

結合國產化產品研發經驗,提出的測試方案包括7大項內容,涵蓋了標準中提出的全部19項具體測試內容。測試順序及內容如表3所示。

表3 水下閘閥QT測試方案

(續表)

2.2 水下球閥及執行機構

相對閘閥,球閥應用于水下油氣行業相對較晚。但由于機械構造的不同,水下球閥可靠性更高,更加適用于大口徑、高壓差、需要進行通球操作的應用條件。隨著制造技術的進步,出現了球閥逐步替代閘閥的趨勢。本節分析符合API 6DSS及API 6D標準、壓力等級5000psi、適用水深1500m、具有液壓及ROV兩種操作方式的12英寸通徑的雙向金屬密封球閥。

2.2.1 工廠接收測試

工廠接收試驗相關內容分散于API 6DSS的第10章,詳細闡述了所需的測試項目、具體測試內容及測試通過的判據。適用于球閥的工廠接收測試項目主要包括:液壓殼體測試、操作及功能測試、液壓閥座測試、閥腔泄放測試、低氣壓閥座測試、氣壓殼體測試、氣壓閥桿測試、氣壓閥座測試、電連續性測試。

結合國產化產品研發經驗,提出的測試方案包括9大項內容,涵蓋了標準中提出的全部9項具體測試內容。測試順序及內容如表4所示。

表4 水下球閥FAT測試方案

(續表)

2.2.2 性能鑒定測試

性能鑒定試驗相關內容分散于API 6DSS的第5.29 5.30附錄F及附錄G,詳細闡述了所需進行的測試項目、具體測試內容及測試通過的判據。

結合國產化產品研發經驗,提出的測試方案包括10大項內容,涵蓋了標準中提出的全部20項具體測試。測試順序及內容如表5所示。

表5 水下閘閥QT測試方案

(續表)

閘閥、球閥的FAT內容對比如表6所示。

表6 FAT內容對比表

(1) API 6A/17D和API 6DSS/6D的FAT包含7個共同測試項目。

(2) 閘閥增加了特有的氣體倒密封測試,以及通徑測試。

(3) 球閥增加了操作功能、閥腔泄放、氣壓閥桿3項測試。

(4) 實際測試過程中,建議結合兩套標準,除氣體倒密封測試僅適用于閘閥外,增加相對缺少的測試項目。

對閘閥、球閥的QT內容對比如表7所示:

表7 QT內容對比表

(續表)

(1) API17D/6A和API 6DSS/6D的測試項目基本相同。

(2) API17D/6A增加了高低溫循環后的低氣壓殼體測試,并要求循環耐久達到600次;API 6DSS/6D未對耐久性提出要求。

(3) API 6DSS/6D在測試前增加了液壓殼體、液壓閥座測試,以保證后續測試的安全性。API17D/6A則要求在性能鑒定測試前完成常規耐壓測試,其目的也在于此。

(4) API 17D僅要求在高壓艙測試中重復200次,而API 6DSS則在200次重復開關測試外,還增加了在外壓環境下對閥門殼體及閥座的相關測試。

(5) 建議閘閥參考API 6DSS標準,在測試時增加高壓艙內測試相關內容,以全面檢查模擬工作環境下的性能;球閥參考API 17D標準,在測試時增加循環耐久總數600次的要求,以全面檢查閥門耐久性及質量可靠性。

3 結 論

通過前文討論,可以得到以下結論及建議:

(1) 針對高壓水下閥門產品,存在ISO、 API及國標3個標準體系。其中,ISO及我國國家標準等同采用API標準,現行的API標準為最新版。

(2) 現行最新版標準是API 6A 21th edition(2018.11)、API 17D 3nd edition(2021.10)、API 6D 25th edition(2021.12)、API 6DSS 3rd edition(2017.8)。

(3) API 17D以API 6A為基礎,提出了水下采油樹及井口設備的特殊需求并引用相關條款。水下井口、采油樹及與水下采油樹直接相連的管匯的水下閥門,采用API 17D作為主標準,API 6A作為輔助標準。

(4) API 6DSS以API 6D為基礎,提出了水下管線閥門的特殊需求并引用相關條款。水下長輸管道上的水下閥門,采用6DSS作為主標準,API 6D作為輔助標準。

(5) 結合國產化研發經驗,歸納標準中分散提出的各項測試內容,針對性提出高壓水下閘閥、球閥的FAT和QT測試方案,闡述了測試流程、參數及判據。提出的測試方案可供產品研發參考。

(6) FAT方面:建議在實際使用及后續標準修訂時,API 17D/6A同API6DSS/6D互相補充測試項目,以更為全面檢測閥門出廠質量。

(7) QT方面:建議在實際使用過程中,API 17D/6A增加高壓艙內測試相關內容,以全面檢查模擬工作環境下的性能;API 6DSS/6D增加循環耐久總數600次的要求,以全面檢查閥門耐久性及質量可靠性。