譚文濤　李宇航　孫瀚軒　岳元龍　左信

摘 要 水下壓力溫度一體變送器性能的優(yōu)劣直接決定水下生產(chǎn)系統(tǒng)能否安全運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)尚未形成水下壓力溫度一體變送器質(zhì)量測(cè)試的配套方法。以API 17F標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的關(guān)于水下變送器測(cè)試項(xiàng)目為基礎(chǔ)，針對(duì)水下壓力溫度一體變送器制定有可操作性的質(zhì)量測(cè)試方法和出廠驗(yàn)收測(cè)試方法。測(cè)試項(xiàng)目包括氦氣泄漏、環(huán)境篩選、外壓、接觸井流部分耐壓強(qiáng)度、接觸井流部分壓力溫度循環(huán)、功能和連續(xù)性、絕緣電阻、焊接電阻測(cè)試等，針對(duì)每一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目給出了詳細(xì)的測(cè)試目的、標(biāo)準(zhǔn)要求、測(cè)試步驟。所提測(cè)試方法通過(guò)挪威船級(jí)社審核，并成功應(yīng)用于渤海油氣田水下壓力溫度一體變送器工程化產(chǎn)品的挪威船級(jí)社認(rèn)證。

關(guān)鍵詞 壓力溫度一體變送器 狀態(tài)監(jiān)測(cè) 水下 接觸井流 質(zhì)量測(cè)試方法

中圖分類號(hào) TP212? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A? ?文章編號(hào) 1000-3932（2023）05-0660-10

水下壓力溫度一體變送器（以下簡(jiǎn)稱PTT）是深海油氣田水下采油樹(shù)設(shè)備中極為重要的測(cè)量設(shè)備［1］。壓力和溫度是石油開(kāi)采過(guò)程中的重要參數(shù)，PTT用于采油樹(shù)管匯部分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油氣工藝介質(zhì)的壓力溫度工程量，需要耐受油氣井下高溫高壓的嚴(yán)苛環(huán)境。PTT主要由接觸井流部分、電子艙、標(biāo)準(zhǔn)法蘭及外殼等部分構(gòu)成。接觸井流部分（探針測(cè)量部分）接觸生產(chǎn)工藝井流，生產(chǎn)工藝井流中含有天然氣或者伴生天然氣；電子艙與海水接觸；法蘭盤封堵結(jié)構(gòu)與采油樹(shù)本體接觸。同時(shí)，PTT安裝在水下采油樹(shù)或管匯上，屬于水下結(jié)構(gòu)物的開(kāi)孔封堵元件，根據(jù)API 17F標(biāo)準(zhǔn)，需要滿足相應(yīng)的密封要求。

由于國(guó)內(nèi)此前尚未開(kāi)展PTT產(chǎn)品的研制工作，所以在工程化產(chǎn)品研制方面缺乏經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持［1～3］。我國(guó)相關(guān)工程化產(chǎn)品研制起步較晚，同時(shí)也尚未形成產(chǎn)品的規(guī)范化測(cè)試方法，缺乏專業(yè)化的質(zhì)量測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)［4］。而目前國(guó)外PTT相關(guān)設(shè)備開(kāi)發(fā)技術(shù)十分成熟，產(chǎn)品形式多樣，具有規(guī)范化工程化產(chǎn)品設(shè)計(jì)與產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)文件［5］。其中，國(guó)際水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)可參考執(zhí)行美國(guó)石油學(xué)會(huì)（American Petroleum Institute，API）實(shí)行的一系列標(biāo)準(zhǔn)文件。因此，為加快水下控制系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)程，筆者基于API系列標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)PTT制定可操作性質(zhì)量測(cè)試方法，填補(bǔ)相關(guān)設(shè)備測(cè)試方法和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的空缺，為后續(xù)產(chǎn)品研發(fā)工作提供設(shè)計(jì)參考和質(zhì)量測(cè)試指標(biāo)［6］。

筆者針對(duì)PTT制定規(guī)范化的質(zhì)量測(cè)試方法和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，為工程化產(chǎn)品提供可操作性強(qiáng)的試驗(yàn)驗(yàn)證方法，并通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證，為水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供技術(shù)支持。PTT測(cè)試方法包括PTT質(zhì)量測(cè)試（Qualification Test，QT）和出廠驗(yàn)收測(cè)試（Factory Acceptation Test，F(xiàn)AT）。

1 國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品研發(fā)背景

API制定了水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和水下井口、采油樹(shù)設(shè)備規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)文件，提出了對(duì)PTT的設(shè)計(jì)規(guī)范和性能需求。

首先，API 17F水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)文件規(guī)定PTT需要滿足密封件氣密性要求、耐受環(huán)境溫度、環(huán)境振動(dòng)及沖擊，接觸井流部分結(jié)構(gòu)需滿足耐受工作壓力和高設(shè)計(jì)溫度、功能連續(xù)性、絕緣電阻、焊接位置接觸電阻等方面的質(zhì)量要求［7，8］。其次，PTT安裝在采油樹(shù)上，屬于采油樹(shù)本體的開(kāi)孔封堵元件，API 17D水下井口及采油樹(shù)設(shè)備規(guī)范規(guī)定：封堵元件需要耐受深海海水壓力環(huán)境、符合封堵元件耐壓標(biāo)準(zhǔn)等質(zhì)量要求［9］。

目前，國(guó)外PTT主要由世界海洋油氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的知名集團(tuán)成套開(kāi)發(fā)，如GE、Roxar、Phaze等［10］。GE公司的PTX400系列壓力、溫度和溫度/壓力復(fù)合輸出變送器是專門為海底長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用而特殊設(shè)計(jì)的，可以直接在海底井口和生產(chǎn)管匯上進(jìn)行精確的工藝測(cè)量。Roxar插入式壓力溫度傳感器，可選壓力和溫度雙冗余，壓力測(cè)量元件為硅壓阻傳感器，從同一測(cè)量橋上測(cè)量壓力和溫度，對(duì)壓力讀數(shù)進(jìn)行完全的溫度補(bǔ)償。Phaze公司水下壓力溫度傳感器采用內(nèi)部薄膜技術(shù)和玻璃/陶瓷-金屬密封，其壓力溫度傳感器PTTT非常適合需要高精度的水下應(yīng)用。以上國(guó)外系列產(chǎn)品均采用硅壓阻傳感器作為壓力測(cè)量元件，多采用雙冗余設(shè)計(jì)確保測(cè)量精度并提升儀表可靠性。

由于國(guó)內(nèi)起步較晚，工程化產(chǎn)品尚未進(jìn)行研發(fā)，完全依賴進(jìn)口，PTT產(chǎn)品存在行業(yè)壟斷和關(guān)鍵技術(shù)限制。為加速水下控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，中海油牽頭國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)開(kāi)展PTT產(chǎn)品研制，形成PTT質(zhì)量測(cè)試方法。筆者依托水下控制系統(tǒng)API 17F標(biāo)準(zhǔn)，以淺水水下管匯上使用的PTT為例，開(kāi)展水下壓力溫度一體變送器質(zhì)量測(cè)試方法研究，旨在突破國(guó)外對(duì)水下壓力溫度一體變送器的壟斷，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水下壓力溫度一體變送器出廠測(cè)試技術(shù)，此測(cè)試方法通過(guò)挪威船級(jí)社審核，并成功應(yīng)用于渤海油氣田淺水水下方向控制閥工程化產(chǎn)品的挪威船級(jí)社現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)證。

2 PTT質(zhì)量鑒定試驗(yàn)

PTT的質(zhì)量鑒定試驗(yàn)參考API 17F 2017版的9.2節(jié)進(jìn)行，包括氦氣泄漏試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、外壓試驗(yàn)、接觸井流部分的結(jié)構(gòu)壓力試驗(yàn)、功能和連續(xù)性試驗(yàn)、PTT絕緣電阻檢測(cè)試驗(yàn)、電接頭線纜焊接位置電阻測(cè)試。試驗(yàn)順序如下：

a. 第1階段。2.2.1～2.2.4節(jié)與2.3、2.4節(jié)同時(shí)開(kāi)展，即印刷電路板（PCB）的Q1測(cè)試、EMC與接觸井流結(jié)構(gòu)的耐壓強(qiáng)度、溫度循環(huán)、壓力循環(huán)試驗(yàn)同時(shí)開(kāi)展。

b. 第2階段。2.1節(jié)氦氣泄漏試驗(yàn)，在接觸井流結(jié)構(gòu)的耐壓強(qiáng)度、溫度循環(huán)、壓力循環(huán)試驗(yàn)后進(jìn)行。

c. 第3階段。電子艙與接觸井液結(jié)構(gòu)集成為PTT后，開(kāi)展2.2.5、2.2.6、2.3、2.5、2.6節(jié)試驗(yàn)。

d. 第4階段。PTT整機(jī)氦氣泄漏試驗(yàn)，用PTT整機(jī)替換2.1節(jié)中的被測(cè)對(duì)象。

PTT PCB與測(cè)試工裝集成如圖1所示。

2.1 氦氣泄漏試驗(yàn)

2.1.1 氦氣泄漏試驗(yàn)?zāi)康?/p>

驗(yàn)證PTT與外界海水（試驗(yàn)過(guò)程用水替代）環(huán)境接觸的密封件和壓力傳感器的密封件是否存在微小滲漏，氣密性試驗(yàn)結(jié)束后，質(zhì)譜儀氦速率滿足不應(yīng)超過(guò)5×10-8 mbar·L/s（1 bar=105 Pa）的要求。

2.1.2 氦氣泄漏試驗(yàn)步驟

首先按照?qǐng)D2集成測(cè)試設(shè)備，將氦質(zhì)譜儀和真空泵通過(guò)一個(gè)三通閥門接至PTT測(cè)試工裝后端（安裝法蘭盤位置處），真空泵上游連接一個(gè)手閥。其次，打開(kāi)手閥，用真空泵將PTT測(cè)試工裝腔體抽微真空，然后關(guān)閉手閥。使用瓶裝氦氣向PTT測(cè)試工裝注入常壓氦氣，時(shí)間2 s，驗(yàn)證后端各密封件是否存在微小泄漏。最后，觀察質(zhì)譜儀檢測(cè)結(jié)果，若氦氣量不超過(guò)5×10-8 mbar·L/s，說(shuō)明密封件無(wú)微泄漏。

更改氦氣泄漏測(cè)試位置，如圖3所示，將氦質(zhì)譜儀和真空泵通過(guò)一個(gè)三通閥門接至PTT測(cè)試工裝前端（接觸工藝井流探頭位置處），重復(fù)以上操作。

2.2? ?環(huán)境試驗(yàn)

環(huán)境試驗(yàn)需要進(jìn)行溫度試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、振動(dòng)與隨機(jī)性試驗(yàn)、電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）試驗(yàn)。其中，API 17F規(guī)定了環(huán)境試驗(yàn)中沖擊及振動(dòng)試驗(yàn)的兩個(gè)不同執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：Q1測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)用于檢驗(yàn)印刷電路板和子組件；Q2測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)用于電子組件設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)參數(shù)如下：

a. 沖擊試驗(yàn)。Q1為30g加速度，11 ms半正弦波；Q2為10g加速度，11 ms半正弦波。

b. 溫度試驗(yàn)。以最低5 ℃/min的速度升高至高設(shè)計(jì)溫度，在此溫度下保持30 min；以最低

5 ℃/min的速度降至低設(shè)計(jì)溫度，在此溫度下保持30 min。

c. 振動(dòng)試驗(yàn)。Q1和Q2均為5～25 Hz，位移為±2 mm；Q1為25～1 000 Hz，加速度為5g；Q2為25～150 Hz，加速度為5g。

d. EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)矩陣。EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)矩陣見(jiàn)表1。PTT使用24 V直流電供電，因此只需完成矩陣中序號(hào)1～5對(duì)應(yīng)的測(cè)試內(nèi)容。其中性能標(biāo)準(zhǔn)A要求為不得出現(xiàn)功能喪失、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)丟失或狀態(tài)變化。性能標(biāo)準(zhǔn)B要求為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不應(yīng)丟失或不產(chǎn)生狀態(tài)變化。

2.2.1 PCB的Q1等級(jí)的溫度試驗(yàn)

首先，將PCB與測(cè)試工裝集成，測(cè)試工裝放入溫箱中，進(jìn)行斷電/通電測(cè)試，驗(yàn)證通信正常。其次，開(kāi)始高溫試驗(yàn)。PCB在電路板最高設(shè)計(jì)溫度下保溫48 h。保溫期間，檢測(cè)PCB溫度和壓力采集功能、通信功能是否正常。保溫結(jié)束，進(jìn)行斷電/通電測(cè)試。下一步，開(kāi)始高低溫循環(huán)試驗(yàn)，PCB在電路板設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫度循環(huán)，溫度變化速率為5 ℃/min，高/低溫持續(xù)時(shí)間為30 min，循環(huán)10次。循環(huán)期間，檢測(cè)PCB溫度和壓力采集功能、通信功能是否正常。循環(huán)結(jié)束后，進(jìn)行斷電/通電測(cè)試。

2.2.2 PCB的Q1等級(jí)的沖擊試驗(yàn)

首先，將PCB與測(cè)試工裝集成，將測(cè)試工裝放置在沖擊試驗(yàn)工作臺(tái)上并固定。其次，沿3個(gè)相互垂直的軸在6個(gè)方向上施加4次沖擊，其中一個(gè)軸需垂直于PCB平面，沖擊波為30g加速度，11 ms半正弦波。試驗(yàn)結(jié)束，觀察PCB是否出現(xiàn)損壞或者變形，并檢測(cè)溫度和壓力采集功能、通信功能是否正常。

2.2.3 PCB的Q1等級(jí)的振動(dòng)與隨機(jī)試驗(yàn)

首先，將PCB與測(cè)試工裝集成，將測(cè)試工裝放置在振動(dòng)試驗(yàn)工作臺(tái)上并固定，測(cè)量振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備激勵(lì)水平的振動(dòng)反饋傳感器（控制傳感器）固定在試驗(yàn)夾具上。其次，向3個(gè)相互垂直的軸各施加一次5～1 000 Hz往返掃頻。確定敏感軸，在敏感軸方向進(jìn)行2 h的隨機(jī)振動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)束后，觀察PCB是否出現(xiàn)損壞或者變形，并檢測(cè)溫度和壓力采集功能、通信功能是否正常。

2.2.4 電磁兼容性試驗(yàn)

靜電放電試驗(yàn)步驟。首先，PCB與試驗(yàn)工裝集成，放置在靜電放電試驗(yàn)工作臺(tái)上。其次，使用靜電放電試驗(yàn)設(shè)備對(duì)PCB試驗(yàn)工裝進(jìn)行±4 kV接觸放電。最后，試驗(yàn)結(jié)束后給儀表供電，建立通信后，檢查通信功能是否正常。

快速脈沖群測(cè)試步驟。首先，PCB測(cè)試工裝集成，放置在快速脈沖群測(cè)試工作臺(tái)上。其次，對(duì)電源輸入端口進(jìn)行測(cè)試，將PCB測(cè)試工裝電源線與快速脈沖群測(cè)試設(shè)備連接，信號(hào)線與上位機(jī)保持連接，建立通信。開(kāi)始5 kHz重復(fù)頻率、電源端口±2 kV的快速脈沖群測(cè)試，測(cè)試通信是否正常。接下來(lái)，對(duì)信號(hào)端口進(jìn)行測(cè)試，將PCB測(cè)試工裝電源線與數(shù)字電源連接，信號(hào)線與上位機(jī)保持連接，建立通信。開(kāi)始5 kHz重復(fù)頻率、信號(hào)端口

±1 kV的快速脈沖群測(cè)試，測(cè)試通信是否正常。

射頻干擾測(cè)試步驟。首先，將PCB測(cè)試工裝集成，放置在射頻干擾測(cè)試工作臺(tái)上。其次，對(duì)電源輸入端口進(jìn)行測(cè)試，將PCB測(cè)試工裝電源線與射頻干擾測(cè)試設(shè)備連接，信號(hào)線與上位機(jī)保持連接，建立通信。開(kāi)始電源射頻干擾測(cè)試，測(cè)試通信是否正常。接下來(lái)，對(duì)信號(hào)端口進(jìn)行測(cè)試，將PCB測(cè)試工裝電源線與24 V數(shù)字電源連接，信號(hào)線與射頻干擾測(cè)試設(shè)備連接，同時(shí)與上位機(jī)保持連接，建立通信。開(kāi)始信號(hào)射頻干擾測(cè)試，測(cè)試通信是否正常。

傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試步驟。首先，將PCB測(cè)試工裝集成，放置在傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試工作臺(tái)上。其次，將PCB測(cè)試工裝電源線與傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試設(shè)備連接，信號(hào)線與上位機(jī)保持連接，建立通信。傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試設(shè)備對(duì)PCB電源輸入進(jìn)行0.15～30 MHz的傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試。測(cè)試通信是否正常并通過(guò)頻譜分析儀分析準(zhǔn)峰值限值和平均值限值是否符合要求。

浪涌測(cè)試步驟。首先，將PCB測(cè)試工裝集成，放置在浪涌測(cè)試工作臺(tái)上。其次，對(duì)電源輸入端口進(jìn)行測(cè)試，將PCB測(cè)試工裝電源線與浪涌測(cè)試設(shè)備連接并進(jìn)行2 000 V浪涌測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)束后，將PCB測(cè)試工裝連接24 V數(shù)字電源，信號(hào)線與上位機(jī)保持連接，建立通信，測(cè)試通信是否正常。接下來(lái)，對(duì)信號(hào)端口進(jìn)行測(cè)試，將PCB測(cè)試工裝信號(hào)線與浪涌測(cè)試設(shè)備連接并進(jìn)行500 V浪涌測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)束后，將PCB測(cè)試工裝連接24 V數(shù)字電源，信號(hào)線與上位機(jī)保持連接，建立通信，測(cè)試通信是否正常。

2.2.5 PTT的Q2等級(jí)的沖擊試驗(yàn)

首先，通過(guò)EMC試驗(yàn)的電路板、電子艙與通過(guò)3.5節(jié)試驗(yàn)的接液部分、法蘭集成為PTT，并固定在沖擊試驗(yàn)工作臺(tái)。其次，沿3個(gè)相互垂直的軸在6個(gè)方向上施加4次沖擊，其中一個(gè)軸垂直于電路板平面，沖擊等級(jí)為10g加速度11 ms半正弦。觀察PTT是否出現(xiàn)損壞或者變形，并進(jìn)行溫度和壓力采集功能、通信功能是否正常。

2.2.6 PTT的Q2等級(jí)的振動(dòng)與隨機(jī)試驗(yàn)

首先，通過(guò)EMC試驗(yàn)的電路板、電子艙與通過(guò)2.5節(jié)試驗(yàn)的接液部分、法蘭集成為PTT，并固定在沖擊試驗(yàn)工作臺(tái)，測(cè)試工裝放置在振動(dòng)試驗(yàn)工作臺(tái)上并固定，測(cè)量振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備激勵(lì)水平的振動(dòng)反饋傳感器（控制傳感器）固定在試驗(yàn)夾具上。其次，向3個(gè)相互垂直的軸各施加一次5～150 Hz往返掃頻，確定敏感軸。然后，在敏感軸方向進(jìn)行2 h的隨機(jī)振動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)束，觀察PTT螺栓是否出現(xiàn)損壞或者變形，并檢測(cè)溫度和壓力采集功能、通信功能是否正常。

2.3 外壓試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

驗(yàn)證PTT與外界海水（試驗(yàn)過(guò)程用水替代）環(huán)境接觸的密封件功能完整性，外壓試驗(yàn)結(jié)束后無(wú)水泄漏至PTT內(nèi)部。

2.3.2 試驗(yàn)步驟

首先，將PTT放置于環(huán)境模擬裝置內(nèi)，若廠家沒(méi)有，需要設(shè)計(jì)等效工裝。其次，向環(huán)境模擬裝置中倒入水，直至PCB電子艙完全浸沒(méi)至水中。通過(guò)加入冰塊或在室外環(huán)境操作，使水的溫度符合實(shí)際工作環(huán)境溫度范圍。通過(guò)氣泵升壓至1.1倍海水環(huán)境壓力，環(huán)境模擬裝置壓力上升速度不小于24 bar/min（試驗(yàn)過(guò)程不低于12 bar/min）。壓力上升至1.1倍海水環(huán)境壓力，停止升壓，進(jìn)入保壓階段，并記錄保壓起始時(shí)間。通過(guò)排氣閥泄壓至大氣壓，泄壓速度不小于36 bar/min（試驗(yàn)過(guò)程不低于12 bar/min）。進(jìn)行3個(gè)泄壓-升壓循環(huán)，第3個(gè)循環(huán)結(jié)束后進(jìn)入保壓階段，保壓時(shí)間6 h（不含泄壓-升壓循環(huán)時(shí)間）。最后，泄壓至大氣壓力，回收水，擦除PCB電子艙表面的水，從環(huán)境模擬裝置上拆卸測(cè)試工裝。拆卸電子艙，觀察電子艙內(nèi)部是否有水。

2.4 接觸井流部分的結(jié)構(gòu)壓力試驗(yàn)

2.4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

驗(yàn)證PTT接觸井液部分的結(jié)構(gòu)耐壓強(qiáng)度。

2.4.2 試驗(yàn)步驟

首先，將PTT接觸井液部分的結(jié)構(gòu)與測(cè)試工裝集成。其次，傳感器接液部分升壓至1.5倍工作壓力，保壓15 min。最后，觀察法蘭連接處是否有液體漏出。

2.5 接觸井流部分結(jié)構(gòu)的壓力循環(huán)和溫度循環(huán)試驗(yàn)

2.5.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

驗(yàn)證PTT接觸井流結(jié)構(gòu)在交變壓力和交變溫度下的強(qiáng)度。

2.5.2 試驗(yàn)步驟

接觸井流部分進(jìn)行3個(gè)溫度循環(huán)試驗(yàn)，200個(gè)壓力循環(huán)試驗(yàn)；以上試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行１倍最高工作壓力試驗(yàn)。

首先，將PTT與測(cè)試工裝集成。其次，在傳感器腔體內(nèi)注入絕緣油，采用溫控加熱棒升溫至最高設(shè)計(jì)溫度，模擬密封件高溫工作環(huán)境。升壓至工作壓力，然后泄壓至0 MPa，此過(guò)程不保壓。取出加熱棒，反復(fù)放置冷區(qū)的金屬塊至絕緣油中，使溫度降至最低設(shè)計(jì)溫度，模擬密封件低溫工作環(huán)境。升壓至工作壓力，然后泄壓至0 MPa，此過(guò)程不保壓?；謴?fù)常溫，反復(fù)升壓100次。重復(fù)以上溫度循環(huán)操作。

溫度循環(huán)結(jié)束后，恢復(fù)常溫，反復(fù)升壓90次。重復(fù)溫度循環(huán)操作。結(jié)束后，恢復(fù)常溫，反復(fù)升壓9次。最后，200次壓力循環(huán)試驗(yàn)后，進(jìn)行1倍工作壓力試驗(yàn)。記錄試驗(yàn)結(jié)果，觀察有無(wú)流體介質(zhì)從法蘭連接處泄漏，所有試驗(yàn)結(jié)束后，觀察PTT內(nèi)部有無(wú)流體介質(zhì)滲入。

2.6 PTT功能和連續(xù)性試驗(yàn)

2.6.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

驗(yàn)證PTT的壓力與溫度檢測(cè)功能、通信功能在連續(xù)工作時(shí)保持正常。

2.6.2 試驗(yàn)步驟

電壓偏離測(cè)試。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，為確保PTT在電壓低于24 V（DC）時(shí)能正常工作，比如由于飛線距離較遠(yuǎn)，從水下控制模塊（SCM）到PTT存在一定的電壓降，同時(shí)考慮到部分用戶對(duì)于PTT安裝到其設(shè)備前的FAT時(shí)需要進(jìn)行電壓偏離的測(cè)試要求，對(duì)PTT進(jìn)行電壓偏離24 V（DC）的測(cè)試，具體包括20 V（DC）的試驗(yàn)、27 V（DC）的試驗(yàn)，并在試驗(yàn)中測(cè)試啟動(dòng)電流。首先，分別使用20 V（DC）、27 V（DC）供電。其次，在試驗(yàn)中測(cè)試啟動(dòng)電流，儀表平均涌流在500 ms內(nèi)不得超過(guò)最大額定穩(wěn)態(tài)電流的120%。記錄電流數(shù)據(jù)。

壓力檢測(cè)功能試驗(yàn)。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，PTT壓力變送器功能試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證壓力檢測(cè)功能，PTT壓力輸出與標(biāo)準(zhǔn)表偏差不超過(guò)±0.025%FS，首先，將電子艙和壓力測(cè)試工裝集成。其次，手動(dòng)液壓泵從0 MPa至1.1倍的量程上限之間，隨機(jī)取10個(gè)壓力測(cè)量值，比較PTT壓力測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)表輸出。驗(yàn)證測(cè)量偏差不超過(guò)±0.025%FS。

溫度檢測(cè)功能試驗(yàn)。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，PTT溫度變送器功能試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證溫度檢測(cè)功能，PTT溫度輸出與標(biāo)準(zhǔn)表偏差不超過(guò)±0.25%FS，首先，將電子艙和壓力測(cè)試工裝集成。其次，溫度模擬裝置從設(shè)計(jì)溫度量程之間，隨機(jī)取10個(gè)溫度測(cè)量值，比較PTT溫度測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)表輸出。驗(yàn)證測(cè)量偏差不超過(guò)±0.25%FS。

CAN通信參數(shù)測(cè)試。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)試PTT的CAN通信距離和終端電阻，首先，將電子艙和壓力測(cè)試工裝集成。其次，使用上位機(jī)軟件測(cè)試上電默認(rèn)通信速率和最大通信速率。而后在PTT的CAN_H、CAN_L兩端用萬(wàn)用表歐姆擋測(cè)量終端電阻值，記錄數(shù)據(jù)。最后，CAN通信設(shè)備連接通信線纜，在不同通信速率下，測(cè)試CAN通信距離。

CAN通信接口測(cè)試。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，依次驗(yàn)證基于LSS標(biāo)準(zhǔn)的修改CAN波特率和ID的命令。首先，將電子艙和壓力測(cè)試工裝集成。其次，使用CAN通信上位機(jī)，測(cè)試基于LSS標(biāo)準(zhǔn)的修改波特率和ID的命令。詳細(xì)命令見(jiàn)表2（以初始ID-0x02為例）。使用上位機(jī)測(cè)試驗(yàn)證PTT是否響應(yīng)命令。

CAN通信連續(xù)性測(cè)試。首先，將電子艙和壓力測(cè)試工裝集成，通過(guò)上位機(jī)軟件將PTT通信狀態(tài)設(shè)置為啟動(dòng)狀態(tài)。進(jìn)行48 h連續(xù)通信測(cè)試，隨機(jī)選取時(shí)間點(diǎn)，檢測(cè)通信是否正常。

2.7 絕緣電阻檢測(cè)試驗(yàn)

儀表通信方式以CAN總線通信和RS485串口通信為例。首先，將PTT與測(cè)試工裝集成。其次，絕緣表依次對(duì)兩路通信接口進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試：絕緣板正極連接第1路通信端口的485A或CAN_H，負(fù)極連接PTT殼體，在50 V的測(cè)試電壓下進(jìn)行測(cè)試，并在施加測(cè)試電壓60 s后記錄讀數(shù)，觀察阻值是否低于1 GΩ，記錄試驗(yàn)結(jié)果。之后仿照以上試驗(yàn)步驟依次對(duì)第1路的485B或CAN_L、第2路通信端口的485A或CAN_H、第2路的485B或CAN_L端口進(jìn)行絕緣電阻檢測(cè)，并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

2.8 電接頭線纜焊接位置接觸電阻測(cè)試

2.8.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

內(nèi)部的線路焊接質(zhì)量是水下低電流設(shè)備長(zhǎng)期可靠工作的關(guān)鍵性要求，試驗(yàn)驗(yàn)證電接頭線纜焊接位置是否符合相關(guān)要求。

2.8.2 試驗(yàn)步驟

采用直流電阻表測(cè)試電接頭和電纜焊接部分電阻應(yīng)小于30 mΩ，引腳之間的差異不得超過(guò)±10 mΩ。

3 PTT出廠測(cè)試

PTT需要參照API 17F 9.3節(jié)中FAT試驗(yàn)要求開(kāi)展相關(guān)測(cè)試，與PTT相關(guān)的FAT具體試驗(yàn)內(nèi)容包括：激光焊縫外表面滲透試驗(yàn)、ESS環(huán)境篩選試驗(yàn)、接觸井流部分的結(jié)構(gòu)壓力試驗(yàn)、功能和連續(xù)性試驗(yàn)、絕緣電阻試驗(yàn)、電接頭線纜焊接位置接觸電阻測(cè)試、RMS電接頭氦氣泄漏試驗(yàn)，最后開(kāi)展高壓艙外壓試驗(yàn)。

3.1 激光焊縫外表面滲透試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

按照標(biāo)準(zhǔn)要求，PTT焊縫外表面滲透試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證焊接位置是否存在缺陷。

3.1.2 試驗(yàn)步驟

如圖4所示，對(duì)3個(gè)焊接位置的焊縫表面進(jìn)行滲透試驗(yàn)。首先，使用清洗劑清洗PTT的3個(gè)焊縫表面。其次，使用著色劑在PTT的3個(gè)焊縫表面進(jìn)行滲透處理，并靜置15 min，使著色劑充分滲透。然后，使用清洗劑二次清洗，去除焊縫表面的著色劑。最后，使用顯像劑噴涂在焊縫外表面，觀察3個(gè)焊縫表面著色劑滲透情況，并根據(jù)ISO 3452-1：2021標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行目視檢查。

3.2 ESS環(huán)境篩選試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

驗(yàn)證PTT能夠耐受高頻振動(dòng)和高設(shè)計(jì)溫度。

3.2.2 試驗(yàn)步驟

振動(dòng)與隨機(jī)性試驗(yàn)。首先，將PTT集成并放置在振動(dòng)試驗(yàn)工作臺(tái)上固定，將測(cè)量振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備激勵(lì)水平的振動(dòng)反饋傳感器（控制傳感器）固定在試驗(yàn)夾具上。其次，隨機(jī)振動(dòng)10 min。觀察PTT緊固螺絲是否松動(dòng)，驗(yàn)證PTT溫度和壓力檢測(cè)功能、通信功能是否正常。

溫度試驗(yàn)。首先，將PTT集成并將PTT放入在溫度試驗(yàn)工作臺(tái)上固定。其次，開(kāi)始高低溫循環(huán)試驗(yàn)，PTT在電路板設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫度循環(huán)，溫度變化速率為5 ℃/min，高/低溫持續(xù)時(shí)間為30 min，循環(huán)10次。循環(huán)期間，檢測(cè)PTT溫度和壓力采集功能、通信功能是否正常。然后開(kāi)始高溫試驗(yàn)，在電路板最高設(shè)計(jì)溫度下保溫48 h。保溫期間，檢測(cè)PCB溫度和壓力采集功能、通信功能是否正常。保溫結(jié)束。

3.3 接觸井流部分的結(jié)構(gòu)壓力試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

驗(yàn)證PTT接觸井流部分的結(jié)構(gòu)耐壓強(qiáng)度。PTT用于管匯，管匯設(shè)計(jì)壓力為3.8 MPa。

3.3.2 試驗(yàn)步驟

首先，將PTT接觸井流部分的結(jié)構(gòu)與測(cè)試工裝集成。其次，對(duì)傳感器接觸井流部分升壓至1.1×3.8=4.18 MPa，保壓15 min。試驗(yàn)結(jié)束，觀察法蘭連接處是否有液體漏出。

3.4 功能和連續(xù)性試驗(yàn)

3.4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

驗(yàn)證PTT在1.1倍工作壓力和溫度環(huán)境下，主要功能連續(xù)工作且滿足壓力溫度檢測(cè)精度要求。

3.4.2 試驗(yàn)步驟

振動(dòng)與隨機(jī)性試驗(yàn)。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，PTT壓力變送器功能試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證壓力檢測(cè)功能，PTT壓力輸出與標(biāo)準(zhǔn)表偏差不超過(guò)±0.025%FS。首先，將電子艙和壓力測(cè)試工裝集成。其次使用手動(dòng)液壓泵從0 MPa至1.1倍的量程上限的升壓過(guò)程之間，隨機(jī)取10個(gè)壓力測(cè)量值，比較PTT壓力測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)表輸出。驗(yàn)證偏差不超過(guò)±0.025%FS。

溫度試驗(yàn)。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，PTT溫度變送器功能試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證溫度檢測(cè)功能，PTT溫度輸出與標(biāo)準(zhǔn)表偏差不超過(guò)±0.25%FS。首先，電子艙和壓力測(cè)試工裝集成。其次，溫度模擬裝置從PTT溫度測(cè)量量程之間，隨機(jī)取10個(gè)溫度測(cè)量值，比較PTT溫度測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)表輸出。驗(yàn)證偏差不超過(guò)±0.25%FS。

3.5 絕緣電阻測(cè)試

3.5.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

驗(yàn)證PTT絕緣電阻是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水下電子設(shè)備最低可接受絕緣電阻值（表3）。

3.5.2 試驗(yàn)步驟

儀表通信方式以CAN總線通信和RS485串口通信為例。首先，將PTT與測(cè)試工裝集成。其次，絕緣表依次對(duì)兩路通信接口進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試：絕緣板正極連接第1路通信端口的485A或CAN_H，負(fù)極連接PTT殼體，在50 V的測(cè)試電壓下進(jìn)行測(cè)試，并在施加測(cè)試電壓60 s后記錄讀數(shù)，觀察阻值是否低于1 GΩ，記錄試驗(yàn)結(jié)果。之后仿照以上試驗(yàn)步驟依次對(duì)第1路的485B或CAN_L、第2路通信端口的485A或CAN_H、第2路的485B或CAN_L端口進(jìn)行絕緣電阻檢測(cè)，并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

3.6 電接頭線纜焊接位置接觸電阻測(cè)試

3.6.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

內(nèi)部的線路焊接質(zhì)量是水下低電流設(shè)備長(zhǎng)期可靠工作的關(guān)鍵性要求，試驗(yàn)驗(yàn)證電接頭線纜焊接位置是否符合相關(guān)要求。

3.6.2 試驗(yàn)步驟

采用直流電阻表測(cè)試電接頭和電纜焊接部分電阻應(yīng)小于30 mΩ，引腳之間的差異不得超過(guò)±10 mΩ。

3.7 RMS接頭氦氣泄漏試驗(yàn)

3.7.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

驗(yàn)證RMS電接頭座與電接頭間的密封件功能完整性，是否存在微小滲漏，氣密性試驗(yàn)結(jié)束后，質(zhì)譜儀氦速率滿足不應(yīng)超過(guò)5×10-8 mbar·L/s。

3.7.2 試驗(yàn)步驟

首先，按照?qǐng)D5集成測(cè)試設(shè)備，將氦質(zhì)譜儀和真空泵通過(guò)一個(gè)三通閥門接至電子艙測(cè)試工裝，真空泵后連接一個(gè)手閥。其次，用真空泵對(duì)電子艙測(cè)試工裝腔體抽微真空，結(jié)束時(shí)關(guān)閉手閥。而后，使用瓶裝氦氣向密封件位置噴氦氣，驗(yàn)證密封件是否有微小泄漏。最后，觀察質(zhì)譜儀檢測(cè)結(jié)果，若氦氣量不超過(guò)5×10-8 mbar·L/s，圖示密封件無(wú)微泄漏。

3.8 氮?dú)獬溲b方案

向PTT電子艙內(nèi)充裝干燥潔凈氮?dú)狻Ｓ捎诘獨(dú)饷芏缺瓤諝庑?，采用倒置PTT腔體的方法充入氮?dú)狻?/p>

3.9 硅油充裝方案

在3.5節(jié)基礎(chǔ)上，對(duì)穿越器與電接頭之間的電纜接線腔室充裝硅油。首先，將PTT垂直擺放。其次，使用20 mL注射器向電纜腔室中注入硅油。

3.10 高壓艙

PTT放置高壓艙，模擬30 m水深的工作環(huán)境，同時(shí)監(jiān)測(cè)供電和通信是否正常。PTT接觸海水部分設(shè)計(jì)工作環(huán)境為30 m水深的海水環(huán)境，因此試驗(yàn)壓力設(shè)計(jì)為30 m水深壓力的1.1倍，即1.1×0.3=0.33 MPa。試驗(yàn)中壓力不低于此設(shè)計(jì)壓力值。

4 結(jié)束語(yǔ)

參考API 17F等標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法和產(chǎn)品性能指標(biāo)，為PTT制定規(guī)范化的質(zhì)量測(cè)試方法和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，為工程化產(chǎn)品提供可操作性強(qiáng)的試驗(yàn)驗(yàn)證方法與技術(shù)支持，對(duì)PTT測(cè)試過(guò)程中的要點(diǎn)予以解釋說(shuō)明。所提測(cè)試方法和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，為PTT工程化產(chǎn)品及其他海洋油氣相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)提供參考標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，所制定的質(zhì)量測(cè)試方法符合挪威船級(jí)社對(duì)PTT認(rèn)證流程的要求。依據(jù)該測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，滿足本測(cè)試方案相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)即能快速通過(guò)挪威船級(jí)社認(rèn)證。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 左信，岳元龍，段英堯，等.水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)綜述［J］.海洋工程裝備與技術(shù)，2016，3（1）：58-66.

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［10］ 王定亞，鄧平，劉文霄.海洋水下井口和采油裝備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.石油機(jī)械，2011，39（1）：75-79.

（收稿日期：2023-03-01，修回日期：2023-08-10）

Research on Quality Test Method of the Underwater

Pressure－Temperature Integrated Transmitter

TAN Wen－tao， LI Yu－h(huán)ang， SUN Han－xuan， YUE Yuan－long， ZUO Xin

（College of Information Science and Engineering， China University of Petroleum （Beijing））

Abstract? ?The performance of underwater pressure－temperature integrated transmitter directly determines? safe operation of the underwater production system and no matching methods can be found now for quality test of the underwater pressure－temperature integrated transmitters in China. Based on the test items stipulated in API 17F standard for underwater transmitters， the operable quality testing methods and factory acceptance testing methods for the underwater pressure－temperature integrated transmitter were formulated. The test items included helium gas leakage， environmental screening， external pressure， well flow contact sections pressure resistance and pressure－temperature cycling， functionality and continuity， insulation resistance and welding resistance tests. For each test item， detailed test objectives， standard requirements and testing steps were provided. The? testing methods proposed here and reviewed by Norwegian Classification Society had been successfully applied to the certification of engineering products of the underwater integrated pressure－temperature transmitters in the Bohai oil and gas field.

Key words? ?pressure－temperature integrated transmitter， state monitoring， underwater， well flow contact， quality testing method

作者簡(jiǎn)介：譚文濤（2000-），碩士研究生，從事控制科學(xué)與工程的研究，twt2394070802@163.com。

引用本文：譚文濤，李宇航，孫瀚軒，等.水下壓力溫度一體變送器質(zhì)量測(cè)試方法研究［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2023，50（5）：660-668；694.