高压水下阀门产品标准及测试方案研究

闫嘉钰,洪 毅,刘伯英,周学军,陈 迪,何骁勇

(中海油研究总院有限责任公司,北京 100027)

0 引 言

水下阀门是安装在海底管道及水下结构物内管道上的流体控制部件,其工作环境苛刻,设计压力高,可靠性要求高(15～25年免维护),属于高附加技术含量产品。目前全球海底管道应用的水下阀门市场多被OneSubsea(Cameron)、PetroValve、 ATV、 Magnum等公司占领。“十二五规划”以来,随着国家海洋战略的提出以及国内海上油气由浅海向深海跨越,国内部分厂商依托国家科技重大专项、工信部高技术船舶科研等科研项目,已着手开发相关产品,并在150米水深工程项目得到现场应用[1、 2]。适用于1500米及以上水深,同时具有液压及ROV控制功能,具有自主知识产权的全国产化水下阀门及执行机构,已研发成功,尚待深水工程项目进行现场应用。

为对研制的水下阀门产品进行全方位的考核,保证产品质量,增强用户试用国产化首台套产品的信心,需要聘请权威第三方,按照标准的认证工作流程对产品进行全方位认证[3、 4]。测试是检验产品质量的最直接方式,也是产品认证的最终关键环节,特别是用于模拟产品实际工况的测试[5～7]。

本文依托国产化产品研发成果,对用于产品测试及认证的相关标准进行分析,归纳整理最新版标准对产品测试的要求,形成认证方案。并以此为基础,提出标准选择及测试方案的建议。

1 水下阀门标准

1.1 适用标准

目前,国际水下生产系统标准体系主要有ISO的13628系列,API的6及17系列。国内水下生产系统标准为GB/T 21412系列。其中,涉及水下阀门及执行机构的现行标准如表1所示。

表1 现行水下生产系统标准

我国目前通过对上述标准进行等同采用,形成了国家、行业标准。由于采标方式为等同采用,现行国、行标滞后于对应的现行ISO、 API标准。

国产化水下阀门及执行机构产品研发基于API标准的最新版本,下文分析针对上述四项最新标准,简称为API 6A、 API 17D、 API 6D、 API 6DSS。

1.2 适用对象及原则

API 6A、 API 17D、 API 6D、 API 6DSS分别适用如下对象:

① API 6A、 API 17D分别针对陆地、水下井口和采油树设备。API 17D以API 6A为基础,提出了水下设备相对陆地设备的特殊需求。API 17D根据需要,引用API 6A相关条款。

② API 6D、 API 6DSS分别针对陆地、水下管线阀门。API 6DSS以API 6D为基础,提出了水下管线阀门相对陆地管线阀门的特殊需求。API 6DSS根据需要,引用API 6D相关条款。

结合已有工程设计及研发经验,确定上述标准的选择原则如下:

① 水下阀门及执行机构产品研发主要遵循API 17D和API 6DSS两项主标准。在使用过程中,根据需要引用API 6A、 API 6D具体条款。

② 水下井口、采油树上,以及直接与水下采油树相连的水下管汇的水下阀门,采用API 17D作为主标准,API 6A作为辅助标准。如上述标准未覆盖特定压力等级和公称通径,其外形尺寸可参考6DSS,设计、测试仍参照API 17D和API 6A。

③ 水下长输管道上的水下阀门采用6DSS作为主标准,API 6D作为辅助标准。

④ 实际工程采办中,为协调压力等级、通经尺寸、特殊密封、特定测试项目及测试判据要求,也有综合采用API 17D、 6DSS、 API 6A三项标准的情况。但需要指定各项产品规格参数适用的标准及其版本。

目前,国内水下阀门产品研发集中在水下闸阀及执行机构、水下球阀及执行机构,本文仅讨论这两类产品。

2 测试方案及要求

测试是贯穿水下设备国产化研发全过程的重要质量保证工作。产品研发过程需进行5类测试:加工装配过程中的内部质量检验、产品性能鉴定测试(Qualification Test/Validation Test,QT)、产品工厂接收测试(FAT)、产品现场接收测试(SRT)、系统联调测试(SIT)等。其中,每类测试均包含若干测试项目,如QT包含高低温循环测试、高压舱测试等。多类测试可包含同一测试项目,如阀门壳体耐液压测试同时出现在QT、 FAT中。

本文仅讨论与水下阀门产品认证相关的QT、 FAT。QT是对产品全部性能在极限工况的全面验证,检验产品的性能及可靠性,测试后的样机不能用于供货。FAT是对成批供货产品部分关键功能及性能的验证,是产品出厂前的合格检验。QT包含的测试项目比FAT多;同时包含在QT及FAT的测试项目,QT中的测试条件更为苛刻,测试判据更为严格。

水下阀门FAT、 QT测试项目的具体要求零散分布在标准多个章节,未能体现不同测试之间的相互关系(如高低温循环/高压舱测试同高/低温液压壳体/阀座、高/低温气压壳体/阀座等测试之间的包含关系),测试条款未根据产品测试实际顺序排列,没有完整的测试方案。为解决上述问题,本节结合国产化水下阀门产品研发经验,针对水下闸阀、水下球阀分别提出测试方案。

2.1 水下闸阀及执行机构

最早的水下生产设备基本来源于对已有陆上生产设备的改造。闸阀是早期油气开采最为常用的阀门,是最早应用于水下油气开采的一类阀门。本节分析符合API 17D及API 6A标准、PSL 3G产品规范等级、PR2F产品要求等级、压力等级5000psi、适用水深1500m、具有液压及ROV两种操作方式的闸阀。

测试设备、仪表、人员、记录等需要满足API 17D及API 6A一般性要求的各项规定,以保证测试结果的有效性。

2.1.1 工厂接收测试

FAT相关内容分散于API 17D的7.10.4.2,以及API 6A的11章,对所需进行的测试项目、具体测试内容及测试通过的判据进行了详细阐述。主要包括三大类测试内容:

(1) 液体压力测试,包括液压壳体测试、液压阀座测试。

(2) 气体压力测试,包括气压壳体测试、气压阀座测试、气体倒密封测试。

(3) 通径测试。

结合国产化产品研发经验,提出的FAT测试方案包括7大项内容,涵盖了标准中提出的全部8项具体测试内容。测试顺序及内容如表2所示。

表2 水下闸阀FAT测试方案

(续表)

2.1.2 性能鉴定测试

性能鉴定试验相关内容分散于API 17D的5.1.7、 7.10.4.1和附录J、附录N,以及API 6A的14.11、 14.17及附录F,对所需进行的测试项目、具体测试内容及测试通过的判据进行了详细阐述。性能鉴定测试主要包括:初始推力测试、压力循环测试、压力-温度循环测试、高压舱测试、循环耐久测试、最终推力测试、拆解检验。

结合国产化产品研发经验,提出的测试方案包括7大项内容,涵盖了标准中提出的全部19项具体测试内容。测试顺序及内容如表3所示。

表3 水下闸阀QT测试方案

(续表)

2.2 水下球阀及执行机构

相对闸阀,球阀应用于水下油气行业相对较晚。但由于机械构造的不同,水下球阀可靠性更高,更加适用于大口径、高压差、需要进行通球操作的应用条件。随着制造技术的进步,出现了球阀逐步替代闸阀的趋势。本节分析符合API 6DSS及API 6D标准、压力等级5000psi、适用水深1500m、具有液压及ROV两种操作方式的12英寸通径的双向金属密封球阀。

2.2.1 工厂接收测试

工厂接收试验相关内容分散于API 6DSS的第10章,详细阐述了所需的测试项目、具体测试内容及测试通过的判据。适用于球阀的工厂接收测试项目主要包括:液压壳体测试、操作及功能测试、液压阀座测试、阀腔泄放测试、低气压阀座测试、气压壳体测试、气压阀杆测试、气压阀座测试、电连续性测试。

结合国产化产品研发经验,提出的测试方案包括9大项内容,涵盖了标准中提出的全部9项具体测试内容。测试顺序及内容如表4所示。

表4 水下球阀FAT测试方案

(续表)

2.2.2 性能鉴定测试

性能鉴定试验相关内容分散于API 6DSS的第5.29 5.30附录F及附录G,详细阐述了所需进行的测试项目、具体测试内容及测试通过的判据。

结合国产化产品研发经验,提出的测试方案包括10大项内容,涵盖了标准中提出的全部20项具体测试。测试顺序及内容如表5所示。

表5 水下闸阀QT测试方案

(续表)

闸阀、球阀的FAT内容对比如表6所示。

表6 FAT内容对比表

(1) API 6A/17D和API 6DSS/6D的FAT包含7个共同测试项目。

(2) 闸阀增加了特有的气体倒密封测试,以及通径测试。

(3) 球阀增加了操作功能、阀腔泄放、气压阀杆3项测试。

(4) 实际测试过程中,建议结合两套标准,除气体倒密封测试仅适用于闸阀外,增加相对缺少的测试项目。

对闸阀、球阀的QT内容对比如表7所示:

表7 QT内容对比表

(续表)

(1) API17D/6A和API 6DSS/6D的测试项目基本相同。

(2) API17D/6A增加了高低温循环后的低气压壳体测试,并要求循环耐久达到600次;API 6DSS/6D未对耐久性提出要求。

(3) API 6DSS/6D在测试前增加了液压壳体、液压阀座测试,以保证后续测试的安全性。API17D/6A则要求在性能鉴定测试前完成常规耐压测试,其目的也在于此。

(4) API 17D仅要求在高压舱测试中重复200次,而API 6DSS则在200次重复开关测试外,还增加了在外压环境下对阀门壳体及阀座的相关测试。

(5) 建议闸阀参考API 6DSS标准,在测试时增加高压舱内测试相关内容,以全面检查模拟工作环境下的性能;球阀参考API 17D标准,在测试时增加循环耐久总数600次的要求,以全面检查阀门耐久性及质量可靠性。

3 结 论

通过前文讨论,可以得到以下结论及建议:

(1) 针对高压水下阀门产品,存在ISO、 API及国标3个标准体系。其中,ISO及我国国家标准等同采用API标准,现行的API标准为最新版。

(2) 现行最新版标准是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为基础,提出了水下采油树及井口设备的特殊需求并引用相关条款。水下井口、采油树及与水下采油树直接相连的管汇的水下阀门,采用API 17D作为主标准,API 6A作为辅助标准。

(4) API 6DSS以API 6D为基础,提出了水下管线阀门的特殊需求并引用相关条款。水下长输管道上的水下阀门,采用6DSS作为主标准,API 6D作为辅助标准。

(5) 结合国产化研发经验,归纳标准中分散提出的各项测试内容,针对性提出高压水下闸阀、球阀的FAT和QT测试方案,阐述了测试流程、参数及判据。提出的测试方案可供产品研发参考。

(6) FAT方面:建议在实际使用及后续标准修订时,API 17D/6A同API6DSS/6D互相补充测试项目,以更为全面检测阀门出厂质量。

(7) QT方面:建议在实际使用过程中,API 17D/6A增加高压舱内测试相关内容,以全面检查模拟工作环境下的性能;API 6DSS/6D增加循环耐久总数600次的要求,以全面检查阀门耐久性及质量可靠性。