費健杰

(中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300450)

隨著水下增壓和泵送系統(tǒng)設(shè)計、安裝、操作方式以及所處環(huán)境的改變，RGD相關(guān)問題越發(fā)難以控制，因此，需要對RGD問題進行多角度考慮分析，尋找適當(dāng)?shù)慕鉀Q方法，降低RGD發(fā)生的概率。RGD是指氣體在高壓下被吸收到彈性密封(橡膠O型密封圈)后，由于壓力的快速下降而迅速膨脹的過程。這種壓力的快速下降導(dǎo)致彈性密封內(nèi)氣體體積迅速增加，在這個過程中，氣體體積的快速增加會對彈性密封產(chǎn)生一定的破壞，從而嚴(yán)重影響水下設(shè)備的工作，并可能帶來重大的經(jīng)濟損失[1～2]。由于水下閥門的限制和水下控制系統(tǒng)固有的通信延遲，阻止RGD的發(fā)生相對較為困難。在水下增壓系統(tǒng)中，為降低RGD發(fā)生的概率，同時降低RGD帶來的損失，提高泵送系統(tǒng)使用的安全性，本文提供了多種RGD解決方案，即使不能完全消除RGD，也可以極大地減少它們的影響。實施這些解決方案將大大提高泵送系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，對泵送系統(tǒng)安全使用有重要意義。

1 RGD的定義

RGD(氣體快速減壓)可以歸類為一種極端的減壓現(xiàn)象，從高壓(數(shù)千psi)到低壓(數(shù)百psi到大氣)，在數(shù)秒或瞬間的時間完成減壓過程，RGD也可稱為爆炸性減壓。減壓過程通常發(fā)生在彈性密封的內(nèi)部，彈性密封的組成、所處環(huán)境和設(shè)計方案將決定彈性密封可承受的減壓速率。文中所提及的海底增壓和泵送系統(tǒng)是一種獨立的泵系統(tǒng)，安裝在海底，幫助人工將碳

氫化合物舉升到地面。通常，這些系統(tǒng)在較高壓力的條件下工作，在后期的啟動過程中壓力會大幅降低。在壓力瞬間降低的過程中，彈性密封被破壞，使得密封性能下降，進而影響海底增壓和泵送系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

2 為什么RGD過程會影響海底增壓系統(tǒng)

通常情況下，在泵送系統(tǒng)附近的運轉(zhuǎn)壓力較高，可能會出現(xiàn)壓力快速降低現(xiàn)象，使得泵送系統(tǒng)附近的壓力在較低的水平達到平衡狀態(tài)，嚴(yán)重破壞泵送系統(tǒng)中密封元件，例如一些典型密封元件：O型密封圈；電纜，連接器接口；水下泵電纜密封/保護；泵和海底設(shè)備等[3]。

在海底生產(chǎn)系統(tǒng)中，對設(shè)備的控制存在一定的局限性，可能會加劇RGD過程。與安裝在深水中的水下設(shè)備相比，安裝在海上和陸上的地面生產(chǎn)設(shè)備可以更嚴(yán)密、有效地控制。水下閥門很難進行嚴(yán)密和有效的控制，無論是使用電動閥門還是通過遙控操作手動閥門。這種對海底閥門的“粗糙”控制可能會在閥門開啟過程中導(dǎo)致RGD。海上裝置的地面閥門進行嚴(yán)密地控制；然而，當(dāng)閥門安裝在水下時，難以進行嚴(yán)密地控制。水下增壓系統(tǒng)的另一個局限性是信息到達地面的時間有一定延遲，以及將控制命令返回海底架構(gòu)的時間有一定延遲。即使是基于光纖的控制系統(tǒng)，信息傳輸(如壓力信號)、控制系統(tǒng)分析和控制系統(tǒng)發(fā)出響應(yīng)的過程中，也會產(chǎn)生幾秒鐘延遲，從而無法阻止RGD。舉個簡單的例子，考慮如圖1所示的泵送系統(tǒng)，在進、出壓力分別為 1 500 psi和3 500 psi的情況下工作，在完全將井隔離之前，它會經(jīng)歷停機和關(guān)閉排放閥。在這個例子中，有液體、氣體和化學(xué)物質(zhì)注入排放閥，它們也會關(guān)閉。如圖2左側(cè)所示，如果WHSⅠP（關(guān)井壓力）為10 000 psi，那么，由于距離井口較近，泵的內(nèi)部壓力很快也會達到10 000 psi。壓力保持不變，高壓本身不會影響泵的工作，在隨后重新啟動的過程中，壓力的快速降低容易破壞彈性密封，進而影響泵的工作。

在我們重新啟動泵系統(tǒng)之前，即使井已經(jīng)與泵系統(tǒng)隔離，泵腔內(nèi)的壓力與氣體和液體排出管線內(nèi)的壓力也需要保持平衡。如果沒有嚴(yán)密控制壓力平衡的過程，壓力平衡的過程將迅速完成。由于泵的體積遠遠小于氣體或液體管道的體積，高壓氣體(10 000 psi)將迅速消散到管道腔內(nèi)，壓力在較低的水平下達到平衡狀態(tài)。此時，在高壓狀態(tài)下被壓縮并吸收到彈性密封內(nèi)部的氣體迅速膨脹，在較低壓力下達到平衡狀態(tài)，對彈性密封造成一定的破壞。此外，若化學(xué)物質(zhì)注入管線(如果有的話)打開順序有誤，也可能導(dǎo)致RGD。

3 彈性密封如何受RGD影響?

壓力快速平衡可以歸類為RGD，下面將介紹它是破壞彈性密封，以及破壞性如此之大的原因。壓力快速平衡的發(fā)生過程如前文所述，在高壓(10 000 psi)下，任何彈性密封(O型密封圈、氣囊等)內(nèi)部的氣體將被壓縮在一個相對較小的體積，如果RGD過程不受控制，在壓力迅速平衡的過程中，如圖2右側(cè)所示，隨著壓力迅速降低，氣體將在彈性密封內(nèi)部消散之前迅速膨脹，在“膨脹”過程中，破壞彈性密封，導(dǎo)致泵送系統(tǒng)因彈性密封破壞而停止工作。RGD主要發(fā)生在大約1 000 psi以下的快速減壓過程中。在這個壓力之上，彈性密封破壞較輕。在此壓力下，氣體體積迅速變大，造成彈性密封嚴(yán)重破壞。將壓力瞬間從10 000 psi降至1 000 psi是有可能的，對彈性密封造成輕微損害，但從1 000 psi降至大氣壓力時，必須嚴(yán)格控制。圖3和圖4顯示了由于RGD而破壞的彈性制品(O型密封圈、氣囊)的照片?？梢钥闯觯瑥椥灾破返钠茐?，嚴(yán)重影響其外觀完整性，同時也失去了使用價值，這種由RGD導(dǎo)致的破壞必須盡量避免，才能使得泵送系統(tǒng)安全平穩(wěn)地工作。

4 RGD的解決方案

RGD的發(fā)生及其導(dǎo)致彈性密封破壞過程如前文所述。目前在石油工業(yè)中，防止RGD破壞最常用的方法主要有：控制壓力平衡，金屬密封接口，使用耐RGD材料，機械密封。

5 下面將討論這四種主要解決方案

5.1 控制壓力平衡

正如前文提到的，壓力在1 000 psi以下的降壓過程是造成彈性密封破壞的主要原因。若高壓(1 000 psi)狀態(tài)降至低壓狀態(tài)(300 psi)以可控的方式完成，壓縮氣體可以擴散出彈性密封，從而減輕RGD對彈性密封的破壞。盡管減壓速度越慢越好，但在行業(yè)文獻及相關(guān)規(guī)范中，大多數(shù)應(yīng)用的最高減壓速率是500～1 000 psi/min，此時彈性密封破壞相對較小，不影響密封性能。對于一些應(yīng)用，為確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，需要在更低的減壓速率(100～300 psi/min)下完成。測試和檢查彈性密封相關(guān)性能是至關(guān)重要的，在石油和天然氣行業(yè)中，應(yīng)用于彈性密封RGD實驗的標(biāo)準(zhǔn)主要是Norsok M710 rev. 2。

正確的停機順序也是平衡壓力的常用方法。在不同的啟動條件下，嚴(yán)格執(zhí)行閥門控制程序有利于控制壓力平衡，因為泵系統(tǒng)啟動時，上游閥門有可能處在關(guān)閉狀態(tài)，這是一個常見的錯誤，這會影響泵的工作。此外，操作人員的培訓(xùn)也是控制壓力平衡的常用方法之一。

5.2 金屬密封

若所有的密封區(qū)域都可以用金屬—金屬密封，在很大程度上可以忽略RGD問題，然而，完全使用金屬-金屬密封的解決方案是不切實際的，那么連續(xù)密封屏障是另一個可行的解決方案[4]。首先，可以使用不透氣的屏障將彈性密封隔離，防止氣體進入彈性密封，此時，可以假定該系統(tǒng)是不受RGD影響的。這種新型解決方案，在復(fù)雜的海底增壓和泵送系統(tǒng)中的應(yīng)用需要進一步確認，設(shè)備的安裝和應(yīng)用的限制也需考慮在其中。

5.3 耐RGD材料

由于裝配等問題導(dǎo)致金屬-金屬密封無法完全代替彈性密封，使用耐RGD的材料是另一種合適的解決方案。目前，市場上有許多符合RGD標(biāo)準(zhǔn)的彈性體，這些彈性體可以用于泵送系統(tǒng)最常用的密封裝置。使用這些材料的前題，要進行相關(guān)實驗確認，以確保材料性能(如使用溫度范圍、化學(xué)相容性、硬度等)符合使用要求，將這些材料與前面提到的控制壓力平衡的方法一起使用，將會起到一定的優(yōu)勢互補作用。

5.4 密封容器

應(yīng)對RGD的最后一個解決方案是使用密封容器。這是一個簡單的解決方案，在密封區(qū)域處增加密封容器即可。這是大多數(shù)O型密封圈密封的首選方案，但也可以應(yīng)用于其他密封區(qū)域設(shè)計，如端面密封。該解決方案將彈性密封(如O型密封圈或端面密封)限制在特定的幾何形狀中，并允許夾帶氣體以可控的方式從彈性密封中逸出，且不會在逸出過程中扭曲彈性密封，它的好處主要是在一定程度上減輕彈性密封的膨脹。使用密封容器時，當(dāng)夾帶氣體逸出時，密封裝置仍然可以提供良好的密封性，使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作。圖5和圖6比較了密封環(huán)和非密封環(huán)的密封方案，圖6還顯示了密封容器增強密封性能的方案，其中一個備份環(huán)與O型密封圈一起使用，確保了優(yōu)異的密封性能。

6 結(jié)論

以上介紹的RGD解決方法各有特點，必須結(jié)合實際使用條件采取適合的解決方法，一般情況下，至少需要有兩個或更多的RGD解決方案應(yīng)用到整個海底增壓和泵送系統(tǒng)的設(shè)計和工作中。一旦正確設(shè)計并檢驗合格，這些解決方案將確保泵系統(tǒng)在多次RGD后仍能穩(wěn)定地工作。