海底管道球閥的選型設(shè)計(jì)及應(yīng)用

欄目：閥門知識(shí) 發(fā)布時(shí)間：2019-06-15

1 概述

隨著海洋石油天然氣工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展和人們對(duì)能源的需求，深水油氣田的開發(fā)將成為今后海洋石油行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)受災(zāi)害天氣影響較小，可靠性強(qiáng)，成為開采深水油氣田的關(guān)鍵設(shè)施之一。海底管道閥門是水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備的重要組成部分。本文以某海上油田生產(chǎn)開發(fā)項(xiàng)目中兩臺(tái)海底管道球閥（以下簡(jiǎn)稱球閥）的實(shí)際應(yīng)用為例，介紹海底管道球閥的選型設(shè)計(jì)、陸地測(cè)試和海底操作。

2 常用標(biāo)準(zhǔn)

海底管道閥門是應(yīng)用于海底管道上所有閥門的統(tǒng)稱，其主要集中應(yīng)用在海洋油氣工程的水下管匯、海底管道終端及油氣輸送管道上。海底管道閥門以球閥、平板閘閥和止回閥為主。

海底管道閥門采用的標(biāo)準(zhǔn)主要有API6DSS、API6A、API17D和ISO13628－1。

3 操作方式

海底管道閥門的操作方式主要有液壓控制、遙控操作（ROV－RemoteOperatedVehicle）和潛水員操作等。

3.1 液壓控制

海底管道閥門與液壓源、液壓控制單元和臍帶纜集成為一個(gè)系統(tǒng)，由帶液壓源的控制單元給海底管道閥門供壓開啟和關(guān)閉閥門。此種操作方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)開啟和關(guān)閉閥門，可以在海洋石油平臺(tái)上實(shí)時(shí)監(jiān)控海底管道閥門的狀態(tài)，在液壓控制系統(tǒng)失效時(shí)可以使用ROV操作閥門。但是，液壓控制復(fù)雜，潛在的泄漏點(diǎn)較多，投資費(fèi)用較高。

3.2 ROV

海底管道閥門上設(shè)置有ROV接口，分為頂裝和側(cè)裝兩種類型，通過ROV搭載扭矩工具操作閥門開啟和關(guān)閉。此種操作方式的優(yōu)點(diǎn)是閥門結(jié)構(gòu)相對(duì)液壓控制較簡(jiǎn)單，費(fèi)用相對(duì)較低，可節(jié)省項(xiàng)目工程建設(shè)階段的費(fèi)用。但是ROV操作在海上石油平臺(tái)發(fā)生緊急情況需要關(guān)閉海底管道閥門時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)應(yīng)急關(guān)斷，海上石油平臺(tái)不能對(duì)海底管道閥門的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。

3.3 潛水員操作

在水深較淺時(shí)，海底管道閥門上通常配置有手輪，潛水員可采用空氣潛水的方式對(duì)其進(jìn)行操作。此外，對(duì)于有ROV接口的海底管道閥門，在條件允許的情況下，也可以由潛水員使用專用的操作工具，采用飽和潛水的方式對(duì)海底管道閥門進(jìn)行操作。

4 選型設(shè)計(jì)

4.1 主要技術(shù)指標(biāo)

球閥選型設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮設(shè)計(jì)使用壽命、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、球閥形式、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、閥門尺寸、壓力等級(jí)、閥體材質(zhì)、球體材質(zhì)、ROV接口等級(jí)、ROV接口方式、ROV接口標(biāo)準(zhǔn)和閥門制造等級(jí)等。此外，還應(yīng)注意閥門底座形式、ROV把手及其形式、ROV中心線到閥門中心線的距離、ROV接口處的防海生物保護(hù)裝置、第三方檢驗(yàn)范圍和內(nèi)容、閥門及執(zhí)行機(jī)構(gòu)高壓水艙試驗(yàn)（影響費(fèi)用和交貨時(shí)間）等。采購(gòu)方在與供貨商進(jìn)行技術(shù)澄清時(shí)，要明確技術(shù)細(xì)節(jié)，以防出現(xiàn)不必要的合同變更。

4.2 端面連接

球閥的端面連接形式有法蘭連接和對(duì)焊連接兩種（圖1）。

（a）法蘭連接（b）對(duì)焊連接

圖1 不同端面連接的海底管道球閥

球閥采用對(duì)焊連接時(shí)，可以減少法蘭連接時(shí)閥門潛在的泄漏源，提高了管道系統(tǒng)的可靠性。閥門除更換和維修不便之外，在操作、自重和價(jià)格等方面影響均不大。水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先要考慮閥門使用的可靠性，兼顧可維修性。綜合考慮，球閥宜采用焊接形式。

4.3 密封形式

球閥在深水條件下除了承受介質(zhì)內(nèi)壓外，還承受著靜水壓力，為了防止介質(zhì)外漏或海水進(jìn)入閥體，閥體與環(huán)境之間一般設(shè)置兩道密封，其中金屬密封作為主密封。閥座處的密封面有單活塞效應(yīng)（SPE－SingPistonEffect）和雙活塞效應(yīng)（DPE－DoublePistonEffect）兩種形式。SPE的原理是閥腔和上游密封面有一個(gè)密封面積差。當(dāng)閥腔壓力增大到一定值時(shí)，閥腔與上游的壓差大于彈簧的初始?jí)毫?，從而將閥座推離球體，實(shí)現(xiàn)閥腔壓力向上游泄放。DPE的原理是閥座下游和上游之間存在密封面積差。當(dāng)閥腔內(nèi)壓力升高時(shí)，在壓差和彈簧初始密封壓力的作用下，閥座推向球體，實(shí)現(xiàn)閥門雙向密封。球閥一般要求采用SPE+DPE的密封形式，通常將閥門上游密封面選為SPE，從而實(shí)現(xiàn)閥腔超壓時(shí)自動(dòng)向上游泄放的功能。

4.4 袖管

袖管是焊接在閥門兩端的短節(jié)，用來與海底管道終端或水下管匯上的管線進(jìn)行焊接。為了防止袖管焊接時(shí)對(duì)閥門本體的密封造成損傷，一般要求閥門在出廠前完成袖管的焊接工作。同時(shí)為了便于后續(xù)與管線進(jìn)行焊接，要求袖管采用與管線相同的材質(zhì)。袖管的長(zhǎng)度須保證其與管道焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量不對(duì)閥門的密封性能造成影響。袖管可以由閥門采購(gòu)方提供材質(zhì)編號(hào)和要求，由閥門制造廠購(gòu)買，也可以由閥門采購(gòu)方提供給閥門制造廠。袖管與閥門焊接完成后，需要對(duì)焊縫進(jìn)行水壓試驗(yàn)，并且需要第三方現(xiàn)場(chǎng)見證。

5 陸地功能測(cè)試

球閥在出廠前必須完成包括外觀檢測(cè)、壓力測(cè)試、操作功能測(cè)試等的工廠驗(yàn)收試驗(yàn)（FAT－FactoryAcceptanceTest）。FAT時(shí)通常需要采購(gòu)方代表和第三方代表現(xiàn)場(chǎng)見證，發(fā)貨前需要閥門制造廠提供第三方簽字的FAT報(bào)告。

球閥需要與管線進(jìn)行焊接，整個(gè)海底生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)物建造完畢后，需要進(jìn)行水壓和電連續(xù)性等試驗(yàn)。在海底管道球閥下水安裝前，還應(yīng)該對(duì)其功能進(jìn)行測(cè)試。主要是測(cè)試其打開和關(guān)閉操作的性能，包括旋轉(zhuǎn)方向、扭矩大小和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)等。

6 球閥的海底操作

球閥A與海洋平臺(tái)A的管線連接，球閥B與海洋平臺(tái)B的管線連接，物流經(jīng)海底管道三通匯合后一起輸送至FPSO進(jìn)行處理（圖2）。

圖2 海底管道基盤布置

下水前兩臺(tái)球閥都處于開啟狀態(tài)，海底管道基盤安裝完畢后，由于整個(gè)海管系統(tǒng)需要進(jìn)行通球和水壓試驗(yàn)，因此兩臺(tái)閥門保持開啟狀態(tài)。試驗(yàn)完畢后，A平臺(tái)先行投入生產(chǎn)，因此A閥仍然處于開啟狀態(tài)。此時(shí)B平臺(tái)未投產(chǎn)，需要先將B閥關(guān)閉。等B平臺(tái)投產(chǎn)時(shí)，再將B閥打開。因此需要對(duì)B閥進(jìn)行關(guān)閉和開啟操作。

海底管道基盤由潛水員采用飽和潛水的方式安裝，海管系統(tǒng)試壓完畢后，由潛水員采用特殊工具（圖3）將海底管道閥門B關(guān)閉。

圖3 潛水員使用的海底管道球閥操作工具

B平臺(tái)投產(chǎn)時(shí)，需要將處于關(guān)閉狀態(tài)的球閥B開啟。此時(shí)，由于飽和潛水支持船已經(jīng)復(fù)原，故采用ROV搭載扭矩工具來開啟，ROV應(yīng)為工作型，操作工具與陸地測(cè)試時(shí)使用的相同。球閥關(guān)閉時(shí)，ROV接口處指針指向字母S。球閥開啟時(shí)，ROV接口處指針指向字母O（圖4）。