海底管道球閥的選型設計及應用

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。水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)受災害天氣影響較小，可靠性強，成為開采深水油氣田的關鍵設施之一。海底管道閥門是水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)設備的重要組成部分。本文以某海上油田生產(chǎn)開發(fā)項目中兩臺海底管道球閥（以下簡稱球閥）的實際應用為例，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

    海底管道閥門是應用于海底管道上所有閥門的統(tǒng)稱，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。海底管道閥門以球閥、平板閘閥和止回閥為主。

    海底管道閥門采用的標準主要有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閉閥門。此種操作方式的優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)自動開啟和關閉閥門，可以在海洋石油平臺上實時監(jiān)控海底管道閥門的狀態(tài)，在液壓控制系統(tǒng)失效時可以使用ROV操作閥門。但是，液壓控制復雜，潛在的泄漏點較多，投資費用較高。

  3.2 ROV

    海底管道閥門上設置有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閉。此種操作方式的優(yōu)點是閥門結(jié)構(gòu)相對液壓控制較簡單，費用相對較低，可節(jié)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)生緊急情況需要關閉海底管道閥門時，不能實現(xiàn)應急關斷，海上石油平臺不能對海底管道閥門的狀態(tài)實現(xiàn)監(jiān)測。

  3.3 潛水員操作

    在水深較淺時，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其進行操作。此外，對于有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海底管道閥門進行操作。

4 選型設計

   4.1 主要技術(shù)指標

    球閥選型設計時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接口標準和閥門制造等級等。此外，還應注意閥門底座形式、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裝置、第三方檢驗范圍和內(nèi)容、閥門及執(zhí)行機構(gòu)高壓水艙試驗（影響費用和交貨時間）等。采購方在與供貨商進行技術(shù)澄清時，要明確技術(shù)細節(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，可以減少法蘭連接時閥門潛在的泄漏源，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、自重和價格等方面影響均不大。水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的設計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密封面積差。當閥腔壓力增大到一定值時，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。當閥腔內(nèi)壓力升高時，在壓差和彈簧初始密封壓力的作用下，閥座推向球體，實現(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，從而實現(xiàn)閥腔超壓時自動向上游泄放的功能。

    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行焊接。為了防止袖管焊接時對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。同時為了便于后續(xù)與管線進行焊接，要求袖管采用與管線相同的材質(zhì)。袖管的長度須保證其與管道焊接時產(chǎn)生的熱量不對閥門的密封性能造成影響。袖管可以由閥門采購方提供材質(zhì)編號和要求，由閥門制造廠購買，也可以由閥門采購方提供給閥門制造廠。袖管與閥門焊接完成后，需要對焊縫進行水壓試驗，并且需要第三方現(xiàn)場見證。

5 陸地功能測試

    球閥在出廠前必須完成包括外觀檢測、壓力測試、操作功能測試等的工廠驗收試驗（FAT－FactoryAcceptanceTest）。FAT時通常需要采購方代表和第三方代表現(xiàn)場見證，發(fā)貨前需要閥門制造廠提供第三方簽字的FAT報告。

    球閥需要與管線進行焊接，整個海底生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)物建造完畢后，需要進行水壓和電連續(xù)性等試驗。在海底管道球閥下水安裝前，還應該對其功能進行測試。主要是測試其打開和關閉操作的性能，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A的管線連接，球閥B與海洋平臺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進行處理（圖2）。

圖2 海底管道基盤布置

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

    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，需要將處于關閉狀態(tài)的球閥B開啟。此時，由于飽和潛水支持船已經(jīng)復原，故采用ROV搭載扭矩工具來開啟，ROV應為工作型，操作工具與陸地測試時使用的相同。球閥關閉時，ROV接口處指針指向字母S。球閥開啟時，ROV接口處指針指向字母O（圖4）。

（a）閥門處于關閉狀態(tài)   （b）閥門處于開啟狀態(tài)

圖4 海底管道球閥關閉和開啟狀態(tài)

 7 結(jié)語

    深海油氣開采是未來資源開發(fā)的發(fā)展趨勢，海底管道閥門是海底管道管匯等設備的關鍵部件，將得到越來越廣泛的應用。

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