魏娟 孙钦

（中海油研究总院有限责任公司 北京 100028）

引言

我国海洋石油资源丰富，基于水深、海底环境、气候等因素，在深水领域采用水下生产系统开发方案可有效降低成本，增加效益。其中水下控制系统是水下生产系统的大脑，一方面接收和执行水上主控站发来的指令，另一方面接收水下采集到的信号，并传送到水上，供生产和操作人员进行监测[1]。

随着水下生产系统的发展与应用，水下控制系统的应用日益广泛，同时国产化的研究也越来越深入。对水下控制系统全寿命周期进行系统的可靠性和安全性管理是设计的必要环节。其中及时对水下控制系统测试过程中进行风险识别和规避，是保障水下生产系统运营安全的需要[2]。

水下生产系统集成测试是水下设备深海安装之前非常关键的一个环节，有助于验证各供应方提供的水下生产系统设备（水下管汇、水下控制模块、水下阀门等）之间的正常通讯及液压、电力传输功能，评估水下生产系统总体可操作性，以确保水下生产系统整体安全、平稳运转。同时，通过系统集成测试还可以起到操作预演，培训相关作业人员的作用，并提高作业效率[3][4]。

本文来源于国产水下控制系统工程化示范应用项目，为满足目标气田的安全生产要求，开展水下生产系统集成测试技术研究是必不可少的环节，其中对测试过程进行危险和可操作性分析，对危险因素进行分析，辨识测试过程中存在的安全隐患，并针对不同危险因素提出对应措施，有助于测试安全稳定进行，进一步提高水下控制系统测试的安全性，对保障测试人员安全和测试设备完整性有至关重要的意义。

1 水下生产系统

某南海气田开发项目对水下采油树、水下井口、水下控制系统、水下多功能管汇等进行国产化研发和系统性集成，形成一个系统完整、功能齐全、性能可靠的水下油气生产系统方案，达到实现工程化应用的要求。

本文集成测试主要范围为主控站（M a i n Control Station, MCS）、液压动力单元（Hydraulic Power Unit, HPU）、水下电力单元（Electrical Power Unit, EPU），水下管汇、水下分配单元、水下控制模块（Subsea Control Module, SCM）、水下路由模块、水下多相流量计（Multi-phase Flow Meter, MPFM）及其他管线等，同时具备水下CCTV和水听器等数据采集单元。水下控制系统示意图如图1所示。

图1 水下控制系统示意图

所有设备在通过出厂验收测试，扩展测试工作后，根据相关标准、设计要求等相关文件，进行水下控制系统陆地联合调试，主要完成水下设备的水下机器人与潜水员安装/回收测试、水下控制系统功能测试和极端工况测试等内容测试[5]。

1.1 主控站

主控站是为水下控制系统提供电力、控制落和通信的“主控台”，包含用于液压动力源、电源等监控所需要的应用软件，是整个水下生产系统的控制中心。

1.2 液压动力单元

液压动力单元用于为水下生产设施提供所需的、稳定和清洁的高低压控制液，控制液通过脐带缆中的液压管输送到水下液压分配单元和水下控制模块。

1.3 水下控制模块

电液复合式水下控制模块广泛应用于水下生产系统中，主要功能为接收和执行来自水上生产控制系统的电子指令，控制水下管汇及水下采油树阀门的开关工作，以及实时收集水下传感器数据信息。在水下控制系统正式投入使用前对其进行功能和性能测试十分重要[6]。

1.4 水下路由模块

水下路由模块主体内置有电源和控制模块。可实现对其他设备进行供电和光电信号的转化。水下路由模块与其它水下接口设备之间通过水下湿插拔连接器与飞线进行供电、通信的连接。

1.5 水下监测单元

基于CCTV的水下监测系统通过水下视频成像系统中的水下照明系统辅助水下摄像系统对水下生产设施进行全方位和多角度监测，完成对水下环境的视频监测。

声矢量水听器主要功能是实现水下生产系统的安全监测，对外部风险进行提前预警，解决水下生产系统的监控盲区问题，对水下生产系统进行全天候实时监测，判定侵入目标的位置和位移，降低船只在附近停留或作业等行为对水下设备造成损坏的风险，从而保证水下生产设施的安全。

本文集成测试内容包括水下机器人界面测试，系统上电测试，信号采集测试，冗余测试，液压阀门开关测试，液压泄漏测试，系统稳定性测试等。其中涉及水下控制系统设备类型多，界面复杂，对测试过程中可能发生的风险进行及时的分析和规避，可以有效避免损失。

2 HAZOP分析

本文可能涉及化学药剂、液压油等如若泄漏或与人员接触，将可能发生安全事故，用电设备进行带电测试时，也具有很高的安全风险。相较于失效模式与影响分析，故障树分析等方法，HAZOP分析方法的主要优势在于可以非常全面辨识已有系统存在的风险和设计过程中的缺陷，能有效地识别系统在不同运行状态下的危险和潜在问题，成为衡量系统安全设计水平的重要标志[7][8]。

为对水下控制系统集成测试进行HAZOP分析，本文组建由各设备供应商、测试工程师、开发方案设计人员、安装工程师、维修操作人员等组成的分析小组，熟悉水下生产系统的相关标准，并具有较为丰富的实践经验。针对所需实现的主要功能，分析小组依据分析引导词（no or not,more, less, as well as, part of reverse, other than）讨论偏差并进一步分析偏差出现的原因及其产生的后果，分别对阀门操作，液压控制，通讯功能，上电测试等主要功能偏差进行描述，分析功能偏差产生的原因及其危害，最后提出应对措施。分析程序如下：

（1）分析设备陆上对接过程的风险分析；

（2）分析各类状态参数可能发生的偏差；

（3）对偏差产生的原因和可能导致的风险进行分析；

（4）识别出关键风险以及针对关键设备和关键风险提出安全保护措施。

以水下控制模块为节点分析，根据“参数+引导词”的方法分析工艺参数偏差。以表1中液压压力过高/低偏离HAZOP分析为例，产生过低偏离的原因为HPU故障，包括泄露、电机转速不足等，导致HPU输出压力过低，或者输送管线泄漏，接头处密封不良，蓄能器能力不足，可能造成污染，最终导致无法正常开启和关闭阀门,分析过程如表1所示。

表1 水下控制模块压力偏差分析

针对HAZOP分析的结果，提出相应的安全措施，如HPU液压循环量和液压缸容量要考虑测试管路容积；检查更换质量合格的管线及接头，提前预充蓄能器压力。

3 主要问题和建议措施;

基于HAZOP分析结果，本文对电气、控制和通信安全提出以下安全措施，以保证系统集成测试安全运行：

（1）确定测试电气设备的绝缘测试选择合适的测试电压。

（2）应确保所有测试电气设备等电位，设备外壳有接地（SCM 有接地螺栓），并连接至测试场专用接地处。

（3）隔离开关不能带电通断，否则会产生电弧，造成人员伤害，设备损坏。

（4）MCS 机柜温度过高可能造成设备损坏。建议现场测试时将机柜加热到报警值温度，测试系统MCS 系统运行情况；考虑模拟MCS 系统最大运行量（例如CPU 长时间100%运行）导致的硬件系统升温的场景，测试系统温控是否满足降温的要求。

（5）完善通信性能测试，包括对时延、丢包率、信号衰减等内容的测试。测试时间、测试数据量、测试用例应充分考虑井下生产过程中遇到的各种场景，包括生产准备、正常生产、维修维护和应急响应等。

（6）增加两台SCM可能存在的通讯冲突场景，例如同时需要与水面设施进行大量的数据交换（考虑场景如：管汇SCM发生流量计大量数据交换是否影响采油树SCM关阀命令；或者采油树短时间密集发生的阀门调节、关断信号传递是否会影响管汇SCM上的通讯。）

（7）MPFM 测试内容要包括可能出现的最大数据通讯时系统稳定性的测试，例如模拟MPFM流量计在短时间内向主机密集发送数据的场景。

4 结语

在水下生产系统推广应用的背景下，水下生产系统的测试技术也日趋完善。对于技术成熟度相对较低的国产化设备，规范测试程序和技术参数要求，保证测试的准确性、可靠性和安全性至关重要。本文结合HAZOP分析方法，对水下控制系统集成测试分析偏差出现的原因及其产生的后果进行分析，并提出相应的对策，使风险等级达到可接受水平。对后续水下生产系统的集成联调测试有一定的指导意义。