海底管道球阀的选型设计及应用

1 概述

    随着海洋石油天然气工业技术的迅速发展和人们对能源的需求，深水油气田的开发将成为今后海洋石油行业发展的重点。水下油气生产系统受灾害天气影响较小，可靠性强，成为开采深水油气田的关键设施之一。海底管道阀门是水下油气生产系统设备的重要组成部分。本文以某海上油田生产开发项目中两台海底管道球阀（以下简称球阀）的实际应用为例，介绍海底管道球阀的选型设计、陆地测试和海底操作。

 2 常用标准

    海底管道阀门是应用于海底管道上所有阀门的统称，其主要集中应用在海洋油气工程的水下管汇、海底管道终端及油气输送管道上。海底管道阀门以球阀、平板闸阀和止回阀为主。

    海底管道阀门采用的标准主要有API6DSS、API6A、API17D和ISO13628－1。

3 操作方式

    海底管道阀门的操作方式主要有液压控制、遥控操作（ROV－RemoteOperatedVehicle）和潜水员操作等。

   3.1 液压控制

    海底管道阀门与液压源、液压控制单元和脐带缆集成为一个系统，由带液压源的控制单元给海底管道阀门供压开启和关闭阀门。此种操作方式的优点是能够实现自动开启和关闭阀门，可以在海洋石油平台上实时监控海底管道阀门的状态，在液压控制系统失效时可以使用ROV操作阀门。但是，液压控制复杂，潜在的泄漏点较多，投资费用较高。

  3.2 ROV

    海底管道阀门上设置有ROV接口，分为顶装和侧装两种类型，通过ROV搭载扭矩工具操作阀门开启和关闭。此种操作方式的优点是阀门结构相对液压控制较简单，费用相对较低，可节省项目工程建设阶段的费用。但是ROV操作在海上石油平台发生紧急情况需要关闭海底管道阀门时，不能实现应急关断，海上石油平台不能对海底管道阀门的状态实现监测。

  3.3 潜水员操作

    在水深较浅时，海底管道阀门上通常配置有手轮，潜水员可采用空气潜水的方式对其进行操作。此外，对于有ROV接口的海底管道阀门，在条件允许的情况下，也可以由潜水员使用专用的操作工具，采用饱和潜水的方式对海底管道阀门进行操作。

4 选型设计

   4.1 主要技术指标

    球阀选型设计时主要考虑设计使用寿命、设计温度、设计压力、球阀形式、设计标准、阀门尺寸、压力等级、阀体材质、球体材质、ROV接口等级、ROV接口方式、ROV接口标准和阀门制造等级等。此外，还应注意阀门底座形式、ROV把手及其形式、ROV中心线到阀门中心线的距离、ROV接口处的防海生物保护装置、第三方检验范围和内容、阀门及执行机构高压水舱试验（影响费用和交货时间）等。采购方在与供货商进行技术澄清时，要明确技术细节，以防出现不必要的合同变更。

    4.2 端面连接

    球阀的端面连接形式有法兰连接和对焊连接两种（图1）。 

（a）法兰连接  （b）对焊连接

图1 不同端面连接的海底管道球阀

    球阀采用对焊连接时，可以减少法兰连接时阀门潜在的泄漏源，提高了管道系统的可靠性。阀门除更换和维修不便之外，在操作、自重和价格等方面影响均不大。水下油气生产系统的设计首先要考虑阀门使用的可靠性，兼顾可维修性。综合考虑，球阀宜采用焊接形式。

    4.3 密封形式

    球阀在深水条件下除了承受介质内压外，还承受着静水压力，为了防止介质外漏或海水进入阀体，阀体与环境之间一般设置两道密封，其中金属密封作为主密封。阀座处的密封面有单活塞效应（SPE－SingPistonEffect）和双活塞效应（DPE－DoublePistonEffect）两种形式。SPE的原理是阀腔和上游密封面有一个密封面积差。当阀腔压力增大到一定值时，阀腔与上游的压差大于弹簧的初始压力，从而将阀座推离球体，实现阀腔压力向上游泄放。DPE的原理是阀座下游和上游之间存在密封面积差。当阀腔内压力升高时，在压差和弹簧初始密封压力的作用下，阀座推向球体，实现阀门双向密封。球阀一般要求采用SPE+DPE的密封形式，通常将阀门上游密封面选为SPE，从而实现阀腔超压时自动向上游泄放的功能。

    4.4 袖管

    袖管是焊接在阀门两端的短节，用来与海底管道终端或水下管汇上的管线进行焊接。为了防止袖管焊接时对阀门本体的密封造成损伤，一般要求阀门在出厂前完成袖管的焊接工作。同时为了便于后续与管线进行焊接，要求袖管采用与管线相同的材质。袖管的长度须保证其与管道焊接时产生的热量不对阀门的密封性能造成影响。袖管可以由阀门采购方提供材质编号和要求，由阀门制造厂购买，也可以由阀门采购方提供给阀门制造厂。袖管与阀门焊接完成后，需要对焊缝进行水压试验，并且需要第三方现场见证。

5 陆地功能测试

    球阀在出厂前必须完成包括外观检测、压力测试、操作功能测试等的工厂验收试验（FAT－FactoryAcceptanceTest）。FAT时通常需要采购方代表和第三方代表现场见证，发货前需要阀门制造厂提供第三方签字的FAT报告。

    球阀需要与管线进行焊接，整个海底生产系统结构物建造完毕后，需要进行水压和电连续性等试验。在海底管道球阀下水安装前，还应该对其功能进行测试。主要是测试其打开和关闭操作的性能，包括旋转方向、扭矩大小和旋转圈数等。

 6 球阀的海底操作

    球阀A与海洋平台A的管线连接，球阀B与海洋平台B的管线连接，物流经海底管道三通汇合后一起输送至FPSO进行处理（图2）。

图2 海底管道基盘布置

    下水前两台球阀都处于开启状态，海底管道基盘安装完毕后，由于整个海管系统需要进行通球和水压试验，因此两台阀门保持开启状态。试验完毕后，A平台先行投入生产，因此A阀仍然处于开启状态。此时B平台未投产，需要先将B阀关闭。等B平台投产时，再将B阀打开。因此需要对B阀进行关闭和开启操作。

    海底管道基盘由潜水员采用饱和潜水的方式安装，海管系统试压完毕后，由潜水员采用特殊工具（图3）将海底管道阀门B关闭。

图3 潜水员使用的海底管道球阀操作工具

    B平台投产时，需要将处于关闭状态的球阀B开启。此时，由于饱和潜水支持船已经复原，故采用ROV搭载扭矩工具来开启，ROV应为工作型，操作工具与陆地测试时使用的相同。球阀关闭时，ROV接口处指针指向字母S。球阀开启时，ROV接口处指针指向字母O（图4）。

（a）阀门处于关闭状态   （b）阀门处于开启状态

图4 海底管道球阀关闭和开启状态

 7 结语

    深海油气开采是未来资源开发的发展趋势，海底管道阀门是海底管道管汇等设备的关键部件，将得到越来越广泛的应用。