水下电液复合控制系统方向控制阀技术现状

安维峥 孙 钦 魏 娟 左 信 张岱峰 岳元龙

（1.中海油研究总院有限责任公司；2.中国石油大学（北京）信息科学与工程学院自动化系）

近年来随着世界范围内油气资源消耗的递增和陆地原油开采速度的加快，海洋领域内的油气勘探开发已成为新的焦点［1，2］。目前水下生产控制系统［3］已发展成具有直接液压、先导液压、顺序液压、直接电液、电液复合及全电气等多种控制模式，其中电液复合控制技术是现阶段具有明显优势并得到广泛应用的成熟技术。 在国家政策的大力支持下， 海洋油气勘探开发装备不断发展，对设备的生产能力、可靠性、安全性及自动化程度提出了更高的要求，方向控制阀作为水下控制模块的重要组成部分［4］，承担着保证水下油气田安全运行的责任。

同时， 由于国外知名厂家均对各自生产的方向控制阀的产品申请了专利保护， 各厂有专业的第三方单独负责加工配套产品， 且近几年部分产品拒绝对我国供货， 因此通过国外产品进行摸索学习的路线行进困难。 同时，我国海洋油气勘探装备的开发研究工作起步较晚， 特别是方向控制阀技术［5］，目前国内尚无这方面的成熟产品。 因此，水下方向控制阀的国产化研制已经成为我国发展水下生产控制系统进程中所必须解决的问题。

笔者以方向控制阀为研究对象，首先介绍国际标准要求中方向控制阀的具体规定；分析国外知名厂家的方向控制阀设计参数及其工程案例；总结了国内方向控制阀的技术研究现状，在此基础上，总结方向控制阀在海底工况应用应具备的一些特殊性能； 结合我国深海油气田实际情况，提出方向控制阀研制建议，以期为方向控制阀的国产化研制提供参考。

1 方向控制阀工作原理

水下电液复合控制系统方向控制阀 （以下简称方向控制阀） 由两个先导阀和一个主阀组成，如图1所示。 主阀有弹簧保持复位、先导控制复位、先导控制切换、液压保持阀位4个工作状态。 先导阀有通电和断电两种工作状态。 下面给出先导阀、 主阀的组成和功能原理的详细说明。

图1 方向控制阀组成原理

1.1 先导阀的组成和工作原理

先导阀是由先导阀体和电磁阀组成的电控两位三通常闭换向阀，具有弹簧复位功能。 先导阀有控制状态和复位状态，其中复位状态与常闭状态等价。 先导阀原理如图2所示，图中蓝色代表未导通的油路、绿色代表导通的油路、红色虚线代表未通电的双冗余电磁线圈。

图2 先导阀原理（常闭状态）

先导阀由水下电子模块的数字量输出板卡（DO板卡）控制，图3是在DO板卡的作用下，电磁阀通电使先导阀处于工作状态。 图中红色箭头代表通电线圈，其他线条颜色的意义与图2相同。

图3 电磁阀原理（工作状态）

先导功能口PF与主阀阀芯控制油腔连通，控制主阀阀芯移动。 先导阀的供油来自主阀的阀体。 先导回油返回至主阀阀体，与主阀回油油路汇合至回油口。

1.2 主阀的组成和工作原理

主阀是由先导阀控制阀位切换的液控两位三通常闭换向阀，具有弹簧复位功能。 主阀有控制状态和复位状态，其中复位状态与常闭状态等价，如图4所示，图中三角块代表先导阀芯控制油腔，其他线条颜色的意义与图2相同，控制油腔包括回油控制、工作控制和阀位保持3个油腔。

图4 主阀原理（常闭状态）

图5是在先导阀的作用下， 依次完成工作控制油腔、阀位保持油腔供油，最终主阀处于工作状态。

图5 主阀原理(工作状态)

主阀的功能口F与液压执行机构油腔连通。主阀的供油来自主阀的阀体。 回油与先导阀回油汇合后通过阀体连接回油管线。

2 API 17F标准对方向控制阀的要求

2013年前ISO 13628-6和API 17F均对方向控制阀有相关要求，但是自2013年起ISO不再更新，全球海洋油气田开发均参考最新的API 17F［6］。 下面分析API 17F对方向控制阀的描述，掌握方向控制阀的自动复位压力、性能要求、泄漏测试及清洁度要求等，有助于分析方向控制阀国际产品的特征。

2.1 节能与压力相关要求

方向控制阀的功能要求。 为了降低电能消耗，方向控制阀应该具有电脉冲激励开启液压保持阀位的功能， 但是不包括用于SCM内部液压系统排空和操作油嘴步进动作的方向控制阀。

控制压力。 执行机构启动-关闭压力：当供油压力从操作压力下降到环境压力时，弹簧复位执行机构从开启位置移动到关闭位置的压力。 方向阀的自动复位压力：当供油压力从操作压力下降到环境压力或复位压力时（环境压力小于复位压力）， 方向控制阀从锁定的控制状态自动切换至复位状态时的最高压力。

液压动力系统中系统压力额定值和性能要求。 任意液压执行机构启动期间，液压系统的瞬时供油液压不应低于最小操作压力。 最小操作压力不得低于任何方向控制阀的自动复位压力的150%或任何弹簧复位执行机构的最高启动-关闭压力的100%。

2.2 安全相关要求

紧急关断功能。 水下控制系统中的单个组件或子系统的液压排气阀、方向控制阀是紧急关断系统的一部分，应符合相应的紧急关闭系统设计规范。

紧急关断时间。 海底控制系统组件或子系统，例如HPU液压排气阀、方向控制阀等，应在与紧急关断系统的所有其他元素相结合的时间内单独运行，需要在运营商规定的最大响应时间内完成SCSSVs和指定的HIPPS隔离阀的关闭。

2.3 测试相关要求

方向控制阀静水压试验。 方向控制阀进行静水压试验的目的是测试主体阀和先导阀结构的强度和变形量。 当方向控制阀设计压力不大于15 000 psi（1 psi=6.895 kPa）时，静水压力为1.5倍的设计压力； 当方向控制阀的设计压力大于15 000 psi时，静水压力为1.25倍的设计压力。 进行静水压试验时阀体油路内表面施加压力，外压为大气环境。 静水压试验压力等级如图6所示。

图6 静水压试验压力等级

方向控制阀泄漏试验。 试验应在方向控制阀的设计压力下对控制功能和复位功能进行测试，测试的最小持续时间应为10 min。

泄漏量检测方法有两种：对方向控制阀根据设计压力加压，压力稳定后隔离压力源，监测并记录压力衰减；对方向控制阀施加恒定的设计压力，并通过在回流口收集液压油来监测方向控制阀的泄漏量。 两种检测方法的验收标准均为泄漏量小于0.2 mL/min。

工 厂 验 收 测 试 （Factory Acceptance Test，FAT）。 主要测试验收方向控制阀的性能和泄漏量，完成SCM FAT后，所有方向控制阀应累计操作至少100次切换，其中50%的动作应在进入SCM后完成。

2.4 清洁度相关要求

组成水下生产控制系统的液压元件需要对液压油中的海水和固体颗粒具有一定的容忍度，允许部分海水进入液压系统，具有一定的抗海水腐蚀性能。 方向控制阀的主阀需要在清洁度等级为SAE 4059-6级环境下的液压系统中正常工作；先导阀供油需要增加额外的过滤器，使液压清洁度等级达到SAE 4059-10级。

3 方向控制阀国际产品技术特点分析

目前，国际上具有方向控制阀生产能力的公司主要为欧美三大水下生产系统供货商，它们只服务于工程总承包项目，不单独对外出售。 目前国内可以采购的方向控制阀来自英国的某公司。针对上述公司产品，目前能够获取的资料主要集中在产品的性能指标和工作原理方面，尚不能获取其详细的内部结构。 因此，笔者主要分析国外知名厂家生产的方向控制阀的设计参数，包括结构原理、解决方案、测试方案和工程案例，以及国外知名特种化学品公司提供的特制液压油，包括不同系列液压油的物理性质、储存条件、材料相容性及适用工况等。

3.1 厂家一的方向控制阀

厂家一的方向控制阀由其集团下属子公司Rotator提供， 该公司具有超过60年的方向控制阀设计历史，Rotator产品具有质量优异、可靠性高和全球支持售后的优点。 Rotator为全球40%的水下生产系统提供方向控制阀以用于水下采油树、水下管汇和井下安全阀的控制。 Rotator方向控制阀有两种类型，分别用于操作闸阀执行机构和油嘴步进执行机构。

3.1.1 操作闸阀执行机构的方向控制阀

操作闸阀执行机构的方向控制阀型号为HCV151.11.11.**-3.2，包括标准型和高压型，该系列方向控制阀适用于压力高达20 000 psi和水深为4 000 m的恶劣海底环境，具有耐高压、耐污染、可靠性高等特点。 该系列产品的基本技术规格对比见表1。

表1 HCV151.11.11.**-3.2标准版和高压版基本技术规格对比

HCV151.11.11.**-3.2的标准版和高压版的结构原理相同，如图7所示。 Rotator方向控制阀在一水下控制模块中的应用现场如图8所示。

图7 HCV151.11.11.**-3.2结构原理（标准版/高压版）

图8 Rotator方向控制阀安装现场

3.1.2 操作油嘴步进执行机构的方向控制阀

操作油嘴步进执行机构的方向控制阀型号为HCV151.11.50.**-3.2 和HCV151.11.51.**-3.2，方向控制阀的设计压力可达20 000 psi，水深可达4 000 m。该系列产品的基本技术规格对比结果见表2。

表2 HCV151.11.50/51.**-3.2基本技术规格对比

HCV151.11.50.**-3.2的结构原理如图9 所示，HCV151.11.51.**-3.2的结构原理如图10所示。

图9 HCV151.11.50.**-3.2结构原理

图10 HCV151.11.51.**-3.2结构原理

3.2 厂家二的方向控制阀

自1987年以来，厂家二成功地将方向控制阀投入水下生产系统［7］，基于工程经验和产品迭代更新，研发出了技术优越、性能领先的FPS10系列换向阀，该产品完全与海水兼容，能够在污染级别大于NAS 1638 class12的流体中工作。该公司方向控制阀实物如图11所示。

3.3 厂家三的方向控制阀

厂家三一直专注于水下生产系统工程总承包的配套设备的研发［7］，特别是针对水下控制系统提供了从零部件到系统集成的解决方案，并从1970年设立了方向控制阀研发部门，截至目前至少有10 000套水下方向控制阀服务于水下生产控制系统。 厂家三水下方向控制阀如图12所示。

图12 厂家三水下方向控制阀

厂家三的方向控制阀的零部件材料与标准推荐使用的液压油完全兼容，材料列表见表3。

表3 方向控制阀的零部件材料表

3.4 水下生产控制系统专用液压油

麦德美公司为海洋油气行业的工程承包商提供产品支持［8］，以提高海上生产和钻井作业效率，其中生产的水下生产控制系统专用液压油确保水下液压设备具有与海水兼容的性能。 以下是水下生产系统专用液压油的特性分析。

3.4.1 Oceanic HW443系列液压油

Oceanic HW443系列包括HW443、HW443ND、HW443R3种型号， 是API 17F标准推荐使用的高温水基液压油， 工作温度范围-25 ～145 ℃。Oceanic HW443液体在开环和闭环海底水下控制系统和防喷器（BOP）控制系统均有使用。

Oceanic HW443液体互为相容， 并且提供同样的技术性能。 产品仅在颜色（HW443为荧光黄绿色，HW443ND没有染色，HW443R为荧光红色）方面有区别。 Oceanic HW443在ISO 13628-6规范中被命名，并且满足设备制造商的要求。

Oceanic HW443在海洋工程领域， 具有明显的技术优势。 符合ISO 13628-6标准规定，专用于高温井（井下温度为145 ℃/293 ℉），具有优异的防腐（液相和气相）和润滑性能，卓越的稳定性和高度的海水兼容性。与Oceanic HW500、HW500E、HW500P和HW700液体范围完全相容， 符合严格的全球环境可接受性规定。

3种型号液压油典型性质对比见表4。

表4 3种型号液压油典型性质对比

Oceanic HW443液体应存放在干燥的环境下，理想条件是避免阳光直射。 正常储存温度范围为5～40 ℃。 Oceanic HW443液体含有高性能添加剂，用于确保与海底采油控制设备中常用的材料具有高度的相容性， 已经采用Oceanic HW443液体进行了广泛的材料相容性试验。

3.4.2 Oceanic HW525系列液压油

Oceanic HW525含25%乙二醇， 是Oceanic系列最新的水基液压油系列， 它可以在高达140 ℃的温度下使用。

Oceanic HW525的典型性质如下：

外观 黄色液体

倾点 -15 ℃

pH值 9.3

温度限制范围 -25～135 ℃

作为经济体制改革与行政体制改革的受体，社会发展的客观诉求同样也影响着经济体制改革与行政体制改革，这种类似嵌套的框架，增加了行政体制改革与经济体制改革的复杂性，但同时又为二者之间的相互耦合提供了契机。自改革开放以来，得益于经济体制改革带来的红利，社会得到了高速发展，人们的物质生活水平有了质的飞跃。但粗放式的经济发展方式不仅在发展的持续性上难以保证，更是带来了一系列副作用：生态破坏、环境污染、资源浪费等，这些问题已经不单单是经济体制改革所能解决的，它迫切需要政府介入，而这又将行政体制改革纳入进来，当然这并不意味着单一方面的体制改革能够有效化解这些问题，仍旧需要双方同时进行。

比重 1.038

运动粘度

Oceanic HW525具有卓越的润滑套件， 旨在防止摩擦边界表面的磨损。 海洋液压设备中常用的所有金属在Oceanic HW525中都能得到很好的防腐保护。 除了具有液相缓蚀性能外，还使用了气相缓蚀剂使金属在与空气接触时不受腐蚀。 大多数常见的密封材料都与之兼容， 包括靛类、丁钠橡胶、 聚四氟乙烯、 硅酮及氟化橡胶等。Oceanic HW525已经按照PARCOM指南进行了全面测试，满足排海要求，并根据化学品通报计划进行了评估，该产品已被列为E类清单。

3.4.3 Oceanic Glycol Mixes液压油

Oceanic Glycol Mixes液压油是水基乙二醇混合物， 与Oceanic HW系列控制液和Erifon防喷器液之间相互兼容， 液体中只有乙二醇的含量有所不同，因此可以根据气候条件选择不同型号的产品。

8种Oceanic Glycol Mixes液压油型号的典型性质对比见表6。

表6 8种液压油型号的典型性质对比

Oceanic Glycol Mixes 液压油不含腐蚀抑制剂，与铸铁和低合金碳钢的兼容性有限，与高合金钢和不锈钢的兼容性良好，不会对标准弹性体和热塑性塑料（氮化物、氢化亚硝酸盐、荧光体、硅胶、氯丁橡胶、PTFE、PEEK）产生不良影响，与陶瓷和脐带缆衬里热塑性塑料兼容。 Oceanic Glycol Mixes液压油应储存在干燥的环境条件下，最好避免阳光直射，正常储存温度范围为5～40 ℃（低温储存极限因产品范围而异）。

4 国内技术现状

我国在水基方向控制阀方面的研究起步较晚，工程化应用还没有推广。 西安重型机械研究所在1990年通过改进阀体结构，开发出一种高水基锥阀式电液换向阀［9］，适用于中小流量的高水基液压介质传动系统。 浙江大学在2004年提出了一种无泄漏平面型纯水液压电液换向阀［8］，适合于在中高压水介质环境下工作。 河北华北石油荣盛机械制造有限公司在2008年研制的方向控制阀［10］由电液先导阀和液控主阀组成，主要应用于深水钻井井控装置。 浙江大学在2011年以东海某油气田为背景［11］，建立该液压控制系统及其主要元件的仿真模型，对油田各种典型工况进行动态仿真，分析仿真结果。

中海油研究总院与中国石油大学 （北京）自2013年起联合开展了关于方向控制阀的一系列研究，包括关键技术、零部件材料适应性、精密加工工艺、密封方案、测试方案、环境模拟装置和测试液压站等配套技术攻关，目前，已经成功研制了5 000 psi的方向控制阀工程样机，测试数据满足API 17F标准要求，目前正在推进方向控制阀的DNV产品认证。

5 国内外技术现状总结

电液复合控制系统通常应用于海洋深水环境，因此，在国内外水下方向控制阀研究基础上总结水下方向控制阀必须具备的一些针对于海底工况的特殊性能，主要体现在以下方面：

a. 水下电液复合控制系统中的方向控制阀通常安装在充满绝缘液体和具有压力补偿的水下控制模块内，并不与海水直接接触，但是方向控制阀的内部工作介质多为水基液，需要考虑海水渗漏的异常工况，所以其主阀材料必须耐海水腐蚀。

b. 方向控制阀并不与海水直接接触，但回油口是直接向海水中排出液压油，所以需要考虑液压油的清洁度和污染度，选择合适的液压油。 同时考虑方向控制阀的阀内压力，保证回油口液压油的正常排出。

c. 驱动方向控制阀的电磁阀封闭在密封性较好的壳体内，但散热性能差，温度过高必然会缩短电磁阀的使用寿命。 为提高水下电子模块（Subsea Electronic Module，SEM）的可靠性就需要减少电能损耗， 因此方向控制阀应采用脉冲操作，并且具有液压自锁功能以保证工作状态。 为了保证油井的安全，在紧急情况下方向控制阀应能自动关闭，因此要求方向控制阀在供油压力低于起跳压力时， 阀芯能自动复位到故障安全状态。

6 总结与展望

6.1 国外知名厂家均对各自生产的方向控制阀的产品申请了专利保护，且近几年部分产品拒绝对国内供货，国内方向控制阀全面国产化路线行进困难。 因此，在方向控制阀国产化研制过程中，应注重通过吸取国外成熟研究思路和成果，实现方向控制阀结构形式和关键技术的突破，集成创新出具有自主知识产权的产品。

6.2 方向控制阀的加工不仅需要优秀的机加工厂家，还需要工程经验极其丰富特别是长期从事细长孔加工的工程师。 近几年国内加工厂家工艺设计方案日益成熟，加工工艺逐渐优化，加工需求基本满足，但是在硬质合金细长孔和交叉孔抛光方面尚需要进一步改进。

6.3 不锈钢、双相不锈钢以及各类合金材料广泛应用于深海液压元件，但我国在海洋材料研究领域与国外的差距依然较大，需要在这方面继续加大研究力度，加快研究步伐，通过改善材料的抗压和耐腐蚀性能，进一步延长方向控制阀的使用寿命。

6.4 电磁阀目前仍采用国外进口方式，但是价格高昂，货期较长。 电磁阀产品国产化的研制应提上日程，降低方向控制阀的生产成本，不受限于国外厂家。

6.5 我国海洋石油钻采装备已进入飞速发展的新时期，尤其在海洋钻采平台、海洋钻修井模块及水下生产装备等多个方面均已有了新的发展目标。 这对我国缩小与发达国家之间的差距，不受发达国家技术限制， 促进海洋装备早日实现国产化， 保证国家海洋油气资源的开采等具有重要意义。 相信通过未来几年、十几年的努力，我国必将在海洋石油装备方面步入世界强国行列， 国内海洋石油钻采装备产业必将展现光明的前景。