海底管道球閥的選型設計及應用
欄目:技術服務 發布時間:2019-06-15
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隨著海洋石油天然氣工業技術的迅速發展和人們對能源的需求,深水油氣田的開發將成為今后海洋石油行業發展的重點。水下油氣生產系統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。

1 概述

    隨著海洋石油天然氣工業技術的迅速發展和人們對能源的需求,深水油氣田的開發將成為今后海洋石油行業發展的重點。水下油氣生產系統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系統設備的重要組成部分。本文以某海上油田生產開發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,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。此種操作方式的優點是能夠實現自動開啟和關閉閥門,可以在海洋石油平臺上實時監控海底管道閥門的狀態,在液壓控制系統失效時可以使用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。此種操作方式的優點是閥門結構相對液壓控制較簡單,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生緊急情況需要關閉海底管道閥門時,不能實現應急關斷,海上石油平臺不能對海底管道閥門的狀態實現監測。

    

  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、球體材質、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容、閥門及執行機構高壓水艙試驗(影響費用和交貨時間)等。采購方在與供貨商進行技術澄清時,要明確技術細節,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,可以減少法蘭連接時閥門潛在的泄漏源,提高了管道系統的可靠性。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。水下油氣生產系統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內壓外,還承受著靜水壓力,為了防止介質外漏或海水進入閥體,閥體與環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,在壓差和彈簧初始密封壓力的作用下,閥座推向球體,實現閥門雙向密封。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,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。同時為了便于后續與管線進行焊接,要求袖管采用與管線相同的材質。袖管的長度須保證其與管道焊接時產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場見證,發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,整個海底生產系統結構物建造完畢后,需要進行水壓和電連續性等試驗。在海底管道球閥下水安裝前,還應該對其功能進行測試。主要是測試其打開和關閉操作的性能,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的管線連接,球閥B與海洋平臺B的管線連接,物流經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,海底管道基盤安裝完畢后,由于整個海管系統需要進行通球和水壓試驗,因此兩臺閥門保持開啟狀態。試驗完畢后,A平臺先行投入生產,因此A閥仍然處于開啟狀態。此時B平臺未投產,需要先將B閥關閉。等B平臺投產時,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平臺投產時,需要將處于關閉狀態的球閥B開啟。此時,由于飽和潛水支持船已經復原,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   (b)閥門處于開啟狀態

圖4 海底管道球閥關閉和開啟狀態

   

 7 結語

    深海油氣開采是未來資源開發的發展趨勢,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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