于化宇，王樹(shù)山，李明智

（1.大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司技術(shù)中心，遼寧大連 116113；2.大連海洋大學(xué)，遼寧大連 116023）

0 引言

水面防噴器是用于淺海鉆井、試采、修井、完井等作業(yè)過(guò)程中關(guān)閉井口、控制井內(nèi)壓力、防止井涌井噴等事故發(fā)生的井口安全裝置，通常將固定閘板防噴器、變徑閘板防噴器、剪切閘板防噴器、環(huán)形防噴器和節(jié)流壓井閥件等組合為一體式防噴器組，便于海上吊運(yùn)、安裝、操作和試驗(yàn)。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本文研究的水面防噴器應(yīng)用在一座LeTourneau Supper 116E型自升式鉆井平臺(tái)上，此平臺(tái)工作水深350 ft（1 ft=0.304 8 m），鉆井深度30 000 ft。共安裝2臺(tái)防噴器組，1臺(tái)為高壓防噴器組，由1個(gè)環(huán)形防噴器和4個(gè)閘板防噴器組成，工作壓力15 000 PSI（1 PSI=6.894 8 kPa），操作口徑13-5/8 in（1 in =2.54 cm）；1臺(tái)為低壓防噴器組，由1個(gè)環(huán)形防噴器和3個(gè)閘板防噴器組成，工作壓力50 00 PSI，操作口徑21-1/4 in。根據(jù)鉆井深度及所下套管、鉆具的不同來(lái)選擇適合的防噴器組安裝到井口套管頭上，保證鉆井作業(yè)安全高效進(jìn)行。下面著重對(duì)水面防噴器在工廠和海上鉆井平臺(tái)2個(gè)階段需進(jìn)行的主要試驗(yàn)進(jìn)行介紹，并對(duì)各試驗(yàn)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和研究。

2 防噴器工廠試驗(yàn)總結(jié)和研究

根據(jù)API SPEC 16A[1]要求，防噴器在出廠前需進(jìn)行工廠驗(yàn)收試驗(yàn)并出具試驗(yàn)報(bào)告，必要時(shí)需第三方見(jiàn)證（例如船級(jí)社或其他有資質(zhì)的第三方），本次研究的主要試驗(yàn)內(nèi)容如下。

2.1 閘板開(kāi)關(guān)試驗(yàn)

防噴器制造完成開(kāi)始工廠驗(yàn)收試驗(yàn)，首先需要進(jìn)行閘板的開(kāi)關(guān)試驗(yàn)，向閘板兩側(cè)的液壓油缸注入液壓油來(lái)操作閘板，開(kāi)關(guān)3個(gè)回合，來(lái)驗(yàn)證閘板的開(kāi)關(guān)順暢，環(huán)形防噴器開(kāi)關(guān)試驗(yàn)同樣也是開(kāi)關(guān)3個(gè)回合。

關(guān)鍵技術(shù)研究：工廠驗(yàn)收試驗(yàn)前須與平臺(tái)業(yè)主和防噴器制造商確認(rèn)試驗(yàn)所用的液壓油類(lèi)型，盡量與防噴器控制系統(tǒng)所用的液壓油一致，避免未來(lái)防噴器與控制系統(tǒng)連接后額外的串油作業(yè)。

2.2 殼體壓力試驗(yàn)

閘板防噴器或環(huán)形防噴器進(jìn)行殼體壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為其額定工作壓力的1.5倍。

殼體壓力試驗(yàn)分2步進(jìn)行，第一步將殼體內(nèi)壓力升到試驗(yàn)壓力并穩(wěn)定后需保壓3 min，第二步需保壓15 min，第一步完成后須將壓力降為零再開(kāi)始第二步。

關(guān)鍵技術(shù)研究：1）殼體壓力試驗(yàn)前，需將閘板或環(huán)形防噴器處于開(kāi)啟狀態(tài)；2）試驗(yàn)前需用試壓液將防噴器內(nèi)部鐵屑、雜質(zhì)和氣體等清除，防止壓力波動(dòng)；3）若防噴器末端或側(cè)出口有不同壓力等級(jí)的部件，殼體的試驗(yàn)壓力則按較低者確定。

2.3 液控系統(tǒng)壓力試驗(yàn)

單閘板防噴器、雙閘板防噴器或環(huán)形防噴器的液壓控制系統(tǒng)（包括防噴器內(nèi)部液壓通道和活塞油缸）須按系統(tǒng)額定工作壓力的 1.5倍進(jìn)行壓力試驗(yàn)，常見(jiàn)防噴器液壓控制系統(tǒng)額定工作壓力均為3 000 PSI，則試驗(yàn)壓力按4 500 PSI進(jìn)行。

液控系統(tǒng)壓力試驗(yàn)分2步進(jìn)行，第一步將液控系統(tǒng)內(nèi)壓力升到試驗(yàn)壓力穩(wěn)定后需保壓3 min，第二步同樣升到試驗(yàn)壓力穩(wěn)定后但需保壓15 min，第一步完成后須將系統(tǒng)內(nèi)壓力降為零再開(kāi)始第二步。

關(guān)鍵技術(shù)研究：液控系統(tǒng)的先后2步壓力試驗(yàn)均按額定工作壓力的1.5倍進(jìn)行，并不是第一步低壓試驗(yàn)和第二步高壓試驗(yàn)，避免混淆。

2.4 閘板壓力試驗(yàn)

每個(gè)閘板防噴器在殼體壓力試驗(yàn)之后，防噴器在關(guān)閉狀態(tài)下須進(jìn)行壓力試驗(yàn)。液控系統(tǒng)操作壓力不得高于其額定工作壓力，壓力試驗(yàn)分2步進(jìn)行，首先進(jìn)行低壓試驗(yàn)（200 PSI～300 PSI），壓力穩(wěn)定后需保壓不少于10 min。然后進(jìn)行高壓試驗(yàn)（圖1），試驗(yàn)壓力為防噴器的額定工作壓力，壓力穩(wěn)定后需保壓不少于10 min。第一步壓力試驗(yàn)完成后須將壓力降為零再開(kāi)始第二步。

關(guān)鍵技術(shù)研究：1）閘板關(guān)閉狀態(tài)下的試驗(yàn)壓力須等同于閘板的額定工作壓力，不得使用1.5倍工作壓力；2）試驗(yàn)前，需選取適合閘板尺寸的試壓鉆管放入防噴器（圖2），并提前核實(shí)此鉆管的壁厚和破壞壓力等級(jí)是否滿足試驗(yàn)壓力，注意鉆管接頭所處高度不得與閘板干涉。

圖1 操作試壓泵開(kāi)始防噴器壓力試驗(yàn)

圖2 防噴器與控制系統(tǒng)連接并放入鉆管

2.5 環(huán)形和變徑閘板壓力試驗(yàn)

環(huán)形防噴器和變徑閘板防噴器在關(guān)閉狀態(tài)下的壓力試驗(yàn)基本要求同2.4節(jié)一致，特別要求見(jiàn)如下關(guān)鍵技術(shù)研究。

關(guān)鍵技術(shù)研究：1）環(huán)形防噴器壓力試驗(yàn)，第一步需按API 16A要求如表1所示將規(guī)定尺寸的試壓鉆管放入環(huán)形防噴器中進(jìn)行防噴器關(guān)閉和壓力試驗(yàn)；第二步需在環(huán)形防噴器中無(wú)鉆管情形下進(jìn)行防噴器關(guān)閉和壓力試驗(yàn)，此階段的低壓試驗(yàn)和高壓試驗(yàn)要求同2.4節(jié)中要求一致，且高壓試驗(yàn)階段允許按其額定工作壓力的一半或以上進(jìn)行。

變徑閘板防噴器須按其規(guī)格分別放入最小尺寸和最大尺寸的試壓鉆管，然后進(jìn)行防噴器關(guān)閉和壓力試驗(yàn)，例如變徑閘板（5 in～7 in），則須分別放入5 in鉆管和7 in鉆管分別進(jìn)行2次壓力試驗(yàn)。

表1 環(huán)形防噴器壓力試驗(yàn)鉆管尺寸要求

2.6 剪切閘板試驗(yàn)

剪切試驗(yàn)是用來(lái)驗(yàn)證防噴器對(duì)指定鉆管的剪切能力以及剪切之后的密封能力，剪切試驗(yàn)需在防噴器內(nèi)部零壓力和鉆管無(wú)張力進(jìn)行，各規(guī)格剪切閘板防噴器所需剪切的鉆管尺寸和等級(jí)需參照API 16A要求，如表2所示。

表2 閘板防噴器剪切試驗(yàn)鉆管尺寸要求

關(guān)鍵技術(shù)研究：1）試驗(yàn)前，須與平臺(tái)業(yè)主和防噴器制造商確認(rèn)是否需要第三方參加，例如船級(jí)社；2）剪切試驗(yàn)所用鉆管的尺寸和等級(jí)，須提前與平臺(tái)業(yè)主和防噴器制造商確認(rèn)，是否按API 16A最小規(guī)定尺寸進(jìn)行；3）實(shí)際的剪切壓力、鉆管的實(shí)際屬性（尺寸、壁厚、等級(jí)、張力和沖擊力等）須在剪切報(bào)告上進(jìn)行記錄；4）剪切試驗(yàn)須在防噴器內(nèi)零壓力和鉆管無(wú)張力下進(jìn)行；5）剪切全封閘板的剪切試驗(yàn)和密封試驗(yàn)須先后連續(xù)，一次試驗(yàn)完成。

3 防噴器海上試驗(yàn)總結(jié)和研究

根據(jù)API STD 53[2]要求，防噴器安裝到鉆井平臺(tái)上之后，需進(jìn)行功能和壓力試驗(yàn)，本次研究的主要試驗(yàn)內(nèi)容包括：閘板關(guān)閉時(shí)間試驗(yàn)；環(huán)形關(guān)閉時(shí)間試驗(yàn)；閘板壓力試驗(yàn)；環(huán)形和變徑閘板壓力試驗(yàn)；通孔試驗(yàn)；儲(chǔ)能器能力試驗(yàn)。

應(yīng)注意，鉆井平臺(tái)在海上作業(yè)時(shí)，按操作允許須每周進(jìn)行功能試驗(yàn)，功能試驗(yàn)可包括壓力試驗(yàn)。

3.1 閘板關(guān)閉時(shí)間試驗(yàn)

根據(jù)API STD 53要求，防噴器控制系統(tǒng)需具備在30 s內(nèi)關(guān)閉任何1個(gè)閘板防噴器的能力。此試驗(yàn)在操作閘板控制閥啟動(dòng)閘板關(guān)閉功能后計(jì)時(shí)開(kāi)始，當(dāng)閘板完全關(guān)閉并實(shí)現(xiàn)密封后計(jì)時(shí)結(jié)束。

關(guān)鍵技術(shù)研究：

1）防噴器液壓控制系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)閥設(shè)定值的不同會(huì)影響防噴器開(kāi)關(guān)的快慢，同時(shí)也影響儲(chǔ)能器瓶組所輸出的有效液壓量。此壓力調(diào)節(jié)閥常規(guī)設(shè)定值為1 500 PSI即防噴器的最小操作壓力，且與儲(chǔ)能器系統(tǒng)的容量和壓力計(jì)算有關(guān)。

2）計(jì)時(shí)結(jié)束（閘板關(guān)閉且密封）的臨界條件是當(dāng)液壓控制系統(tǒng)已輸出閘板關(guān)閉所需求的流量和壓力后，系統(tǒng)壓力返回設(shè)定值1 500 PSI。如圖3所示。此時(shí)閘板開(kāi)關(guān)控制閥下游管路系統(tǒng)和防噴器油缸內(nèi)已充滿1 500 PSI液壓，閘板已被液壓推至關(guān)閉位置并實(shí)現(xiàn)密封，同時(shí)系統(tǒng)流量計(jì)顯示液壓輸出量已滿足閘板關(guān)閉需求量，如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)壓力關(guān)閉閘板后返回設(shè)定值

圖4 系統(tǒng)已輸出閘板關(guān)閉需求流量

3）影響閘板關(guān)閉時(shí)間的因素包括閘板關(guān)閉所需液壓量、壓力調(diào)節(jié)閥設(shè)定值、液壓油的溫度黏度特性以及液壓控制管路管徑和流速的選取設(shè)計(jì)。

4）閘板關(guān)閉時(shí)間要求在所有液壓泵組斷電的情況下，通過(guò)儲(chǔ)能器瓶組中的壓力和流量來(lái)操作閘板關(guān)閉進(jìn)行最終驗(yàn)證，具體試驗(yàn)方法和要求參照 3.6節(jié)。

5）任何閘板防噴器的開(kāi)關(guān)操作除剪切和全封閘板外，須放入適合閘板尺寸的鉆管后再關(guān)閉，注意鉆管接頭在防噴器中所處高度不得與閘板干涉。

6）防噴器液壓控制管在設(shè)計(jì)階段選型時(shí)須注意，在滿足管路壓力等級(jí)的情況下考慮使用合適的內(nèi)徑，減少管路損失，保證各防噴器開(kāi)關(guān)時(shí)間滿足要求。

3.2 環(huán)形關(guān)閉時(shí)間試驗(yàn)

環(huán)形防噴器關(guān)閉時(shí)間測(cè)量方法同3.1節(jié)一致，要注意的是不同內(nèi)徑的環(huán)形防噴器，關(guān)閉時(shí)間的要求不同。

關(guān)鍵技術(shù)研究：1）當(dāng)環(huán)形防噴器內(nèi)徑在18-3/4 in以下時(shí)，關(guān)閉時(shí)間要求為30 s；當(dāng)環(huán)形防噴器內(nèi)徑在18-3/4 in及以上時(shí)，關(guān)閉時(shí)間要求為45 s。2）防噴器液壓控制管在設(shè)計(jì)階段選型時(shí)，在滿足管路壓力等級(jí)的情況下考慮使用合適的內(nèi)徑，減少管路損失，保證各防噴器開(kāi)關(guān)時(shí)間滿足要求。

3.3 閘板壓力試驗(yàn)

鉆井平臺(tái)在海上作業(yè)時(shí)，進(jìn)行閘板關(guān)閉狀態(tài)下的壓力試驗(yàn)與2.4節(jié)中相應(yīng)工廠試驗(yàn)要求一致，需特別注意的是在工廠進(jìn)行此試驗(yàn)時(shí)，按工廠標(biāo)準(zhǔn)做法每個(gè)防噴器單獨(dú)進(jìn)行試驗(yàn)。而在海上試驗(yàn)時(shí)，環(huán)形、雙閘板或單閘板等防噴器通常已經(jīng)組裝在一起成為一個(gè)整體防噴器組，安裝在井口平臺(tái)上或存放于懸臂梁儲(chǔ)存平臺(tái)上，此時(shí)進(jìn)行任何閘板防噴器壓力試驗(yàn)之前，須提前準(zhǔn)備合適尺寸和強(qiáng)度的試壓鉆管，并考慮如何將鉆管吊運(yùn)并安裝到防噴器中。

關(guān)鍵技術(shù)研究：1）試驗(yàn)壓力為閘板防噴器的額定工作壓力，不得使用額定工作壓力的1.5倍；2）試壓鉆管安裝后須保證每層閘板均關(guān)閉在鉆管的管子部分，避免閘板關(guān)閉在鉆管的接頭位置，防止閘板損壞；3）防噴器組各層閘板壓力試驗(yàn)通常從下往上逐層進(jìn)行，目的是依次核查各層防噴器在壓力試驗(yàn)過(guò)程中是否發(fā)生滲漏；4）若壓力試驗(yàn)在冬季進(jìn)行，環(huán)境溫度低于零下，防噴器腔內(nèi)試壓液需考慮添加乙二醇防凍液，防止結(jié)凍。

3.4 環(huán)形和變徑閘板壓力試驗(yàn)

環(huán)形防噴器和變徑閘板防噴器在關(guān)閉狀態(tài)下，須按其額定工作壓力進(jìn)行壓力試驗(yàn)，基本要求同2.4節(jié)一致，各防噴器需分別進(jìn)行低壓和高壓試驗(yàn)。

關(guān)鍵技術(shù)研究：1）當(dāng)防噴器安裝之后初次進(jìn)行試驗(yàn)，環(huán)形防噴器和變徑閘板防噴器須按鉆井作業(yè)計(jì)劃中的最大尺寸以及最小尺寸鉆管來(lái)進(jìn)行壓力試驗(yàn)；2）初次試驗(yàn)之后，須按鉆井作業(yè)中的最小尺寸鉆管定期進(jìn)行壓力試驗(yàn)。

3.5 通孔試驗(yàn)

根據(jù)API 16A工廠試驗(yàn)要求，閘板防噴器、環(huán)形防噴器、液壓連接器和鉆井四通等，在壓力試驗(yàn)完成后需進(jìn)行通孔試驗(yàn)，所需試驗(yàn)工具通徑規(guī)的制作尺寸參照表3并允許上偏差0.25 mm，通徑規(guī)的測(cè)量范圍不小于300 mm，且應(yīng)超出防噴器腔體至少51 mm。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為通徑規(guī)在沒(méi)有外力的情況下30 min內(nèi)順利通過(guò)防噴器內(nèi)孔。

根據(jù)API 53海上試驗(yàn)要求，當(dāng)防噴器安裝到井口裝置上并完成初次試驗(yàn)之后，須進(jìn)行通孔試驗(yàn)。

關(guān)鍵技術(shù)研究：1）當(dāng)完成整個(gè)防噴器組中所有閘板和環(huán)形的壓力試驗(yàn)后，須進(jìn)行通孔試驗(yàn)；2）通徑規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)須考慮后期試驗(yàn)中可裝載液體或固體顆粒來(lái)增加自重，縮短通徑規(guī)通過(guò)整個(gè)防噴器組內(nèi)孔的時(shí)間。

表3 防噴器通徑規(guī)制作尺寸要求

3.6 儲(chǔ)能器能力試驗(yàn)

防噴器控制系統(tǒng)儲(chǔ)能器瓶組的設(shè)計(jì)參照 API SPEC 16D[3]的要求，滿足防噴器功能流量需求的同時(shí)基于限壓式儲(chǔ)能器的液壓排放要求來(lái)考慮容量設(shè)計(jì)系數(shù)。而鉆井平臺(tái)在海上作業(yè)時(shí)需按API STD 53中要求進(jìn)行儲(chǔ)能器能力試驗(yàn)，即在斷電情況下，核實(shí)儲(chǔ)能器系統(tǒng)能提供足夠流量和壓力的液壓流體，來(lái)完成防噴器組的一系列操作，實(shí)現(xiàn)井口保護(hù)。此試驗(yàn)須在防噴器組和控制系統(tǒng)首次組裝后或需要系統(tǒng)拆離的維修后進(jìn)行，或上一次試驗(yàn)后每6個(gè)月進(jìn)行1次。

關(guān)鍵技術(shù)研究：1）試驗(yàn)第一步先將所有儲(chǔ)能器瓶組從預(yù)充壓力充滿至最大工作壓力，關(guān)閉液壓泵組的供電，然后操作關(guān)閉所有環(huán)形和閘板防噴器，并開(kāi)啟1個(gè)側(cè)出口閥，過(guò)程中須記錄每個(gè)閘板和環(huán)形防噴器關(guān)閉各用的時(shí)間。其中剪切閘板的關(guān)閉可用其他閘板的開(kāi)關(guān)來(lái)模擬。2）待上述操作完成，系統(tǒng)穩(wěn)定30 min后，須核查儲(chǔ)能器瓶組的剩余壓力在預(yù)充壓力200 PSI以上。3）3.1節(jié)和3.2節(jié)中提及的防噴器關(guān)閉時(shí)間要求須在本試驗(yàn)中最終驗(yàn)證。

4 結(jié)論

水面防噴器作為海上鉆井平臺(tái)井口控制和保護(hù)的最終設(shè)備，其工廠試驗(yàn)和海上試驗(yàn)的過(guò)程和意義至關(guān)重要，每次試驗(yàn)須完整記錄并可追溯。結(jié)合以往鉆井平臺(tái)井噴事故的調(diào)查分析報(bào)告，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)井噴事故都與防噴器的操作和試驗(yàn)不規(guī)范有一定關(guān)系，因此防噴器在海上作業(yè)階段進(jìn)行的所有試驗(yàn)和維護(hù)都須嚴(yán)格按行業(yè)規(guī)范要求以及設(shè)備制造商和平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商的要求定期進(jìn)行，實(shí)時(shí)保證防噴器設(shè)備系統(tǒng)的全面可操作性和可靠性。

《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》2018年綜合文本發(fā)布

中國(guó)船級(jí)社基于最新科研和反饋，完成了《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》2018年綜合文本的編制，現(xiàn)予以發(fā)布。

《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》是中國(guó)船級(jí)社提供國(guó)際航行海船入級(jí)服務(wù)的基礎(chǔ)性規(guī)范，包括入級(jí)條件與范圍以及相配套的技術(shù)要求，規(guī)定船舶構(gòu)造、船體結(jié)構(gòu)、機(jī)械與電氣設(shè)備和系統(tǒng)、消防、環(huán)保等技術(shù)與建造標(biāo)準(zhǔn)、檢驗(yàn)和試驗(yàn)要求，以及保持其良好狀態(tài)的條件，旨在控制船舶的安全與質(zhì)量達(dá)到適當(dāng)水平，并得到業(yè)界的廣泛認(rèn)同。

《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》適用于船長(zhǎng)20 m及以上的海上航行入級(jí)船舶，除另有指明外，不適用于軍船、木質(zhì)船、非營(yíng)業(yè)性游艇、高速船、小水線面船、帆船。

《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》2018年綜合文本包含2018年修改通報(bào)，于2018年7月1日生效，生效后替代《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》2015年綜合文本、2016年修改通報(bào)、2017年修改通報(bào)。

來(lái)源：中國(guó)船級(jí)社