海底管道球閥的選型設計及應用

    隨著(zhù)海洋石油天然氣工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展和人們對能源的需求，深水油氣田的開(kāi)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)系統受災害天氣影響較小，可靠性強，成為開(kāi)采深水油氣田的關(guān)鍵設施之一。海底管道閥門(mén)是水下油氣生產(chǎn)系統設備的重要組成部分。本文以某海上油田生產(chǎn)開(kāi)發(fā)項目中兩臺海底管道球閥（以下簡(jiǎn)稱(chēng)球閥）的實(shí)際應用為例，介紹海底管道球閥的選型設計、陸地測試和海底操作。

 2 常用標準

    海底管道閥門(mén)是應用于海底管道上所有閥門(mén)的統稱(chēng)，其主要集中應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(mén)以球閥、平板閘閥和止回閥為主。

    海底管道閥門(mén)采用的標準主要有API6DSS、API6A、API17D和ISO13628－1。

3 操作方式

    海底管道閥門(mén)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(mén)與液壓源、液壓控制單元和臍帶纜集成為一個(gè)系統，由帶液壓源的控制單元給海底管道閥門(mén)供壓開(kāi)啟和關(guān)閉閥門(mén)。此種操作方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠實(shí)現自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉閥門(mén)，可以在海洋石油平臺上實(shí)時(shí)監控海底管道閥門(mén)的狀態(tài)，在液壓控制系統失效時(shí)可以使用ROV操作閥門(mén)。但是，液壓控制復雜，潛在的泄漏點(diǎn)較多，投資費用較高。

  3.2 ROV

    海底管道閥門(mén)上設置有ROV接口，分為頂裝和側裝兩種類(lèi)型，通過(guò)ROV搭載扭矩工具操作閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉。此種操作方式的優(yōu)點(diǎn)是閥門(mén)結構相對液壓控制較簡(jiǎn)單，費用相對較低，可節省項目工程建設階段的費用。但是ROV操作在海上石油平臺發(fā)生緊急情況需要關(guān)閉海底管道閥門(mén)時(shí)，不能實(shí)現應急關(guān)斷，海上石油平臺不能對海底管道閥門(mén)的狀態(tài)實(shí)現監測。

  3.3 潛水員操作

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

4 選型設計

   4.1 主要技術(shù)指標

    球閥選型設計時(shí)主要考慮設計使用壽命、設計溫度、設計壓力、球閥形式、設計標準、閥門(mén)尺寸、壓力等級、閥體材質(zhì)、球體材質(zhì)、ROV接口等級、ROV接口方式、ROV接口標準和閥門(mén)制造等級等。此外，還應注意閥門(mén)底座形式、ROV把手及其形式、ROV中心線(xiàn)到閥門(mén)中心線(xiàn)的距離、ROV接口處的防海生物保護裝置、第三方檢驗范圍和內容、閥門(mén)及執行機構高壓水艙試驗（影響費用和交貨時(shí)間）等。采購方在與供貨商進(jìn)行技術(shù)澄清時(shí)，要明確技術(shù)細節，以防出現不必要的合同變更。

    4.2 端面連接

    球閥的端面連接形式有法蘭連接和對焊連接兩種（圖1）。 

（a）法蘭連接  （b）對焊連接

圖1 不同端面連接的海底管道球閥

    球閥采用對焊連接時(shí)，可以減少法蘭連接時(shí)閥門(mén)潛在的泄漏源，提高了管道系統的可靠性。閥門(mén)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)系統的設計首先要考慮閥門(mén)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)內壓外，還承受著(zhù)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（SPE－SingPistonEffect）和雙活塞效應（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壓力，從而將閥座推離球體，實(shí)現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。當閥腔內壓力升高時(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)現閥門(mén)雙向密封。球閥一般要求采用SPE+DPE的密封形式，通常將閥門(mén)上游密封面選為SPE，從而實(shí)現閥腔超壓時(shí)自動(dòng)向上游泄放的功能。

    4.4 袖管

    袖管是焊接在閥門(mén)兩端的短節，用來(lái)與海底管道終端或水下管匯上的管線(xiàn)進(jìn)行焊接。為了防止袖管焊接時(shí)對閥門(mén)本體的密封造成損傷，一般要求閥門(mén)在出廠(chǎng)前完成袖管的焊接工作。同時(shí)為了便于后續與管線(xiàn)進(jìn)行焊接，要求袖管采用與管線(xiàn)相同的材質(zhì)。袖管的長(cháng)度須保證其與管道焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量不對閥門(mén)的密封性能造成影響。袖管可以由閥門(mén)采購方提供材質(zhì)編號和要求，由閥門(mén)制造廠(chǎng)購買(mǎi)，也可以由閥門(mén)采購方提供給閥門(mén)制造廠(chǎng)。袖管與閥門(mén)焊接完成后，需要對焊縫進(jìn)行水壓試驗，并且需要第三方現場(chǎng)見(jiàn)證。

5 陸地功能測試

    球閥在出廠(chǎng)前必須完成包括外觀(guān)檢測、壓力測試、操作功能測試等的工廠(chǎng)驗收試驗（FAT－FactoryAcceptanceTest）。FAT時(shí)通常需要采購方代表和第三方代表現場(chǎng)見(jiàn)證，發(fā)貨前需要閥門(mén)制造廠(chǎng)提供第三方簽字的FAT報告。

    球閥需要與管線(xiàn)進(jìn)行焊接，整個(gè)海底生產(chǎn)系統結構物建造完畢后，需要進(jìn)行水壓和電連續性等試驗。在海底管道球閥下水安裝前，還應該對其功能進(jìn)行測試。主要是測試其打開(kāi)和關(guān)閉操作的性能，包括旋轉方向、扭矩大小和旋轉圈數等。

 6 球閥的海底操作

    球閥A與海洋平臺A的管線(xiàn)連接，球閥B與海洋平臺B的管線(xiàn)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(pán)布置

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

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

圖3 潛水員使用的海底管道球閥操作工具

    B平臺投產(chǎn)時(shí)，需要將處于關(guān)閉狀態(tài)的球閥B開(kāi)啟。此時(shí)，由于飽和潛水支持船已經(jīng)復原，故采用ROV搭載扭矩工具來(lái)開(kāi)啟，ROV應為工作型，操作工具與陸地測試時(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(kāi)啟時(shí)，ROV接口處指針指向字母O（圖4）。

（a）閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)   （b）閥門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài)

圖4 海底管道球閥關(guān)閉和開(kāi)啟狀態(tài)

 7 結語(yǔ)

    深海油氣開(kāi)采是未來(lái)資源開(kāi)發(fā)的發(fā)展趨勢，海底管道閥門(mén)是海底管道管匯等設備的關(guān)鍵部件，將得到越來(lái)越廣泛的應用。