水下隔離閥系統(tǒng)設(shè)計研究

劉立新，范玉楊，李剛，蘇鋒，張汝斌

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

隨著海洋油氣資源開發(fā)的發(fā)展，特別是深水油氣資源的開發(fā)，保護(hù)海上油氣開采作業(yè)的安全，降低事故發(fā)生的風(fēng)險，是海洋工程領(lǐng)域工程師面臨的重大挑戰(zhàn)。油氣資源通過海底管線輸送的中心平臺處，一旦發(fā)生泄漏，就可能引起中心平臺的持續(xù)性火災(zāi)或者災(zāi)難性爆炸。通過設(shè)置水下隔離閥系統(tǒng)，能夠在平臺發(fā)生火災(zāi)或可燃?xì)怏w嚴(yán)重泄漏時及時切斷平臺近端立管和海底管道的隔離，確保人員和設(shè)施的安全，降低因海底管道泄漏引發(fā)的嚴(yán)重后果[1]。本文對水下隔離系統(tǒng)的組成，系統(tǒng)設(shè)計，總體設(shè)計進(jìn)行了研究和分析，論述了水下隔離系統(tǒng)設(shè)計過程中的要點，為海洋油氣開發(fā)水下隔離系統(tǒng)的設(shè)計提供借鑒。

圖1 典型水下隔離閥系統(tǒng)原理圖

1 水下隔離閥系統(tǒng)組成

典型水下隔離閥系統(tǒng)是由液壓動力單元、控制臺、臍帶纜上部終端、臍帶纜、臍帶纜水下終端、電液飛線和水下隔離閥組成。液壓動力單元、控制臺、臍帶纜上部終端位于水面以上的平臺或者浮式設(shè)施上。臍帶纜，臍帶纜水下終端、電液飛線連接水上和水下的設(shè)備，傳遞液壓和通訊信號。

2 水下隔離閥系統(tǒng)設(shè)計

因水下隔離閥系統(tǒng)設(shè)備昂貴，投資費(fèi)用高達(dá)千萬元以上，在油氣項目進(jìn)行前期方案設(shè)計時，需要對水下隔離系統(tǒng)的設(shè)置進(jìn)行定量風(fēng)險評估，結(jié)合成本收益分析水下隔離系統(tǒng)設(shè)置的必要性[2]。定量風(fēng)險評估方法如下所示：

①估算天然氣外輸立管和海底管道的儲存量，并確定操作條件和氣體組分；

②分別模擬有無水下隔離閥系統(tǒng)情況下水上和水下泄漏，包括泄漏速率隨時間的變化和泄漏持續(xù)時間；

③估算上述泄漏場景的發(fā)生頻率；

④評估泄漏場景的潛在后果，如氣體擴(kuò)散、火災(zāi)和爆炸；

⑤評估識別出的火災(zāi)爆炸場景的升級潛力；

⑥評估事故后果的影響，包括人員傷亡、財產(chǎn)損失和環(huán)境污染；

⑦評估安裝水下隔離閥對降低風(fēng)險的影響；

⑧分析安裝水下隔離閥的成本。

水下隔離閥系統(tǒng)設(shè)計時通常要突出系統(tǒng)的可靠性。水下隔離閥的控制系統(tǒng)采用失效安全型設(shè)計，當(dāng)接到關(guān)閉指令或失去平臺提供的液壓時，閥門在執(zhí)行器彈簧的作用下關(guān)閉。閥位狀態(tài)信號由安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上位置傳感器經(jīng)過臍帶纜中的電纜傳遞到控制臺。水下隔離閥也可用水下機(jī)器人（ROV）或者潛水員操作閥門開關(guān)。

水下隔離閥系統(tǒng)通常采用直接液壓控制系統(tǒng)。直接液壓控制系統(tǒng)的每一個液動閥配有一根單獨的液壓控制管線，通過上部控制系統(tǒng)直接控制水下隔離閥，在水下無需配置控制設(shè)備。直接液壓控制系統(tǒng)設(shè)備簡單，可靠性也高。缺點是控制數(shù)量相對較少，反應(yīng)速度受控制路徑影響大一般很慢，直接液壓系統(tǒng)多用于控制路徑較短的工況，適合控制路徑在3km以內(nèi)[3]。

圖2 直接液壓控制系統(tǒng)原理圖

液壓壓力等級，根據(jù)API 17F的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，通常液壓系統(tǒng)設(shè)計壓力為5000psi，清潔度要求為SAE AS 4059 Class 6或者 ISO 4406 Class -/15/12。為了保護(hù)環(huán)境，水下液壓控制系統(tǒng)通常采用水基液壓控制液。

水下隔離閥系統(tǒng)除滿足設(shè)計水深要求外，水下隔離閥系統(tǒng)應(yīng)能在任何內(nèi)壓條件下(從全真空到設(shè)計壓力)，滿足系統(tǒng)關(guān)斷時間要求，在控制系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)進(jìn)行液壓系統(tǒng)分析，判斷系統(tǒng)設(shè)計是否合理。

液壓系統(tǒng)仿真主要目的是判斷液壓系統(tǒng)的響應(yīng)時間是否滿足設(shè)計要求，水下隔離閥系統(tǒng)的關(guān)斷時間宜遵循DNV GL-OS-E201標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。液壓系統(tǒng)設(shè)計時，液壓系統(tǒng)設(shè)計需要確定的參數(shù)包括：液壓動力站輸出壓力，臍帶纜內(nèi)液壓管線的內(nèi)徑，閥門執(zhí)行器參數(shù)，液壓管線路由長度等。

水下隔離閥的信號系統(tǒng)主要目的是將閥門位置傳感器的信號傳遞到上部控制臺，需要考慮配電和信號傳輸。通常水下隔離閥均分散布置在近平臺處海管或立管上，距離通常在幾百米到1公里以內(nèi)，因此模擬電流信號和干觸點信號均可以實現(xiàn)該距離的閥位反饋的功能。直流電壓信號經(jīng)過長距離傳輸會有所衰減，而且容易受到干擾，干觸點限位開關(guān)作為首選。若實施工況特殊原因需要采用4-20mA模擬信號實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊，應(yīng)根據(jù)（激勵電壓Ue－變送器允許的最小工作電壓Umin）≥輸出電流I×電流環(huán)路總電阻r，選擇合適的導(dǎo)線。

3 水下隔離閥系統(tǒng)總體設(shè)計

水下隔離閥應(yīng)用在導(dǎo)管架平臺時，通常布置在靠近導(dǎo)管架附近的海床上。當(dāng)在深水項目中應(yīng)用時，為了降低人員風(fēng)險概率，減少事故升級的概率，水下隔離閥可以布置在浮式平臺的浮箱上[4]。

圖3 布置在海床上的水下隔離閥下放安裝

圖4 布置在浮式平臺的浮箱上的水下隔離閥

由于水下隔離閥設(shè)備昂貴，因此水下隔離閥系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計時應(yīng)充分考慮對設(shè)備保護(hù)。針對位于海床的水下隔離閥系統(tǒng)，宜設(shè)計單獨的可回收式保護(hù)結(jié)構(gòu)，保護(hù)結(jié)構(gòu)需要覆蓋閥門等重要設(shè)備且便于水下機(jī)器人（ROV）或潛水員操作。通常情況下，水下臍帶纜終端可單獨成橇，也可與水下隔離閥共用結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

針對位于浮式平臺浮箱上的水下隔離閥系統(tǒng)，宜為閥門、臍帶纜、水下臍帶纜終端、電飛線，液飛線等設(shè)備設(shè)計保護(hù)結(jié)構(gòu)，防止在拖航和操作期間設(shè)備受損。尤其注意位于海平面附近的設(shè)備，應(yīng)考慮防浪保護(hù)，保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮浮式平臺的運(yùn)動加速度。

水下隔離閥的執(zhí)行器，應(yīng)集成本地位置指示以及位置傳感器，位置傳感器的信號應(yīng)通過臍帶纜回傳到上部的控制臺。水下隔離閥執(zhí)行器宜設(shè)計為可回收形式，同時應(yīng)考慮回收操作和連接接口的匹配性和回收后接口的保護(hù)。

4 結(jié)語

水下隔離閥系統(tǒng)由液壓動力單元、控制臺、臍帶纜上部終端、臍帶纜、臍帶纜水下終端、電液飛線和水下隔離閥組成相對獨立的水下系統(tǒng)，采用失效安全型設(shè)計，直接液壓水下控制系統(tǒng)操作水下閥門，通過位置傳感器反饋閥門狀態(tài)。水下隔離閥通常布置在靠近導(dǎo)管架附近的海床上，也可布置在浮式平臺的浮箱上，在設(shè)計中要考慮對設(shè)備的拖航和操作期間的防護(hù)。本文對水下隔離系統(tǒng)的組成和設(shè)計重點進(jìn)行了研究，論述了在設(shè)計過程中的重要原則和設(shè)計方案，對水下隔離閥系統(tǒng)的設(shè)計具有借鑒意義。