国产水下多相流量计第三方认证

张 宁， 孙 钦， 侯广信， 赵月前， 王海兵， 潘艳芝

(1.中海石油(中国)有限公司 深圳分公司， 广东 深圳 518064； 2.中海油研究总院有限责任公司， 北京 100028； 3.海默科技(集团)股份有限公司， 甘肃 兰州 730010)

0 引 言

随着海洋油气开发由浅水逐步走向深海，其开采方式由海上平台开采模式逐步向水下生产系统开采模式发展[1]。但水下油气工程装备技术门槛高、开发投入大，各类装备长期被国外少数几家公司所垄断。为打破国外技术垄断，保障我国能源安全，开展水下高端核心油气工程装备国产化研究势在必行[2]。水下多相流量计作为水下生产系统的必要组成部分，是一种不分离型在线测量仪表，一般安装在水下采油树或管汇上，可实时测量油气井中油、气、水的产量，为油气田作业提高采收率和生产优化水平、保证水下流动安全提供基础数据[3]。我国于十三五期间已系统开展国内水下多相流量计的研制工作[4]，并在南海流花某气田进行工程应用。

水下多相流量计寿命通常要求不低于20 a，且具有较高的可靠性和稳定性。需要由第三方权威机构按照相关规范对设计、加工、测试及检验等各个环节进行认证和见证，确保产品的可靠性并最终确保顺利实现工程化应用。目前国内已有针对水下控制模块等装备的测试认证介绍，但这些认证或是采用国内船级社进行第三方认证[5]，或是只引用国际标准对测试流程进行分析说明[6]，尚无专门针对国际权威船级社作为第三方认证机构进行水下油气工程装备产品系统认证的介绍。挪威船级社(DNV)是国际上权威的海洋油气工程装备第三方认证机构之一，但在过去的十几年中，国内研制的水下油气工程装备尚未系统取得过该机构的设计和产品认证。

本文系统论述水下多相流量计国产化过程中为保证产品质量、提高可靠性而邀请DNV作为第三方进行认证的流程及要点。

1 水下多相流量计简介

国产水下多相流量计采用双能伽马射线传感器与文丘里流量计相结合的技术进行油气水各相流量测量。其中双能伽马射线传感器基于射线透射技术测量相分率，而工况下的油气水三相总流量则由文丘里流量计测量，再结合在线压力-体积-温度(Pressure-Volume-Temperature，PVT)模型，可获得标况下油气水单相流量。为提高可靠性，设备进行冗余设计，主要包括本体(含内置文丘里流量计)、伽马射线传感器、温度压力变送器、差压变送器、电子仓等，结构如图1所示。

图1 国产水下多相流量计产品

该产品的设计参数如表1所示。

表1 国产水下多相流量计设计参数

2 DNV认证流程

2.1 DNV认证流程简介

DNV认证难度大、流程繁多，需要：首先进行故障模式、影响和危害性分析(Failure Mode, Effect and Criticality Analysis，FMECA)；然后进行详细设计资料的审核，包括对关键部位计算分析的独立校核，其间也会对厂家资质进行审查，接下来对样机加工环节各节点进行现场见证；最后按认证产品所符合的国际规范进行各项型式试验，并对试验各环节进行见证，具体包括测试程序审核、测试场所审查、测试见证及报告签字等环节。在完成上述所有工作后，才会签发设计认证报告。

下面对各认证流程进行具体介绍。

2.2 FMECA

FMECA是一种评估系统可靠性的分析方法，来源于失效模式与影响分析法和关键性分析法。

在进行FMECA时，将产品划分为各单元模块，再逐一分析所有可能的失效。通过FMECA 可识别该流量计各单元中的关键元件，并对其进行失效模式分析与风险评估，这有助于及时发现流量计设计中的薄弱环节，进而改进流量计的设计，从而提高产品的可靠性。

在完成FMECA后，有针对性地完善产品并按要求提交一系列文件供DNV审核。

2.3 设计文件审核

文件审核所参考的规范文件如下：

(1) API Spec 6A 20th Edition (ISO 10423:2009 Modified), Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment[7]；

(2) API Spec 17D 2nd Edition (ISO 13628-4:2010), Design and Operation of Subsea Production Systems-Part 4: Subsea Wellhead and Tree Equipment[8]；

(3) API Standard 17F 3rd Edition (ISO 13628-6: 2006), Standard for Subsea Production Control Systems[9]；

(4) API RP 17S:2015, Recommended Practice for the Design, Testing, and Operation of Subsea Multiphase Flow Meters[10]；

(5) DNV-OSS-306 amended in April 2012, Verification of Subsea Facilities[11]。

提交给DNV的水下多相流量计设计认证文件如表2所示，主要包括五大类共30余个文件。

表2 水下多相流量计设计文件审核列表

2.4 型式试验

在设计文件审查后，参考API RP 17S要求，开展型式试验。API RP 17S的第8章介绍水下多相流量计设计认证、型式试验、出厂测试等一系列认证要求，其中型式试验是产品认证的一部分，主要包括机械性能试验、电子学可靠性试验(如环境应力筛选试验、电磁兼容性试验等)、计量性能试验等。DNV对其中几个重要试验的要求如下：

(1) 在机械性能试验中：静水压、气压和压力-温度循环试验应按照API 6A 附录F 完成，试验应满足PR2要求，由DNV检验师进行见证；高压仓外压试验应按照API 17D的要求完成，试验压力应是1.1倍最大操作水深对应的压力，且应符合温度要求，由DNV检验师进行见证。

(2) 电子部件(如数据采集单元)应按照IEC-61000-6-4进行电磁兼容性试验。试验应由DNV检验师进行见证。

(3) 水下多相流量计数据采集单元应进行质量鉴定以验证关于温度循环、振动和老化方面的设计性能。试验报告应提交DNV审核确认。

自2017年7月正式开始水下多相流量计各项型式试验，至2018年5月顺利完成所有试验，结果符合相关规范要求。重点介绍几项主要试验。

2.4.1 机械性能试验

2017年7月，在DNV验船师见证下，水下多相流量计工程样机在某国家石油装备产品质量监督检验中心进行机械性能测试，所检各个项目合格。

按照API Spec 6A—2010和GB/T 22513—2013的要求，先后进行静水压试验、压力循环试验、气压试验、压力-温度循环试验等。其中，静水压测试压力为7 500 psi，压力循环试验和气压试验测试压力均为5 000 psi。需要注意的是，在进行压力试验时，当压力稳定后保压15 min，允许的最大压降为5%。压力循环检测曲线如图2所示。

图2 压力循环检测曲线

压力-温度循环试验的测试介质为氮气，试验温度定为U级(-18～ 121 ℃)，压力-温度循环一共进行4次循环：首先在室温和大气压力下升温至最高温度(121 ℃)，施加试验压力保压1 h后泄压，然后降温至最低温度(-18 ℃)后施加试验压力，再保压1 h后泄压，升温至室温，如此往复循环3次试验；最后1次循环是在室温下施加试验压力并保压1 h后泄压，再施加5%～10%的试验压力并保压1 h后泄压。该试验参照标准API 6A F2.3.3.11-PR2级进行，验收标准是保压期间压力变化不超过5%。主要测试结果如表3所示。

2.4.2 第三方环线计量性能测试

计量性能是多相流量计的关键技术指标，可衡量其测量油气水各相流量的精度。2017年9月，水下多相流量计样机在DNV多相流环线实验室完成第三方环线计量性能测试。该环线可使用的介质包括氮气、氩气、天然气、原油、水(盐度可调节)等；最大压力达3.3 MPa。本次测试共计60个测试点，满量程范围(0～100%含气率，0～100%含水率)，充分检验了设备在全量程的测量精度，测量结果如表4所示。由该实验室出具的第三方测试报告显示，样机计量性能符合预期要求。

表4 DNV多相流环线计量性能测量结果 %

2.4.3 电气及通信系统试验

2017年11月，水下多相流量计通信控制系统在广州广电计量检测公司西安实验室顺利通过了环境应力筛选(Environmental Stress Screening，ESS)试验。ESS报告显示，通信、性能无异常，受试样品的初始检测、中间检测及最终检测通信、功能性能检查均符合要求。

后续又在广州广电计量检测公司武汉实验室及在DNV的现场见证下完成电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility, EMC)测试。测试结果如表5所示。

表5 EMC测试结果

续表5 EMC测试结果

2.4.4 高压舱试验

通过高压舱试验模拟水下多相流量计在1 500 m外压下的工作情况，用以验证是否满足设计要求。高压舱试验参照API 17D，一共进行5个15 min测试循环和1个4 h保压阶段，如图3所示。试验介质为纯净水，试验时缓慢施加压力，直至达到试验压力，观察是否有泄漏。若在每次加压后15 min内压力不能保持稳定，停止测试并找出导致压降的原因；若压力保持稳定，则进入最后4 h保压阶段；若压降超出验收准则，停止测试并找出压降原因。在保压结束后泄压，记录试验结果。

图3 高压舱测试保压过程

在整机测试中保压期间无可见泄漏，4 h保压的最大压降为-0.13 MPa，满足要求，DAU上电后通信正常，试验结束后拆除本体进口法兰和电子仓顶部盲法兰，检查内部未发现渗水现象。

2.5 设计认证报告签发

DNV 根据不同阶段验证活动和验证结果出具相应的报告或证书，报告或证书种类大致如下：设计认证报告、现场访问报告、验证报告、符合性证书。

在完成第2节的所有工作后，DNV签发设计认证报告及历次型式试验的见证报告。新产品若获得商业供货合同，则DNV会根据合同业主方提供的各种规格书和数据表等资料，对该产品进行认证，最终签发产品符合性证书。

3 结 论

水下多相流量计的国产化对于提升我国海洋油气开发水平、降本增效具有重要意义。鉴于水下工程项目的难度和复杂性，要求水下多相流量计必须经过严格的第三方认证和测试。系统介绍由DNV主导的国产水下多相流量计第三方认证流程，并对重要的型式试验进行详细介绍，为其他水下油气工程装备的国产化研制和工程应用提供借鉴。