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(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)項目中兩臺海底管道球閥(以下簡稱球閥)的實際應(yīng)用為例,介紹海底管道球閥的選型設(shè)計、陸地測試和海底操作。
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)點是能夠?qū)崿F(xiàn)自動開啟和關(guān)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(fù)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(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(shè)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)閉海底管道閥門時,不能實現(xiàn)應(yīng)急關(guān)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(jìn)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(jìn)行操作。
4 選型設(shè)計
4.1 主要技術(shù)指標(biāo)
球閥選型設(shè)計時主要考慮設(shè)計使用壽命、設(shè)計溫度、設(shè)計壓力、球閥形式、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、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(biāo)準(zhǔn)和閥門制造等級等。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、第三方檢驗范圍和內(nèi)容、閥門及執(zhí)行機(jī)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(jìn)行技術(shù)澄清時,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(shè)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(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密封面積差。當(dāng)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(dāng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yīng)該對其功能進(jìn)行測試。主要是測試其打開和關(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(jìn)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(jìn)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(guān)閉。等B平臺投產(chǎn)時,再將B閥打開。因此需要對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平臺投產(chǎn)時,需要將處于關(guān)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(fù)原,故采用ROV搭載扭矩工具來開啟,ROV應(yīng)為工作型,操作工具與陸地測試時使用的相同。球閥關(guān)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(guān)閉狀態(tài) (b)閥門處于開啟狀態(tài)
圖4 海底管道球閥關(guān)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(shè)備的關(guān)鍵部件,將得到越來越廣泛的應(yīng)用。