通用型FPSO閥門選型及分類方法

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

0 引 言

在海洋油氣開發(fā)工程中，F(xiàn)PSO以其生產(chǎn)系統(tǒng)投產(chǎn)快、投資低、承重能力和抗惡劣環(huán)境能力強、儲油能力大、應用靈活、移動方便等優(yōu)勢被廣泛使用。出于經(jīng)濟性考慮，F(xiàn)PSO通常長期服役于深海進行不間斷生產(chǎn)。一般FPSO的設(shè)計使用壽命為25 a，對防腐耐久性措施要求十分嚴格。由于FPSO集油氣生產(chǎn)、儲存外輸、生活起居等眾多功能于一身，其管線系統(tǒng)眾多，閥門作為全船流體輸送系統(tǒng)的控制部件，是管網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分，對FPSO閥門的要求遠高于普通船舶，選型正確與否直接影響系統(tǒng)可靠性。因此，閥門的選型設(shè)計應在設(shè)計標準、結(jié)構(gòu)形式、材料等各個方面作全面的考量，對閥門進行細致、科學的分類，以便在相同船型項目中進行閥門的快速、準確選用設(shè)計。

目前在FPSO上使用的閥門產(chǎn)地眾多，生產(chǎn)質(zhì)量參差不齊，雖然有閥門設(shè)計標準和各類國際規(guī)定作為約束，但仍存在一定的彈性空間，導致相同船型的閥門質(zhì)量良莠不齊。本文細化閥門數(shù)據(jù)表，從設(shè)計源頭對閥門生產(chǎn)質(zhì)量作清晰的要求，保證閥門質(zhì)量符合FPSO的使用要求。

1 閥門選型

1.1 設(shè)計標準體系

以ANSI、ASME、API、MSS、ASTM為代表的美國標準體系是目前世界上最具影響力的標準體系，基本每4～5 a修訂一次，常被國際標準化組織和歐盟作為參考依據(jù)。美標閥門以其設(shè)計結(jié)構(gòu)合理、生產(chǎn)細節(jié)要求嚴格明確、檢驗體系完整等優(yōu)勢，成為海洋裝備工程設(shè)計的首選。

API標準和MSS標準是閥門設(shè)計及產(chǎn)品檢驗的標準，按照此類標準設(shè)計的閥門通常引用ASME標準來要求閥門的結(jié)構(gòu)尺寸、連接端面和溫壓范圍等，而閥門材料則可在ASTM標準所定義的材料中進行選擇。適用于FPSO的常用美國閥門標準如表1所示。

表1 適用于FPSO的常用美國閥門標準

1.2 閥門結(jié)構(gòu)型式選用原則

常見的閥門結(jié)構(gòu)型式有球閥、蝶閥、止回閥、閘閥和截止閥，主要實現(xiàn)管路中介質(zhì)的截流、分流及流向調(diào)整的功能，具體選型根據(jù)閥門在管路中的位置、服務(wù)系統(tǒng)的不同而不同。

球閥的流通面積可至全通徑，即開啟時的流阻為0，在較大的壓力范圍內(nèi)可實現(xiàn)完全密封，適用于要求快速啟閉的場合，也適用于密封性能要求高的氣體介質(zhì)系統(tǒng)和泄放系統(tǒng)。三通球閥可實現(xiàn)分流功能，其結(jié)構(gòu)相對復雜、用料多，考慮到成本和質(zhì)量，在非必要情況下盡量用于2英寸及以下管路。

蝶閥結(jié)構(gòu)簡單、體型小且造價便宜，常代替球閥和閘閥被廣泛應用于大口徑管路，與球閥和閘閥相比，蝶閥引起的管路壓力損失較大，適用于對壓力損失要求不嚴的系統(tǒng)。

閘閥開啟時對管路阻力小，其形式結(jié)構(gòu)簡單，但閥瓣開啟進程長，對安裝空間的高度有要求，適用于蒸氣、油介質(zhì)管路，也適用于含有固體顆粒介質(zhì)的管路。

截止閥的閥瓣開啟與關(guān)閉之間行程小，密封面能承受多次啟閉，可用于頻繁開關(guān)的場合，也可作截斷、調(diào)節(jié)或節(jié)流使用。但其對管路的流阻影響較大，不適用于液壓系統(tǒng)等對管路壓損要求嚴格的系統(tǒng)。

止回閥常用于泵出口處。介質(zhì)施加在閥瓣上的作用力觸發(fā)其開啟與關(guān)閉動作，同時閥瓣的預緊力決定閥門的開啟程度，為避免閥門對管路流阻的影響過大，在選用時須與生產(chǎn)廠商確認閥門的流量系數(shù)(Cv值)。

根據(jù)以上選用原則，當上述閥門用作截斷閥時，F(xiàn)PSO各系統(tǒng)閥門選型如表2所示。

表2 FPSO管路系統(tǒng)閥門結(jié)構(gòu)類型

1.3 閥門材料選用原則

1.3.1 介質(zhì)溫壓特性對材料選擇的影響

閥門的承壓隨使用環(huán)境溫度的變化而變化，因此系統(tǒng)的溫壓特性在一定程度上影響閥門的材料選擇。標準ASME B16.34、ASME B16.24和ASME B16.42對不同材質(zhì)的溫壓變化作了詳細說明，當確定系統(tǒng)設(shè)計壓力及溫度后，可參照標準判斷材料和磅級的適用性。例如，在FPSO的消防系統(tǒng)中，閥門材質(zhì)為青銅或鎳鋁青銅，依據(jù)ASME B16.24(2016)[8]中的定義，2.0 MPa的銅合金在常溫下可用于系統(tǒng)設(shè)計壓力最高為16.3 bar(1 bar=105Pa)的系統(tǒng)管路，若系統(tǒng)設(shè)計壓力超過16.3 bar，則銅合金閥門須為5.0 MPa。

1.3.2 介質(zhì)腐蝕特性對材料選擇的影響

閥門材料的選擇與流通介質(zhì)密切相關(guān)，尤其是介質(zhì)的腐蝕特性直接決定閥門的使用壽命，因此針對不同介質(zhì)選用適宜的材質(zhì)可有效減少閥門的損傷。

FPSO管路系統(tǒng)中介質(zhì)及常用閥門材料的選用歸納如表3所示。

表3 FPSO管路系統(tǒng)材料選型歸納

值得注意的是，ASME B16.34[9]標準定義的閥體最小壁厚并未考慮腐蝕裕量，因此在閥門采購時須與生產(chǎn)廠商就閥門使用過程中的環(huán)境腐蝕進行溝通，確定閥體的最終壁厚。

1.3.3 異種材料接觸對材料選型的影響

除了介質(zhì)會對閥門造成腐蝕以外，還須注意異種重金屬材質(zhì)接觸時的電偶腐蝕。電偶腐蝕發(fā)生在不同種金屬在同一電解質(zhì)溶液環(huán)境下相接觸的情況下，由于不同金屬之間存在電位差，因此電位較低的金屬將加速腐蝕。閥門的電偶腐蝕通常發(fā)生在閥門與管件及螺栓與螺母之間，或閥門內(nèi)部部件之間。例如，碳鋼與銅相接處，同時處于海水介質(zhì)中，此時碳鋼的腐蝕速率高于單獨處于介質(zhì)中的腐蝕速率。因此，在選擇流通介質(zhì)為電解質(zhì)的閥門材質(zhì)時，材料之間須充分考慮電腐蝕的可能性，并且在決定閥體材質(zhì)時，應確保閥體與管路連接管件材質(zhì)相同，若無法避免，則可考慮在閥門與連接件之間用絕緣墊片和特涂螺栓螺母進行隔離，如圖1所示。

圖1 連接異種材質(zhì)法蘭間的絕緣墊片和特涂螺栓螺母

1.3.4 規(guī)范規(guī)定對材料選擇的影響

船級社規(guī)范和國際公約對用于特定位置或關(guān)鍵系統(tǒng)中的材質(zhì)有一定限制。例如：BV規(guī)范規(guī)定，銅或銅合金不可用于連接船體外板的場合，即銅合金閥門無法作為舷側(cè)閥用于排舷外管或海底門上；而ABS和CCS規(guī)范則規(guī)定，原油管路中的所有管件及閥門均應由鋼質(zhì)或滿足一定延展性能的球墨鑄鐵材料制成。

2 閥門檢驗

2.1 常規(guī)檢驗

閥門的常規(guī)檢驗包含針對原材料的檢驗和閥門組裝完成后的密封性能試驗。

對原材料的檢驗有目視檢測和無損探傷(包含磁粉探傷、著色探傷和射線探傷)，在閥體鍛造或鑄造成型后進行，可對鍛造或鑄造質(zhì)量進行直觀判斷，試驗程序根據(jù)ASME BPV 規(guī)范第5節(jié)。密封性能試驗則根據(jù)API 598，將閥門置于一定壓力環(huán)境下，觀察閥體、密封面的泄漏情況，判斷閥門功能是否正常。

2.2 耐火試驗

用于特定系統(tǒng)中的閥門需通過耐火試驗。閥門耐火試驗是為了衡量閥門的耐火性能，即在遭受一段時間的火燒后仍具有一定的密封性和操作性。船級社規(guī)定用于消防系統(tǒng)、貨油系統(tǒng)的材質(zhì)須避免“加熱失效”，因此，用于這類系統(tǒng)的閥門須通過耐火試驗證明材質(zhì)符合規(guī)定。通常認為閥門耐火試驗僅針對軟密封材質(zhì)閥門，但事實上閥門的耐火性能不僅與材質(zhì)相關(guān)，而且也與閥門結(jié)構(gòu)相關(guān)。國際上有多種耐火試驗標準：ANSI/API 607適用于“軟閥座四分之一轉(zhuǎn)的閥門”，如符合API 608標準的球閥、API 609標準的蝶閥；API 6FA適用于“管線用閥門或井口用閥門”，如符合API 6D標準的球閥、旋塞閥、閘閥，以及符合API 6A標準的平板閘閥等；API 6FD適用于“管線用閥門或井口用止回閥”，如符合API 6D、API 6A的止回閥；ISO 10497適用于“具有耐火結(jié)構(gòu)的各種閥門”。

2.3 船級社檢驗

為確保高等級管線的質(zhì)量，根據(jù)船級社規(guī)范以及系統(tǒng)設(shè)計溫度、壓力，可對管線進行等級劃分，在生產(chǎn)過程中由船級社對設(shè)計圖紙、原材料、生產(chǎn)質(zhì)量等進行監(jiān)管、檢驗，并為此出具證書。閥門作為管線系統(tǒng)的組成部分，等級劃分原則與管線相同。除貨油系統(tǒng)外，各船級社對FPSO各系統(tǒng)管線等級劃分依照表4所列原則。

表4 常用船級社管線等級劃分

貨油系統(tǒng)等級定義各船級社存在差異：ABS和CCS規(guī)定貨油系統(tǒng)管路為Ⅲ級管路；DNV規(guī)定該系統(tǒng)管路與燃油系統(tǒng)管路等級劃分原則一致；BV規(guī)定該系統(tǒng)管路為Ⅰ級管路，在實際工程項目中須特別注意。

3 閥門分類方法

3.1 編碼分類

閥門的分類方法通常有以下幾種：按功能、按適用壓力及溫度、按材質(zhì)、按操作方式等，每一種分類方法均只表現(xiàn)閥門的某一特性，但在實際應用中需要綜合考慮閥門的特性才能保證正確的使用。其為每一特征位進行編碼，則一串組合編碼即可識別一類關(guān)鍵特征相同的閥門。用編碼形式可對閥門進行更加細化的分類，便于實際應用中準確選用。編碼結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 閥門分類編碼結(jié)構(gòu)

結(jié)合FPSO常用的閥門類型及系統(tǒng)功能設(shè)計要求，具體閥門分類如表5所示。

表5 FPSO閥門分類編碼說明

依照上述編碼，“VBAC01FAAR”表示碳鋼2.0 MPa凸面法蘭分體式浮動球閥，且為防火設(shè)計，須按照船級社規(guī)定的一級閥取證。

3.2 閥門數(shù)據(jù)表集編制

通過抽象的編碼可以表述閥門的關(guān)鍵特征，而編碼唯一指向的閥門數(shù)據(jù)表則可對一類閥門的特征進行更加直觀的展現(xiàn)。

在編制閥門數(shù)據(jù)表前，將需要選型的各用途閥門類型統(tǒng)計到一份匯總清單里，如表6所示。

表6 閥門選型統(tǒng)計清單

收集閥門數(shù)據(jù)后，選用VLOOKUP函數(shù)，將表6中的內(nèi)容一一對應填入圖3所示的閥門數(shù)據(jù)表中。

圖3 閥門數(shù)據(jù)表示例

VLOOKUP函數(shù)只適用于兩張表之間簡單的單次數(shù)據(jù)讀寫功能操作，對于建立種類繁多的“通用型FPSO閥門數(shù)據(jù)表集”的批量編制或修改工作并不現(xiàn)實。如何在整合信息后為每一種閥門單獨制表成為實現(xiàn)表集的關(guān)鍵。

若將一張表格中的值逐行循環(huán)寫入多表格中的某一指定位置，則編寫一套VBA(Visual Basic for Applications)程序即可實現(xiàn)自動完成多表格編制功能。VBA是Visual Basic的一種宏語言，是由微軟開發(fā)的在其桌面應用程序中執(zhí)行通用自動化任務(wù)的編程語言，主要用來擴展Windows的應用程序功能，特別是Microsoft Office軟件，可模擬人工操作，完成一些瑣碎重復的工作。

利用編制的VBA程序，將“閥門選型統(tǒng)計清單”中的每一列與“閥門數(shù)據(jù)表”中的每一單元格關(guān)聯(lián)起來，具體操作如圖4所示，并將數(shù)據(jù)清單中的每一列信息逐一填寫至數(shù)據(jù)表指定位置，循環(huán)操作至指定末尾行，最終形成表集。

圖4 嵌入VBA程序的閥門選型統(tǒng)計清單

通過對FPSO常用閥門類型數(shù)據(jù)的收集，并集合數(shù)據(jù)表形成“通用型FPSO閥門數(shù)據(jù)表集”，可實現(xiàn)該船型閥門選型的標準化設(shè)計。

4 結(jié) 語

分析FPSO閥門使用的環(huán)境、流通介質(zhì)等，為其量身定制閥門選型方案，最終形成“通用型FPSO閥門數(shù)據(jù)表集”，實現(xiàn)此類船型閥門選型的標準化設(shè)計，大幅提升閥門設(shè)計的準確率。另外，通用閥門數(shù)據(jù)表可作為采購技術(shù)要求，減少采購過程中因考慮不周或與廠商溝通不足而導致的采購錯誤。