水下壓力溫度一體變送器質(zhì)量測試方法研究

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)能否安全運行。目前國內(nèi)尚未形成水下壓力溫度一體變送器質(zhì)量測試的配套方法。以API 17F標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的關(guān)于水下變送器測試項目為基礎(chǔ)，針對水下壓力溫度一體變送器制定有可操作性的質(zhì)量測試方法和出廠驗收測試方法。測試項目包括氦氣泄漏、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、焊接電阻測試等，針對每一個測試項目給出了詳細(xì)的測試目的、標(biāo)準(zhǔn)要求、測試步驟。所提測試方法通過挪威船級社審核，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)品的挪威船級社認(rèn)證。

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

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

水下壓力溫度一體變送器（以下簡稱PTT）是深海油氣田水下采油樹設(shè)備中極為重要的測量設(shè)備［1］。壓力和溫度是石油開采過程中的重要參數(shù)，PTT用于采油樹管匯部分實時監(jiān)測油氣工藝介質(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)與采油樹本體接觸。同時，PTT安裝在水下采油樹或管匯上，屬于水下結(jié)構(gòu)物的開孔封堵元件，根據(jù)API 17F標(biāo)準(zhǔn)，需要滿足相應(yīng)的密封要求。

由于國內(nèi)此前尚未開展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)驗和技術(shù)支持［1～3］。我國相關(guān)工程化產(chǎn)品研制起步較晚，同時也尚未形成產(chǎn)品的規(guī)范化測試方法，缺乏專業(yè)化的質(zhì)量測試標(biāo)準(zhǔn)［4］。而目前國外PTT相關(guān)設(shè)備開發(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)計與產(chǎn)品質(zhì)量測試標(biāo)準(zhǔn)文件［5］。其中，國際水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)可參考執(zhí)行美國石油學(xué)會（American Petroleum Institute，API）實行的一系列標(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PTT制定可操作性質(zhì)量測試方法，填補(bǔ)相關(guān)設(shè)備測試方法和測試標(biāo)準(zhǔn)的空缺，為后續(xù)產(chǎn)品研發(fā)工作提供設(shè)計參考和質(zhì)量測試指標(biāo)［6］。

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

1 國內(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、采油樹設(shè)備規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)文件，提出了對PTT的設(shè)計規(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安裝在采油樹上，屬于采油樹本體的開孔封堵元件，API 17D水下井口及采油樹設(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，國外PTT主要由世界海洋油氣開發(fā)領(lǐng)域的知名集團(tuán)成套開發(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時間應(yīng)用而特殊設(shè)計的，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，壓力測量元件為硅壓阻傳感器，從同一測量橋上測量壓力和溫度，對壓力讀數(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。以上國外系列產(chǎn)品均采用硅壓阻傳感器作為壓力測量元件，多采用雙冗余設(shè)計確保測量精度并提升儀表可靠性。

由于國內(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)國產(chǎn)化進(jìn)程，中海油牽頭國內(nèi)相關(guān)企業(yè)開展PTT產(chǎn)品研制，形成PTT質(zhì)量測試方法。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，開展水下壓力溫度一體變送器質(zhì)量測試方法研究，旨在突破國外對水下壓力溫度一體變送器的壟斷，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的水下壓力溫度一體變送器出廠測試技術(shù)，此測試方法通過挪威船級社審核，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)品的挪威船級社現(xiàn)場認(rèn)證。

2 PTT質(zhì)量鑒定試驗

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

a. 第1階段。2.2.1～2.2.4節(jié)與2.3、2.4節(jié)同時開展，即印刷電路板（PCB）的Q1測試、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)試驗同時開展。

b. 第2階段。2.1節(jié)氦氣泄漏試驗，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，開展2.2.5、2.2.6、2.3、2.5、2.6節(jié)試驗。

d. 第4階段。PTT整機(jī)氦氣泄漏試驗，用PTT整機(jī)替換2.1節(jié)中的被測對象。

PTT PCB與測試工裝集成如圖1所示。

2.1 氦氣泄漏試驗

2.1.1 氦氣泄漏試驗?zāi)康?/p>

驗證PTT與外界海水（試驗過程用水替代）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，氣密性試驗結(jié)束后，質(zhì)譜儀氦速率滿足不應(yīng)超過5×10-8 mbar·L/s（1 bar=105 Pa）的要求。

2.1.2 氦氣泄漏試驗步驟

首先按照圖2集成測試設(shè)備，將氦質(zhì)譜儀和真空泵通過一個三通閥門接至PTT測試工裝后端（安裝法蘭盤位置處），真空泵上游連接一個手閥。其次，打開手閥，用真空泵將PTT測試工裝腔體抽微真空，然后關(guān)閉手閥。使用瓶裝氦氣向PTT測試工裝注入常壓氦氣，時間2 s，驗證后端各密封件是否存在微小泄漏。最后，觀察質(zhì)譜儀檢測結(jié)果，若氦氣量不超過5×10-8 mbar·L/s，說明密封件無微泄漏。

更改氦氣泄漏測試位置，如圖3所示，將氦質(zhì)譜儀和真空泵通過一個三通閥門接至PTT測試工裝前端（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

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

a. 沖擊試驗。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。以最低5 ℃/min的速度升高至高設(shè)計溫度，在此溫度下保持30 min；以最低

5 ℃/min的速度降至低設(shè)計溫度，在此溫度下保持30 min。

c. 振動試驗。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測試標(biāo)準(zhǔn)矩陣。EMC測試標(biāo)準(zhǔn)矩陣見表1。PTT使用24 V直流電供電，因此只需完成矩陣中序號1～5對應(yīng)的測試內(nèi)容。其中性能標(biāo)準(zhǔn)A要求為不得出現(xiàn)功能喪失、存儲數(shù)據(jù)丟失或狀態(tài)變化。性能標(biāo)準(zhǔn)B要求為存儲數(shù)據(jù)不應(yīng)丟失或不產(chǎn)生狀態(tài)變化。

2.2.1 PCB的Q1等級的溫度試驗

首先，將PCB與測試工裝集成，測試工裝放入溫箱中，進(jìn)行斷電/通電測試，驗證通信正常。其次，開始高溫試驗。PCB在電路板最高設(shè)計溫度下保溫48 h。保溫期間，檢測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/通電測試。下一步，開始高低溫循環(huán)試驗，PCB在電路板設(shè)計溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫度循環(huán)，溫度變化速率為5 ℃/min，高/低溫持續(xù)時間為30 min，循環(huán)10次。循環(huán)期間，檢測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/通電測試。

2.2.2 PCB的Q1等級的沖擊試驗

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

2.2.3 PCB的Q1等級的振動與隨機(jī)試驗

首先，將PCB與測試工裝集成，將測試工裝放置在振動試驗工作臺上并固定，測量振動試驗設(shè)備激勵水平的振動反饋傳感器（控制傳感器）固定在試驗夾具上。其次，向3個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。試驗結(jié)束后，觀察PCB是否出現(xiàn)損壞或者變形，并檢測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

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

快速脈沖群測試步驟。首先，PCB測試工裝集成，放置在快速脈沖群測試工作臺上。其次，對電源輸入端口進(jìn)行測試，將PCB測試工裝電源線與快速脈沖群測試設(shè)備連接，信號線與上位機(jī)保持連接，建立通信。開始5 kHz重復(fù)頻率、電源端口±2 kV的快速脈沖群測試，測試通信是否正常。接下來，對信號端口進(jìn)行測試，將PCB測試工裝電源線與數(shù)字電源連接，信號線與上位機(jī)保持連接，建立通信。開始5 kHz重復(fù)頻率、信號端口

±1 kV的快速脈沖群測試，測試通信是否正常。

射頻干擾測試步驟。首先，將PCB測試工裝集成，放置在射頻干擾測試工作臺上。其次，對電源輸入端口進(jìn)行測試，將PCB測試工裝電源線與射頻干擾測試設(shè)備連接，信號線與上位機(jī)保持連接，建立通信。開始電源射頻干擾測試，測試通信是否正常。接下來，對信號端口進(jìn)行測試，將PCB測試工裝電源線與24 V數(shù)字電源連接，信號線與射頻干擾測試設(shè)備連接，同時與上位機(jī)保持連接，建立通信。開始信號射頻干擾測試，測試通信是否正常。

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

浪涌測試步驟。首先，將PCB測試工裝集成，放置在浪涌測試工作臺上。其次，對電源輸入端口進(jìn)行測試，將PCB測試工裝電源線與浪涌測試設(shè)備連接并進(jìn)行2 000 V浪涌測試。試驗結(jié)束后，將PCB測試工裝連接24 V數(shù)字電源，信號線與上位機(jī)保持連接，建立通信，測試通信是否正常。接下來，對信號端口進(jìn)行測試，將PCB測試工裝信號線與浪涌測試設(shè)備連接并進(jìn)行500 V浪涌測試。試驗結(jié)束后，將PCB測試工裝連接24 V數(shù)字電源，信號線與上位機(jī)保持連接，建立通信，測試通信是否正常。

2.2.5 PTT的Q2等級的沖擊試驗

首先，通過EMC試驗的電路板、電子艙與通過3.5節(jié)試驗的接液部分、法蘭集成為PTT，并固定在沖擊試驗工作臺。其次，沿3個相互垂直的軸在6個方向上施加4次沖擊，其中一個軸垂直于電路板平面，沖擊等級為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等級的振動與隨機(jī)試驗

首先，通過EMC試驗的電路板、電子艙與通過2.5節(jié)試驗的接液部分、法蘭集成為PTT，并固定在沖擊試驗工作臺，測試工裝放置在振動試驗工作臺上并固定，測量振動試驗設(shè)備激勵水平的振動反饋傳感器（控制傳感器）固定在試驗夾具上。其次，向3個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。試驗結(jié)束，觀察PTT螺栓是否出現(xiàn)損壞或者變形，并檢測溫度和壓力采集功能、通信功能是否正常。

2.3 外壓試驗

2.3.1 試驗?zāi)康?/p>

驗證PTT與外界海水（試驗過程用水替代）環(huán)境接觸的密封件功能完整性，外壓試驗結(jié)束后無水泄漏至PTT內(nèi)部。

2.3.2 試驗步驟

首先，將PTT放置于環(huán)境模擬裝置內(nèi)，若廠家沒有，需要設(shè)計等效工裝。其次，向環(huán)境模擬裝置中倒入水，直至PCB電子艙完全浸沒至水中。通過加入冰塊或在室外環(huán)境操作，使水的溫度符合實際工作環(huán)境溫度范圍。通過氣泵升壓至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（試驗過程不低于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，并記錄保壓起始時間。通過排氣閥泄壓至大氣壓，泄壓速度不小于36 bar/min（試驗過程不低于12 bar/min）。進(jìn)行3個泄壓-升壓循環(huán)，第3個循環(huán)結(jié)束后進(jìn)入保壓階段，保壓時間6 h（不含泄壓-升壓循環(huán)時間）。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

2.4.1 試驗?zāi)康?/p>

驗證PTT接觸井液部分的結(jié)構(gòu)耐壓強(qiáng)度。

2.4.2 試驗步驟

首先，將PTT接觸井液部分的結(jié)構(gòu)與測試工裝集成。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

2.5.1 試驗?zāi)康?/p>

驗證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 試驗步驟

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

首先，將PTT與測試工裝集成。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)試驗后，進(jìn)行1倍工作壓力試驗。記錄試驗結(jié)果，觀察有無流體介質(zhì)從法蘭連接處泄漏，所有試驗結(jié)束后，觀察PTT內(nèi)部有無流體介質(zhì)滲入。

2.6 PTT功能和連續(xù)性試驗

2.6.1 試驗?zāi)康?/p>

驗證PTT的壓力與溫度檢測功能、通信功能在連續(xù)工作時保持正常。

2.6.2 試驗步驟

電壓偏離測試。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，為確保PTT在電壓低于24 V（DC）時能正常工作，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，同時考慮到部分用戶對于PTT安裝到其設(shè)備前的FAT時需要進(jìn)行電壓偏離的測試要求，對PTT進(jìn)行電壓偏離24 V（DC）的測試，具體包括20 V（DC）的試驗、27 V（DC）的試驗，并在試驗中測試啟動電流。首先，分別使用20 V（DC）、27 V（DC）供電。其次，在試驗中測試啟動電流，儀表平均涌流在500 ms內(nèi)不得超過最大額定穩(wěn)態(tài)電流的120%。記錄電流數(shù)據(jù)。

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

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

CAN通信參數(shù)測試。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，測試PTT的CAN通信距離和終端電阻，首先，將電子艙和壓力測試工裝集成。其次，使用上位機(jī)軟件測試上電默認(rèn)通信速率和最大通信速率。而后在PTT的CAN_H、CAN_L兩端用萬用表歐姆擋測量終端電阻值，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，測試CAN通信距離。

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

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

2.7 絕緣電阻檢測試驗

儀表通信方式以CAN總線通信和RS485串口通信為例。首先，將PTT與測試工裝集成。其次，絕緣表依次對兩路通信接口進(jìn)行絕緣電阻測試：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的測試電壓下進(jìn)行測試，并在施加測試電壓60 s后記錄讀數(shù)，觀察阻值是否低于1 GΩ，記錄試驗結(jié)果。之后仿照以上試驗步驟依次對第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，并記錄試驗結(jié)果。

2.8 電接頭線纜焊接位置接觸電阻測試

2.8.1 試驗?zāi)康?/p>

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

2.8.2 試驗步驟

采用直流電阻表測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±10 mΩ。

3 PTT出廠測試

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

3.1 激光焊縫外表面滲透試驗

3.1.1 試驗?zāi)康?/p>

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

3.1.2 試驗步驟

如圖4所示，對3個焊接位置的焊縫表面進(jìn)行滲透試驗。首先，使用清洗劑清洗PTT的3個焊縫表面。其次，使用著色劑在PTT的3個焊縫表面進(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

3.2.1 試驗?zāi)康?/p>

驗證PTT能夠耐受高頻振動和高設(shè)計溫度。

3.2.2 試驗步驟

振動與隨機(jī)性試驗。首先，將PTT集成并放置在振動試驗工作臺上固定，將測量振動試驗設(shè)備激勵水平的振動反饋傳感器（控制傳感器）固定在試驗夾具上。其次，隨機(jī)振動10 min。觀察PTT緊固螺絲是否松動，驗證PTT溫度和壓力檢測功能、通信功能是否正常。

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

3.3.1 試驗?zāi)康?/p>

驗證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)計壓力為3.8 MPa。

3.3.2 試驗步驟

首先，將PTT接觸井流部分的結(jié)構(gòu)與測試工裝集成。其次，對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

3.4.1 試驗?zāi)康?/p>

驗證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精度要求。

3.4.2 試驗步驟

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

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

3.5 絕緣電阻測試

3.5.1 試驗?zāi)康?/p>

驗證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與測試工裝集成。其次，絕緣表依次對兩路通信接口進(jìn)行絕緣電阻測試：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的測試電壓下進(jìn)行測試，并在施加測試電壓60 s后記錄讀數(shù)，觀察阻值是否低于1 GΩ，記錄試驗結(jié)果。之后仿照以上試驗步驟依次對第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，并記錄試驗結(jié)果。

3.6 電接頭線纜焊接位置接觸電阻測試

3.6.1 試驗?zāi)康?/p>

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

3.6.2 試驗步驟

采用直流電阻表測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±10 mΩ。

3.7 RMS接頭氦氣泄漏試驗

3.7.1 試驗?zāi)康?/p>

驗證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，氣密性試驗結(jié)束后，質(zhì)譜儀氦速率滿足不應(yīng)超過5×10-8 mbar·L/s。

3.7.2 試驗步驟

首先，按照圖5集成測試設(shè)備，將氦質(zhì)譜儀和真空泵通過一個三通閥門接至電子艙測試工裝，真空泵后連接一個手閥。其次，用真空泵對電子艙測試工裝腔體抽微真空，結(jié)束時關(guān)閉手閥。而后，使用瓶裝氦氣向密封件位置噴氦氣，驗證密封件是否有微小泄漏。最后，觀察質(zhì)譜儀檢測結(jié)果，若氦氣量不超過5×10-8 mbar·L/s，圖示密封件無微泄漏。

3.8 氮氣充裝方案

向PTT電子艙內(nèi)充裝干燥潔凈氮氣。由于氮氣密度比空氣小，采用倒置PTT腔體的方法充入氮氣。

3.9 硅油充裝方案

在3.5節(jié)基礎(chǔ)上，對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，同時監(jiān)測供電和通信是否正常。PTT接觸海水部分設(shè)計工作環(huán)境為30 m水深的海水環(huán)境，因此試驗壓力設(shè)計為30 m水深壓力的1.1倍，即1.1×0.3=0.33 MPa。試驗中壓力不低于此設(shè)計壓力值。

4 結(jié)束語

參考API 17F等標(biāo)準(zhǔn)測試方法和產(chǎn)品性能指標(biāo)，為PTT制定規(guī)范化的質(zhì)量測試方法和測試標(biāo)準(zhǔn)，為工程化產(chǎn)品提供可操作性強(qiáng)的試驗驗證方法與技術(shù)支持，對PTT測試過程中的要點予以解釋說明。所提測試方法和測試標(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)計研發(fā)提供參考標(biāo)準(zhǔn)。同時，所制定的質(zhì)量測試方法符合挪威船級社對PTT認(rèn)證流程的要求。依據(jù)該測試方法進(jìn)行測試，滿足本測試方案相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)即能快速通過挪威船級社認(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.

［2］ 劉超，劉傳巖，劉健，等.水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)概述及其發(fā)展現(xiàn)狀［J］.石油工程建設(shè)，2021，47（6）：29-34.

［3］ 賴笑輝，王維旭，欒蘇，等.我國海洋鉆井裝備國產(chǎn)化現(xiàn)狀及發(fā)展展望［J］.石油礦場機(jī)械，2010，39（12）：15-18.

［4］ 陳軍強(qiáng)，覃健苡.海洋石油水下裝備現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.化工設(shè)計通訊，2017，43（8）：80.

［5］ 劉小衛(wèi)，王剛慶，王定亞，等.海洋水下井口封堵裝置技術(shù)研究與發(fā)展建議［J］.石油機(jī)械，2013，41（8）：43-46.

［6］ 劉培林，鞠朋朋，蘇鋒，等.水下生產(chǎn)設(shè)備測試技術(shù)研究［J］.海洋工程裝備與技術(shù)，2018，5（2）：121-124.

［7］ 萬春燕，王定亞，劉文霄，等.水下采油樹系統(tǒng)配套工具技術(shù)研究和發(fā)展建議［J］.石油機(jī)械，2020，48（7）：74-79.

［8］ American Petroleum Institute.Standard for Subsea Production Control Systems：API 17F［S］.NW，Washinton DC： API Publishing Services，2017.

［9］? ?American Petroleum Institute.Specification for Subsea Wellhead and Tree Equipment：API 17D［S］.NW，Washinton DC：API Publishing Services，2021.

［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)量測試方法研究［J］.化工自動化及儀表，2023，50（5）：660-668；694.