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API16D

用于钻井控制设备的控制系统规范

美国石油协会规范16D（SPEC16D）

1993年3月1日

第一版

美国石油协会

说明

前言

1.范围

1.1用于地面防喷器组的控制系统

1.2用于水下BOP组的液压控制系统

1.3用于水下防喷器组的电动—液压/复合控制系统

1.4分流器控制系统

1.5应急备用BOP控制系统

1.6辅助设备控制系统与界面

2.设计

2.1设计评审

2.1.1工况

2.1.2设计文件要求

2.2设备规范

2.2.1用于地面防喷器组的控制系统

2.2.1.1响应时间

2.2.1.2液压油与油箱

2.2.1.3泵的要求

2.2.1.4蓄能器及歧管总成

2.2.1.5蓄能器容积要求

2.2.1.6液压控制集成

2.2.1.6.1液压控制万能BOP回路

2.2.1.6.2常压功能下的液压回路

2.2.1.7远程控制台

2.2.1.8供电

2.2.2海下BOP千斤顶液压控制系统

2.2.2.1响应时间

2.2.2.2混合及贮存设备

2.2.2.3泵系统

2.2.2.4蓄能器及歧管总成

2.2.2.5蓄能器计算容积要求

2.2.2.6控制总成

2.2.2.7液压总成电器遥控面板

2.2.2.7.1钻机面板

2.2.2.7.2辅助遥控或推进面板

2.2.2.7.3供电

2.2.2.8软管卷轴

2.2.2.9软管卷轴总成

2.2.2.10海下控制集成

2.2.3海下BOP千斤顶电液和多元控制系统

2.2.3.1电控元件

2.2.3.2电缆

2.2.3.3电缆卷轴

2.2.3.4海下控制集成和电器设备

2.2.3.5海下电器设备

2.2.4潜水控制系统

2.2.4.1响应时间

2.2.4.2贮存设备

2.2.4.3泵的要求

2.2.4.4蓄能器容积要求

2.2.4.5潜水控制总成

2.2.4.6控制面板

2.2.5制造说明书

3.单一系统设计验证

3.1文件

3.1.1试验程序

3.1.2验证

3.1.2.1液压静态测试验证

3.1.2.2危险区/电器验证

3.1.2.3蓄能器验证

3.1.2.4溢流阀验证

3.1.2.5合格证

3.2控制系统鉴定试验

4.材料要求

4.1承压元件

4.2构建材料

4.2.1结构钢

4.2.2钢分类

4.2.3结构型钢及板材说明

4.3产品条目

4.3.1承压元件

4.3.1.1压力容器总则

4.3.1.1.1蓄能器

4.3.1.1.2无压补偿容器

4.3.1.1.3氮缸

4.3.1.2管路集成和连接件

4.3.1.2.1软管和连接件

4.3.1.2.2火花测试

4.3.1.2.3螺丝和焊接连接件

4.3.1.3无ASME编码液压控制系统元件

4.3.2电器及电子元件及安装

4.3.3机械设备

4.3.4液压油和润滑油

4.3.5保护和油漆

4.3.5.1保护

4.3.5.2油漆

5.焊接要求

5.1总则

5.2焊接设计和装配

5.2.1压力装配焊接件

5.2.2承载焊接件

5.2.3焊接要求

5.2.4焊接表面（覆盖图）

5.3焊接控制

5.4焊接设计

5.5预热

5.6工具规格、标准

5.7焊接耗材

5.8后焊热处理

5.9焊接过程和质量

5.9.1基本材料

5.9.2热处理状态

5.9.3过程质量记录

5.10其它要求

5.10.1撞击测试

5.10.2ASMEIX节II文

5.10.3ASMEIX节III文

5.10.4ASMEIX节IV文

6.质量控制

6.1总则

6.1.1测量与试验设备

6.1.2人员要求

6.1.3质量控制要求

6.1.3.1组织/过程

6.1.3.2质量工程

6.1.3.3处理过程中检测

6.1.3.4工厂测试

6.1.3.5验收检测

6.1.3.6运输检测

6.1.3.7卖主运货评定

6.1.3.8报告

6.2质量控制记录

6.2.1制造工维护记录

6.3类型测定

7.市场

7.1临时市场

7.2永久市场

7.3可描述市场方法

7.4制造鉴定市场

7.5设备名称、数据

7.6其它市场

8.贮存和运输

8.1保护和保存

8.2包装

8.3鉴定

8.4安装、操作、维护文件

第1部分：

范围

1.0本规范制定了钻井作业时控制井筒压力的防喷器和相关阀的控制系统、子控制系统及零部件的设计标准。

尽管通常不认为换向器是井控装置，但仍将其作为防喷器控制系统的组成部分。

钻井控制设备的控制系统通常以载压流体储存能量来操作（开或关）防喷器组的零部件。

对BOP或其它井控元件的每一操作均是控制。

控制系统设备和电路通常因应用和环境不同而不同。

本规范适用于如下六大类控制系统。

它们包括：

1.1地面BOP组控制系统。

这些系统通常为简单的闭路液压控制系统，包括储存液压油的油箱，提供油压的泵，储存能量的蓄能器组及用于输送液压油至防喷器组的歧管、直管和控制阀。

1.2水下BOP组液压控制系统

除了地面BOP组的设备要求外，水下控制系统用集成管束来向水下传送液压信号。

还有安装在浅海立管包（LMRP）上的双水下液压中转控制盒，内装先导式控制阀，它将高压液压油导向防喷器组的功能元件。

用过的水基液压油通常在海底排放。

软管卷筒用于集成管束的贮存和铺设。

双水下控制盒及集成管束用作备用安全装置。

1.3用于水下BOP组的电液式/复合控制系统

深水作业时，向水下传输电信号（而不是液压信号）响应时间短。

电液式系统使用多芯电缆，这种电缆中的每一根电线专用于一种功能，这些功能操作水下电磁阀，电磁阀发出操作防喷器组功能元件的液压先导信号。

复合控制系统使用系列化的电子编码信号，这些信号通过公用导线传输。

电子数据处理和传输用来保证编制和确认指令信号的安全性，以避免干扰信号、道间感应或短路执行防喷器组的功能。

1.4转向器控制系统

方向控制常用于水面上转向器装置和辅助阀。

1.5应急BOP控制系统

查水下控制系统出现问题时，用一套独立的应急控制系统来操纵应急井控或停止作业。

这套系统有自己独立的能源。

应急系统包括声控系统，ROV（遥控车）控制系统和LMRP修复系统。

对水上控制系统来说，当泵失灵时储备的压力氮气可做为备用来继续操纵功能元件。

1.6辅助设备控制系统和公用设备

对浮钻操作来说，不同的辅助功能：

如远程公用色：

30”门闩等都需要控制系统来操控。

这些辅助设备的控制，尽管在此没有专门说明，但应分属于对类似设备的相关说明和要求。

第二部分设计

2.01.0节所说的井控系统和设备以及由控制系统制造商所提供或设计的用于油井钻探中的相关辅助设备应满足或好于本说明。

本说明不与以下系统抵触：

联邦、州、地方法律，慎重的工程实践及工业认可标准。

设计中所选用材料应满足或优于本说明。

2.1设计评审

在设备制造或订货到填写完销售清单要求之前，制造商的工程职责应保证设计满足与说明有关的要求，设计大纲尤其要对以下的考虑予以重视：

2.1.1工况：

1.尺寸和容量要求；

2.额定工作压力—在此压力下进行系统、子系统或元件的设计；

3.温度等级—控制子系统应设计成在一个较适合的温度状态下工作或者工作环境必须控制在设备元件的温度范围内。

环境温度分类表

环境分类

华氏度

摄氏度

高

低

高

低

热

140

32

60

0

温

120

20

50

-12

冷

120

4

50

-20

极冷

120

-23

50

-30

严寒

120

-40

50

-40

关键场合

对环境进行控制

注：

上表代表了设备工作时可接受范围。

4.地点：

a.陆地

b.海洋

1.水下

2.水上

5.井控设备说明—附录I、II列出了购买方所提供的关于BOP组或其它井控设备相关信息清单，这样可按要求对控制系统进行适当设计。

2.12设计文件要求：

设计资料书应由制造上对每种型号的系统设计都进行保存，保存最小期限为所设计的最后一个元件发货后起10年。

设计资料应包括一份目录表，并按顺序和易于理解的方式进行排列。

设计资料书结构示例：

1.标题页

2.前言

3.目录

4.典型尺寸、容量计算

5.额定设计工作压力

6.额定设计作业温度

7.符合规范的图纸、计算书（文件）

8.使用器材清单

9.适用标准和规范清单

10.设备位置示意图

2.2设备说明书

购买应该提供所需设备的完整的描述和说明工作场所，控制系统使用详细说明。

在此基础的控制系统制造商可依据这些说明进行系统设计和制造。

附录I为购方用于详细说明水上控制系统操作要求的表格；

附录II为购方用于详细说明水上控制系统操作要求的表格；

附录I和II还提供了购方对控制功能详细说明的清单。

水上和水下系统制造商的设计以及元件的选取应保证产品条款、次卖方材料和制造方自己的设备满足或就于相关工业标准和本说明书。

水上和水下控制功能回路应具有自控性，这样当一个元件泄漏和破坏时并不影响其它功能的进行。

2.2.1地面BOP组控制系统

2.2.1.1响应时间

一个功能的动作与完成之间的响应时间是以BOP或阀关闭和密封为基础的。

对地面BOP而言，BOP控制系统应能在30秒内关闭每一闸板BOP。

孔径小于18-3/4英寸的万能BOP的关闭时间不应超过30秒，对于18-3/4或以上大小的回路不应大于45秒。

节流阀和压井阀（不论开或关），其响应时间不应超过最短的闸板关闭时间。

关闭响应时间的量测开始于任何控制面板上关闭功能起作用的时刻，到BOP或阀被有效关闭密封后停止，等操作压力恢复到通常设定时，可考虑BOP关闭，如果要考虑确保密封，则要进行BOP下面或通过阀的压力测试。

由制造商计算，模拟测试或现均BOP试验来举例证明与响应时间说明书的一致性。

2.2.1.2液压油和油箱

应按

水基液压油通常是水和水容性润滑添加剂的混合物。

当环境温度在冰点或冰点以下时，应提供足够的乙二醇或其它控制系统制造商接受的添加剂同水基液压油混合以防止结冰。

液压油箱容积应至少为蓄能器系统有效容积的2倍。

如果安装有氮气备用系统时，空气出口应足够大，以避免在液压油、氮气传输过程中，油箱出现增压现象。

在装入液压油之前，油箱应进行清洗，所有对焊缝、机切割件，矿或其它残留物进行冲洗。

2.2.1.3泵的要求

至少要有两套泵送系统，每套都有独立的专用能源，每套泵系统应具有充分数量的泵和容积来满足以下的动作要求。

当蓄能器不工作时，泵系统应能关闭一台万能BOP和打开液控节流阀，能在2分钟内提供最小的系统工作压力。

所有泵同时工作时，应具有在15分钟内给整个蓄能器系统充液使其从预充压力达到控制系统最大额定工作压力的能力。

相同的泵系统可用于为BOP组和分流器系统两者同时提供压力油进行控制的能力。

每套泵系统应提供到一个相当于系统工作压力的溢流压力，气动泵系统应用不超过75PSIG的气压来达到工作压力。

应至少有2个限制泵出口压力的装置来保护每一套泵运行。

一个装置用来限制泵出口压力，使泵出口压力不会超过BOP控制系统的设计工作压力；另一个装置通常为溢流阀，溢流量至少相当于泵系统的设计流量，设定溢流压力不超过设计工作压力的1.1倍。

用于保障泵超压的设备应直接安装在控制系统供应蓄能器之间的油路上，并不需要单独的阀或其它达到特定目的手段。

当系统压力降低至系统工作压力的90%时，控制泵的电器或气计装置应随时工作使泵自动启动，并当系统工作压力正偏差为零，负偏差为100PSI时，泵能够自动停止。

2.2.1.4蓄能器瓶和歧管

蓄能器应满足ASME第VIII节第1部分的设计要求，并要有ASME1A证明文件。

蓄能器系统设计要保证单个蓄能器和/蓄能器组的压力损失不至于导致整个蓄能系统蓄能能力损失超过25%。

对每个蓄能器缸应配有压力阀和泄流阀以便检查蓄能器预充压力或使油流回液压油箱。

蓄能器只能使用氮气进行预充，不能用空气或氧气预充。

用于BOP元件和专门情况下推荐的预充压力在蓄能器或蓄能器组上的永久标牌上说明。

预充压力不能超过蓄能器工作压力。

2.2.1.5蓄能器容积要求

泵不工作时BOP控制系统应具有最小的贮存液压油的容积（VR）以满足如下两个要求：

1.井筒压力为零，防喷器组中的防喷器处于全开位置时，关闭全部防喷器所需的容积再加上50%的贮量。

2.关闭全部防喷器后剩余的贮存在蓄能器中的液压油的压力应超过关闭防喷器组在最大额定井筒压力下的任一闸板防喷器（不含剪切闸板）的最小计算（用防喷器关闭率）操作压力。

2.2.1.6液压控制歧管

来自于替换源的控制油液座提供给阀，这个阀的阀口尺寸至少等于控制歧管的管路尺寸。

当不用时这个阀口应予以堵塞。

应至少提供两个独立的液压控制回路，它们包括：

2.2.1.6.1液压控制歧管万能BOP回路

液压控制歧管上的一套控制回路应能操纵环状BOP回路中的元件应包括一个能把支路上游的压力降低到能满足BOP制造商推荐的油液压力水平的压力控制阀，压力控制阀还要能对支路下游的压力变化做出足够录取的反应，以便使调整压力处在±150PSI。

环状BOP压力调节阀应能遥控，受动换向阀和压力调节阀应能在遥控功能失效时允许并闭环状BOP和/或保持调整压力。

2.2.1.6.2用于常压功能下的液后支路

本支路包括一个常态下的压力回路，回路中备有一个能对典型BOP设备进行压力调控的阀和截止阀，支路应备有支路旁通调节阀或通过其他方式使支路调节阀短路，以便把调整压力与其换成用于操纵功能的蓄能器的压力，把支路设计成紧急状况下整个子系统设定工作作用下能其作用。

2.2.1.7远程控制台

至少应提供一个远程控制台。

这是为了保证至少有两个地点可对控制系统的全部功能进行操作。

司钻应能方便地靠近远程控制台。

司钻远程控制台的显示必须用实际BOP组的图形符号来安排。

远程控制台功能如下：

1.控制所有操作BOP组、节流阀及压井阀的液压功能；

2.应用于海洋时，显示控制阀位置和电泵运行；

3.对万能BOP调压装置的压力设置进行控制；

4.对支路旁通调节阀或短路阀提供控制，或交替地为支路调压设备压力设置提供遥控；

5.司钻台面板应配有以下读数显示：

1蓄能器压力

2支路调整压力

3万能BOP调整压力

4井架气压（仅用于气控台）或低气压报警（电控台）

6.用于海滨井架的钻井另外需装有听觉或视觉警报器，用于显示：

1蓄能器压力低

2井架气压低

3液压油箱液压低

4能源备力板（可选）

2.2.1.3电力供应

当主电源断电时，用于电动--气动和电动--液压控制台的电力供应应能够自动切换到备用电源。

如果主电源断电时，备用电源应能至少维持2个小时的远程控制作业。

2.2.2海（水）下BOP架液压控制系统

2.2.2.1响应时间

水下BOP架应具有在45秒或更短时间能关闭每个BOP设备的能力，对环状BOP设备的关闭影响不应超过60秒。

对于阀堵塞或失效的响应时间应不超最小的设备关闭响应时间。

对LMRP的升锁响应时间不应超过45秒。

对影响时间常规的测量起始于任何控制面板上功能起作用时，到压力表读数恢复到正常设定时为止。

由制造商计算，模拟测试或现场BOP架试验来举例证明与响应时间说明书的一致性。

2.2.2.2混合和贮存设备

控制系统油箱可用容积应至少等于蓄能器的总容积。

油箱内最高液面以上应用足够空间以便允许蓄能器的最大储量都流回油箱时不至于产生溢出。

润滑/添加剂箱应按用于混合控制系统的预期最大比来定尺寸，并且应包含足够的润滑/添加剂来混合到10倍于控制系统所用蓄能器总容积。

如果需要的话，还需备有ETHYLENEGLYCOL贮存器，在控制油将会被暴露的最小预期合适温度下，用ETH与水的最大预期比来定容器的体积。

容器内应含有足够的ETH来混合至少相当于控制系统所用蓄能器总容积的1到1.5倍的容积。

装配听觉或视觉警报器是为了每个贮存器内液位低时给出指示，应把警报控制设定在望贮存器可用容积的75%液体排出时做出反应。

在主面板，钻井和辅助遥控板上警报器能够发声和闪烁。

每个贮存器应有清洗口以便清洗，为防止过压，每个贮存器应有合适的出口以便使其流量大于流入贮存器的流量（包括蓄能器）出口本身不能被堵塞或被罩住，清洗口直径至少4英寸。

液压油混合系统设计成自动工作，查混合液贮存器达到最高液位时系统必须自动停止，当最低液位降到填充发截止液位以上不超过10%时混合系统必须能自动启动。

在一个预期较适合的温度下，混合系统应具有以一种较位适合防冻的混合比进行液体混合的能力，系统所能提供的出口流量应到达等于泵系统的联合排出流量。

在装入液体前，应对贮存器内所有焊缝和切割部位，矿或其它残留物进行清洗。

2.2.2.3泵系统

海下BOP控制系统应具有至少两套独立的泵系统（基本与辅助），在15分钟内，所有泵同时工作应具有给整个蓄能器系统充液使其压力从预充压力达到系统最大设定工作压力的能力。

对由单独的泵进行供油的先导控制系统也应提供独立道路蓄能器，如可能的话，这个泵即可用气源也可用电源来驱动。

气泵应具有给蓄能器提供至少75PSI工作压力的能力，如果先导泵不工作时，主西半球系统应能够给先导蓄能器进行供油。

做为替代物，要提供旁路先导系统泵。

泵系统应具有自动工作的控制能力，主泵控制系统应设定成在BOP控制系统最大工作压力出现时能够使泵自动停止运转，当控制系统蓄能器压力降低到设计工作压力的90%时，泵又能自动启动。

辅助泵控制系统与主泵控制系统原理相似，不同之处在于辅助泵系统的设立压力稍低于主泵系统，这样就防止两套泵系统同时工作。

当系统压力小于BOP控制系统设计工作压力的95%情况，辅助泵控制系统应使泵处于工作状态，当系统压力降低到设计工作压力的85%时，辅助泵必须启动。

考虑过压保障的相关资料见

2.2.2.4蓄能器用于歧管

用于水下BOP架液压控制系统的蓄能器和歧管应满足

2.2.2.5蓄能器计算容积要求

水下BOP架控制系统应具有最小的贮存液压油的容积，当泵不工作时，以满足如下要求：

1.在零井压情况下，开和闭所有典型BOP设备和BOP架上的环状BOP设备的容积占贮量的50%；

2.并所有BOP设备环状BOP打开和关闭，残留在蓄能器中的压力系统计算最小工作压力，计算最小工作压力应大于下面两种情况下最小设备工作压力种较大的一个；

3.在最大设定井压情况下，要求关闭所有BOP设备（除剪切管）的最小计算工作压力；

4.在最大设定井压情况下，要求打开或维护开启任一堵塞阀的最小计算工作压力。

蓄能器应安装在水下BOP加上以便降低响应时间和/或做为备用动力源。

要采取措施防水下蓄能器中的油液流会到水上蓄能器中，这些可防止备用动力源的失效，水下蓄能器容积计算值应能够补偿每英尺垂直水深445PSI的静压梯度，充氮压力不要超过蓄能器设定工作压力。

水下蓄能器应在书下安装一个阀，而这个阀的控制是在水上进行，用于切断给蓄能器压力供应以便泵系统压力能直接作用于BOP架上某一功能。

2.2.2.6控制集成

控制支管是对操纵和检测所有系统功能的阀、压力表、调节器和流量表的一种集成。

这种集成体具有压力油供应，阀块和用于操纵水下控制自身单独的先导油块，先导油管有身也具有必有的阀来把先导信号传给水下所有先导控制阀，当控制集成块上的一个阀工作时，先导信号就被传到水下控制阀，水下控制阀就开始动作使油液进入BOP或其它功能件对其进行操纵。

水上调节集成使用了液动调压阀来为水下调节阀提供液压先导信号。

当井架设备不能工作时，也要造成水下调压阀设定值的失效，同时也不能造成水下调压阀遥控功能的失效，要考虑人工干预和水上调压阀的控制。

对装油控制阀的水上集成块要油一套独立的先导供应（气动或液压）来提供远程操纵，先导供应的失效不能影响人工对控制系统的操纵。

当气源或电源失效后，遥控引导应允许对所有水上控制阀进行性到两次的操作，井架上备用的设备由用户自己提供。

先导系统应具备这样的元件，即通过遥控面板上先导信号的感应能够显示BOP的位置。

液压控制集成上还应装有流量表来测量从泵或水上蓄能器供给到水下的油液体积。

液压控制集成上还应装压力表，来显示蓄能器，压力先导系统压力，水下主供油压力，水下调压先导压力，水下调后压力，水下已不形BOP调压先导压力，水下环形BOP调压压力和井架上气压，集成上要包含听觉、视觉警报器，对蓄能器低压、低气压，混合液贮存器低液位、主电力供应失效和先导压力过低给出警示。

液压控制进程块上的所有功能可在钻井面板进行远程操作，见

应设计控制集成的界面以便使所有控制信号和压力油供应能到达BOP架上的梭阀。

每个补偿POD可在BOP架任一设备的操作设有失效的情况下，通过另一POD单独对水上设备进行补偿。

关键功能，如剪切装置，钻头和起升接头以及接头辅件。

对其的控制阀操纵杆或按钮应加覆盖板或采取其它措施来防止误操作，盖板不能干扰远程操作功能，每个阀，调节用，或表具应给出清楚的标签来显示其功能，每个控制阀另外还应指出它的位置状态。

2.2.2.7液压集成电子要板界面

，这样当一个面板上的元件失效时并不影响另一个面板的指示或操作。

为防止对任何一种功能的误操作，每一个面板应有“按和保持”开关以便对关键功能进行操作，对这些功能有必要表示出专门按钮和“按和保持”按钮。

设计灯测试开关来保证所有先导等的完整性。

控制关键功能的开关，如剪切装置、钻头连接器，提升接头，接头辅助件和POD闩等，应加保护盖板或采取其它措施来防止误操作。

2.2.2.7.1钻井面板

钻井面板显示应按BOP架/LMRP图形所代表的客观设备来安排，它应至少包含以下功能：

1.控制所有与BOP架，LMRP架，堵塞阀相关的功能。

2.显示当前所有动作的位置，当动作位于中心或堵塞位置时，显示最终的状态。

3.提供对环形BOP调压器和集成调压器的远程控制，本控制与

4.应提供以下压力读数显示：

1蓄能器压力

2水上集成先导压力

3水下环状BOP调整先导压力

4水下环状BOP调整压力

5水下集成调整先导压力

6水下集成调整压力

7气压

5.提供一个可重新设定的流量表,来显示水下动作操作所用的总容积.

6.提供如下带听视觉警报器的指示或警示灯。

1蓄能器低压

2集成先导压力低

3气压低

4混合液面低

5润滑液面低

6GLYCOL液面低（另选）

7主动力源使用指示灯

8泵运行指示灯（对电机驱动泵）

2.2.2.7.2辅助遥控或工具推进面板

辅助遥控板应装在远离钻台的地方，最好装在工具推进办公室或靠近救生船，这个面板应按BOP架/LMRP所代表的图形符号来安排，它至少包括以下功能：

1.控制所有与BOP架：

除钻头连接辅助件和POD闩外包含有堵塞阀的LMRP架有关的动作；

2.显示所有动作的位置；

3.提供指示一和警报灯为以下情况：

1蓄能器低压报警

2集成小大低压报警

3低气压报警

4混合液位低位报警

5润滑液位地位报警

6主动力源使用指示灯

7泵运行指示灯（对电机驱动泵）

4.辅助遥控板应显示以下压力读数：

1蓄能器压力

2水下环状BOP调整压力

3水下集成调整压力

5.辅助遥控