海上采油树电动节流阀制造质量控制

黄儒康，张士超，陈小伟，时永刚，曹义威

中海油安全技术服务有限公司（天津 300457）

随着我国海洋石油产业的不断发展，海上平台无人化改造已成为未来趋势。相较于常规的驻人平台，无人平台为海上油气资源的开发提供了兼具人员安全、成本效益与生产效率的解决方案[1-3]。其中，将机械调节或人工手动操作改为电动控制在海上平台无人化的改造中起着关键作用，为了确保远程控制系统工作的可靠性，实现在役井口平台无人化，采用的远程电控采油树需要有更高的可靠性和安全性。当前无人平台及远程电控采油树刚起步，针对电动节流阀制造阶段的质量控制相关研究较少，现阶段并未有成熟的电动采油树监理方法，生产厂家及使用单位对其质量控制措施不明确，因此急需剖析其工作原理，制定专门的监理细则，对关键的电动节流阀以现场检查与证书审核相结合的方式进行监督检验，及时甄别部分不合格品，从源头上把控质量。

1 电动节流阀简介

远程电控采油树主要特征是采用压力变送器代替传统的压力表，用电动节流阀代替传统的手动节流阀，以实现远程控制。此外，电动节流阀普遍采用笼套式，该种采油树在低压电潜泵井应用较多。图1为渤海油田某无人平台应用的电动采油树节流阀示意图。

图1 笼套式结构电动节流阀结构图

电动节流阀由笼套式节流阀阀体、电动执行机构以及相关配件组成。其中，最关键的部件为电动执行机构。电动执行机构主要用于阀门管道的自动控制，接受模拟量或数字量信号后将此信号转变成相应的机械位移，从而对阀门进行精确控制，精确调节介质流量[4]。

2 电动节流阀监理要点分析

2.1 电动执行机构监理要点

1）防爆性能。电控采油树的应用场景是海上平台的井口区域，其作业环境危险指数很高，为了降低风险、减少安全事故的发生，井口区域的所有设备必须具有足够高的防爆等级。根据SY/T 6671—2017《石油设施电气设备场所Ⅰ级0 区、1 区和2 区的分类推荐作法》确定作用于井口采油树的电动执行机构使用范围区域划分为2 区，结合实际工况，电动执行机构需满足Exd IIC T4 防爆要求。防爆等级认证往往涉及型式试验，通常由第三方机构进行认证，监理人员主要审核国家强制性产品认证型式试验报告及防爆CCC证书的有效性。

2）防护性能。海上平台的环境具有高盐雾的特点，大气中主要含有氯化物杂质，由于氯化物具有吸潮性，且氯离子对部分金属具有强烈的腐蚀性，工作环境对电动执行机构的腐蚀问题需要重点关注。作为机电一体化产品，电动执行机构常见的腐蚀类型主要有铝合金外壳腐蚀、外露金属件的电化学腐蚀以及不同金属材质间的缝隙腐蚀[5-6]。

针对海洋强腐蚀环境，供货商需在外壳整体进行涂层处理，合理选择底漆、中间漆和面漆。监理人员需要重点检查电动执行机构外壳喷砂除锈等级、粗糙度、油漆温度、底漆和中间漆种类、面漆种类及颜色、干膜厚度等参数，确保涂层在海洋强腐蚀环境中能有效地提高整机外壳的耐腐蚀性能。

为了保证整机密封性能，有效地阻止水分及氯离子等腐蚀介质进入聚集，避免对内部元器件造成损害，对电动执行机构的生产制造要充分考虑海水盐雾腐蚀，供货商所提供的所有设备及材料等均需满足“三防”（防尘、防潮、防腐）要求，整机防护等级应达到IP68[7]。由于防护等级通常为第三方机构鉴定发证，监理人员可根据实际需要选择部分见证，或直接审核防护等级证书的有效性。

3）试验过程见证。为确保电动执行机构功能完好，符合技术规格书要求，监理人员在供货前需要对电动执行机构进行常规检查、功能试验及温升试验全过程见证。在试验开始前，应对检验人员资质进行审核，检查扭转测试台、绝缘电阻表、红外线测温仪等检测仪器设备的合格证及有效期。具体见证要求见表1[8]。

表1 电动执行机构试验见证

2.2 笼套式节流阀监理要点

笼套式节流阀的监理工作按照生产制造实施过程开展，主要包括材质选用、生产过程见证、试验调试见证和成品检查4个方面，监理要点梳理见表2[9]。

表2 笼套式节流阀监理要点

2.3 电动节流阀组装调试

电动执行机构与节流阀装配后，应整体测试电动节流阀的功能。采用电动节流阀本地控制、遥控、模拟信号、hart、Profibus、Modbus 等一种或者多种控制方法对电动驱动器进行操作控制，测试压力按照电动执行机构压力等级选取。具体操作步骤如下：

1）按相应规格、型号和品牌的电动驱动器产品使用说明书的方法进行开阀限位设定和关阀限位设定。

2）测试记录电动节流阀启动电流大小、正常运行中电流大小对应产品要求电流。

3）检查电动节流阀运行过程中是否平稳，开关是否到位。控制电动执行机构，使节流阀（调节阀）停止在不同开度位置，开度位置：10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，检查实际测量电流模拟量与电动驱动器开度显示数值在规定范围之内。

4）测试并记录电动驱动器从全关到全开、从全开到全关的运行时间。

3 电动执行机构质量控制实例

当今，国内大部分井口采油树生产厂不自主生产电动执行机构，通过第三方采购方式为业主供货，这样组装集成的远控电动采油树产品质量可能为后续的实际使用埋下隐患。海上无人平台电动节流阀工作环境恶劣，要求执行机构在恶劣工况下仍能正常使用。其中，电动执行机构的温升特性尤为关键，并且是监理过程中较难把控的质量控制点。针对电动执行机构关键的温升特性，利用质量控制图对温升特性值进行测量、记录、评估，从而实现监测和分析试验过程是否处于受控状态。

3.1 质量控制样本的选择

质量控制样本选取电动执行机构满载运行30 min的温升数据，收集数据的时间足够长，两次测试间隔一定时间，确保变差原因有机会出现。测量时严格控制环境温度，采用同一台扭转测试台和红外线测温仪，检验人员与测量方法和部位保持一致。温升质量控制数据如下：31.7、34.5、34.7、35.6、30.8、34.5、36.3、30.6、33.7、32.2、35.4、35.6、37.2、35.4、34.7、35.4、36.2、32.7、33.5、32.7、35.3、32.3、30.7、36.3、31.3℃。

3.2 质量控制数据的处理

在用控制图进行稳定性分析和控制时，数据必须呈现合理的正态分布，严重偏离正态分布情况可能会导致分析过程出现错误报警。通过Shapiro-Wilk 检验法对质量控制数据进行正态分布检验，W检验结果如图2所示，在α=0.05的检验水准下，质量控制数据总体服从正态分布（W=0.932，P=0.095＞0.05）。

图2 Shapiro-Wilk检验结果

采用Grubbs检验法对数据进行检验，剔除可疑值。计算出平均值为33.972，标准差s为1.99，根据平均值和标准差计算出检验最小值Gmin为1.69，检验最大值Gmax为1.62。查询Grubbs检验临界值表可知G95（25）=2.663，Gmin和Gmax均小于2.663，所以质量控制数据无离群值，检验合格。

3.3 I-MR（单值-移动极差）控制图

温升试验在严格控制试验变量的情况下任何时刻点的输出性质比较一致，这样的情况下组内变差实际上为0，子组中没有连续的数据只有独立观测值，因此使用I-MR控制图，在不将测量数据分成子组的情况下监控过程水平（均值）和过程变异（移动极差），检测是否存在特殊原因。

由质量控制数据计算出移动极差的平均值=2.35，根据GB/T 17989.2—2020《控制图 第2部分：常规控制图》的方法，I 控制图中心线CL 为数据平均值，查表[10]可知E2=2.66，从而得出上控制限UCLI=CL+E2=40.22，下控制限LCLI=CL-E2=27.72；上警戒限下警戒限MR 控制图中心线CL为移动极差的平均值，查表[10]可知D3=0，D4=3.27，从而得出上控制限UCLMR=D4=7.68，下控制限LCLMR=D3=0，上警戒限5.90。根据上述结果绘制温升特性的单值-移动极差质量控制图，如图3所示。

图3 温升特性的I-MR控制图

3.4 结果分析

根据控制图判定过程处于控制状态，需同时满足两条标准[11]。

1）控制图上的点不超过控制界限：连续25点以上处于控制界限内；连续35 点中，仅有1 点超出控制界限；连续100点中不超过2点超出控制界限。

2）控制图上点的排列没有缺陷：排列分布形态未出现“链”“偏离”“倾向”“周期”“接近”等异常情况。

图3 中，MR 控制图中25 个样本的温升数据移动极差均未超出上、下控制限，控制图上点的分布无异常现象，满足受控状态的两个标准；I控制图中所有控制数据均落在警戒限之内，但点2 为连续出现在中心线CL一侧的第7个点，点的排列出现“链”的异常形态，不满足第二条标准，I控制图处于非控制状态。满载运行30 min温升均不超过45℃，从图3 中可看出所有数据均在正常范围内，均为合格产品，但其控制图已处于异常状态，需要及时识别潜在的不符合因素，采取纠正措施，使过程再次处于控制状态。

为了消除出现不合格产品的隐患，监理人员立即联系供货商查找原因，发现样本11～17 在进行空载30 min 温升试验后未完全冷却，导致满载30 min温升数据偏高。人为失误属于偶然性因素，在及时整改、加强试验人员操作规范后，可认为产品处于控制状态。只有当过程发生变化时，才需要重新估计控制限制，重新建立控制图，在保持相对固定的情况下监控过程或评估过程控制。如果过程未出现重大工艺调整，分析系统没有实质性变化，此控制图可长期使用。

4 结语

1）根据电动节流阀的结构组成，结合无人平台的特殊应用环境，分析总结海上采油树电动节流阀监理要点，包括电动执行机构、笼套式节流阀的监理要点和电动节流阀的组装调试。其中，电动执行机构应满足功能完好、温升正常、防爆等级应达到Exd IIC T4、防护等级应达到IP68 的要求；笼套式节流阀按照其生产制造流程重点关注材质选用、生产过程见证、试验调试见证和成品检查4 个方面。在电动执行机构与节流阀装配后应进行整体功能试验，对额定工作压力操作时驱动的系统压力或电流进行测量并记录。

2）针对电动执行机构关键的温升特性，举例介绍质量控制图在电动执行机构制造监理的应用场景。结果表明，该质量控制方法可确保产品质量特性的分布不随时间变化，生产过程或工作过程只受偶然因素的影响，处于受控状态。

3）通过电动节流阀生产制造以及试验调试阶段的有效监理，保证质量及进度，避免电动节流阀使用过程中产生的各类质量问题，该监理方法也可为其他类似产品监理提供参考借鉴。