張 寧， 孫 欽， 侯廣信， 趙月前， 王海兵， 潘艷芝

(1.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司， 廣東 深圳 518064； 2.中海油研究總院有限責任公司， 北京 100028； 3.海默科技(集團)股份有限公司， 甘肅 蘭州 730010)

0 引 言

隨著海洋油氣開發(fā)由淺水逐步走向深海，其開采方式由海上平臺開采模式逐步向水下生產系統(tǒng)開采模式發(fā)展[1]。但水下油氣工程裝備技術門檻高、開發(fā)投入大，各類裝備長期被國外少數幾家公司所壟斷。為打破國外技術壟斷，保障我國能源安全，開展水下高端核心油氣工程裝備國產化研究勢在必行[2]。水下多相流量計作為水下生產系統(tǒng)的必要組成部分，是一種不分離型在線測量儀表，一般安裝在水下采油樹或管匯上，可實時測量油氣井中油、氣、水的產量，為油氣田作業(yè)提高采收率和生產優(yōu)化水平、保證水下流動安全提供基礎數據[3]。我國于十三五期間已系統(tǒng)開展國內水下多相流量計的研制工作[4]，并在南海流花某氣田進行工程應用。

水下多相流量計壽命通常要求不低于20 a，且具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。需要由第三方權威機構按照相關規(guī)范對設計、加工、測試及檢驗等各個環(huán)節(jié)進行認證和見證，確保產品的可靠性并最終確保順利實現工程化應用。目前國內已有針對水下控制模塊等裝備的測試認證介紹，但這些認證或是采用國內船級社進行第三方認證[5]，或是只引用國際標準對測試流程進行分析說明[6]，尚無專門針對國際權威船級社作為第三方認證機構進行水下油氣工程裝備產品系統(tǒng)認證的介紹。挪威船級社(DNV)是國際上權威的海洋油氣工程裝備第三方認證機構之一，但在過去的十幾年中，國內研制的水下油氣工程裝備尚未系統(tǒng)取得過該機構的設計和產品認證。

本文系統(tǒng)論述水下多相流量計國產化過程中為保證產品質量、提高可靠性而邀請DNV作為第三方進行認證的流程及要點。

1 水下多相流量計簡介

國產水下多相流量計采用雙能伽馬射線傳感器與文丘里流量計相結合的技術進行油氣水各相流量測量。其中雙能伽馬射線傳感器基于射線透射技術測量相分率，而工況下的油氣水三相總流量則由文丘里流量計測量，再結合在線壓力-體積-溫度(Pressure-Volume-Temperature，PVT)模型，可獲得標況下油氣水單相流量。為提高可靠性，設備進行冗余設計，主要包括本體(含內置文丘里流量計)、伽馬射線傳感器、溫度壓力變送器、差壓變送器、電子倉等，結構如圖1所示。

圖1 國產水下多相流量計產品

該產品的設計參數如表1所示。

表1 國產水下多相流量計設計參數

2 DNV認證流程

2.1 DNV認證流程簡介

DNV認證難度大、流程繁多，需要：首先進行故障模式、影響和危害性分析(Failure Mode, Effect and Criticality Analysis，FMECA)；然后進行詳細設計資料的審核，包括對關鍵部位計算分析的獨立校核，其間也會對廠家資質進行審查，接下來對樣機加工環(huán)節(jié)各節(jié)點進行現場見證；最后按認證產品所符合的國際規(guī)范進行各項型式試驗，并對試驗各環(huán)節(jié)進行見證，具體包括測試程序審核、測試場所審查、測試見證及報告簽字等環(huán)節(jié)。在完成上述所有工作后，才會簽發(fā)設計認證報告。

下面對各認證流程進行具體介紹。

2.2 FMECA

FMECA是一種評估系統(tǒng)可靠性的分析方法，來源于失效模式與影響分析法和關鍵性分析法。

在進行FMECA時，將產品劃分為各單元模塊，再逐一分析所有可能的失效。通過FMECA 可識別該流量計各單元中的關鍵元件，并對其進行失效模式分析與風險評估，這有助于及時發(fā)現流量計設計中的薄弱環(huán)節(jié)，進而改進流量計的設計，從而提高產品的可靠性。

在完成FMECA后，有針對性地完善產品并按要求提交一系列文件供DNV審核。

2.3 設計文件審核

文件審核所參考的規(guī)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]。

提交給DNV的水下多相流量計設計認證文件如表2所示，主要包括五大類共30余個文件。

表2 水下多相流量計設計文件審核列表

2.4 型式試驗

在設計文件審查后，參考API RP 17S要求，開展型式試驗。API RP 17S的第8章介紹水下多相流量計設計認證、型式試驗、出廠測試等一系列認證要求，其中型式試驗是產品認證的一部分，主要包括機械性能試驗、電子學可靠性試驗(如環(huán)境應力篩選試驗、電磁兼容性試驗等)、計量性能試驗等。DNV對其中幾個重要試驗的要求如下：

(1) 在機械性能試驗中：靜水壓、氣壓和壓力-溫度循環(huán)試驗應按照API 6A 附錄F 完成，試驗應滿足PR2要求，由DNV檢驗師進行見證；高壓倉外壓試驗應按照API 17D的要求完成，試驗壓力應是1.1倍最大操作水深對應的壓力，且應符合溫度要求，由DNV檢驗師進行見證。

(2) 電子部件(如數據采集單元)應按照IEC-61000-6-4進行電磁兼容性試驗。試驗應由DNV檢驗師進行見證。

(3) 水下多相流量計數據采集單元應進行質量鑒定以驗證關于溫度循環(huán)、振動和老化方面的設計性能。試驗報告應提交DNV審核確認。

自2017年7月正式開始水下多相流量計各項型式試驗，至2018年5月順利完成所有試驗，結果符合相關規(guī)范要求。重點介紹幾項主要試驗。

2.4.1 機械性能試驗

2017年7月，在DNV驗船師見證下，水下多相流量計工程樣機在某國家石油裝備產品質量監(jiān)督檢驗中心進行機械性能測試，所檢各個項目合格。

按照API Spec 6A—2010和GB/T 22513—2013的要求，先后進行靜水壓試驗、壓力循環(huán)試驗、氣壓試驗、壓力-溫度循環(huán)試驗等。其中，靜水壓測試壓力為7 500 psi，壓力循環(huán)試驗和氣壓試驗測試壓力均為5 000 psi。需要注意的是，在進行壓力試驗時，當壓力穩(wěn)定后保壓15 min，允許的最大壓降為5%。壓力循環(huán)檢測曲線如圖2所示。

圖2 壓力循環(huán)檢測曲線

壓力-溫度循環(huán)試驗的測試介質為氮氣，試驗溫度定為U級(-18～ 121 ℃)，壓力-溫度循環(huán)一共進行4次循環(huán)：首先在室溫和大氣壓力下升溫至最高溫度(121 ℃)，施加試驗壓力保壓1 h后泄壓，然后降溫至最低溫度(-18 ℃)后施加試驗壓力，再保壓1 h后泄壓，升溫至室溫，如此往復循環(huán)3次試驗；最后1次循環(huán)是在室溫下施加試驗壓力并保壓1 h后泄壓，再施加5%～10%的試驗壓力并保壓1 h后泄壓。該試驗參照標準API 6A F2.3.3.11-PR2級進行，驗收標準是保壓期間壓力變化不超過5%。主要測試結果如表3所示。

2.4.2 第三方環(huán)線計量性能測試

計量性能是多相流量計的關鍵技術指標，可衡量其測量油氣水各相流量的精度。2017年9月，水下多相流量計樣機在DNV多相流環(huán)線實驗室完成第三方環(huán)線計量性能測試。該環(huán)線可使用的介質包括氮氣、氬氣、天然氣、原油、水(鹽度可調節(jié))等；最大壓力達3.3 MPa。本次測試共計60個測試點，滿量程范圍(0～100%含氣率，0～100%含水率)，充分檢驗了設備在全量程的測量精度，測量結果如表4所示。由該實驗室出具的第三方測試報告顯示，樣機計量性能符合預期要求。

表4 DNV多相流環(huán)線計量性能測量結果 %

2.4.3 電氣及通信系統(tǒng)試驗

2017年11月，水下多相流量計通信控制系統(tǒng)在廣州廣電計量檢測公司西安實驗室順利通過了環(huán)境應力篩選(Environmental Stress Screening，ESS)試驗。ESS報告顯示，通信、性能無異常，受試樣品的初始檢測、中間檢測及最終檢測通信、功能性能檢查均符合要求。

后續(xù)又在廣州廣電計量檢測公司武漢實驗室及在DNV的現場見證下完成電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility, EMC)測試。測試結果如表5所示。

表5 EMC測試結果

續(xù)表5 EMC測試結果

2.4.4 高壓艙試驗

通過高壓艙試驗模擬水下多相流量計在1 500 m外壓下的工作情況，用以驗證是否滿足設計要求。高壓艙試驗參照API 17D，一共進行5個15 min測試循環(huán)和1個4 h保壓階段，如圖3所示。試驗介質為純凈水，試驗時緩慢施加壓力，直至達到試驗壓力，觀察是否有泄漏。若在每次加壓后15 min內壓力不能保持穩(wěn)定，停止測試并找出導致壓降的原因；若壓力保持穩(wěn)定，則進入最后4 h保壓階段；若壓降超出驗收準則，停止測試并找出壓降原因。在保壓結束后泄壓，記錄試驗結果。

圖3 高壓艙測試保壓過程

在整機測試中保壓期間無可見泄漏，4 h保壓的最大壓降為-0.13 MPa，滿足要求，DAU上電后通信正常，試驗結束后拆除本體進口法蘭和電子倉頂部盲法蘭，檢查內部未發(fā)現滲水現象。

2.5 設計認證報告簽發(fā)

DNV 根據不同階段驗證活動和驗證結果出具相應的報告或證書，報告或證書種類大致如下：設計認證報告、現場訪問報告、驗證報告、符合性證書。

在完成第2節(jié)的所有工作后，DNV簽發(fā)設計認證報告及歷次型式試驗的見證報告。新產品若獲得商業(yè)供貨合同，則DNV會根據合同業(yè)主方提供的各種規(guī)格書和數據表等資料，對該產品進行認證，最終簽發(fā)產品符合性證書。

3 結 論

水下多相流量計的國產化對于提升我國海洋油氣開發(fā)水平、降本增效具有重要意義。鑒于水下工程項目的難度和復雜性，要求水下多相流量計必須經過嚴格的第三方認證和測試。系統(tǒng)介紹由DNV主導的國產水下多相流量計第三方認證流程，并對重要的型式試驗進行詳細介紹，為其他水下油氣工程裝備的國產化研制和工程應用提供借鑒。