海管水下帶壓開孔隔離閥的應(yīng)用分析

柳宇，屈軒武，李晶，陳俊友，李剛，肖清軍，姚輝

（深圳海洋工程技術(shù)服務(wù)有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

海底管道作為海上油氣田開發(fā)的重要組成部分，當(dāng)新開發(fā)的油氣田為管道輸送需新建較長海底管道時，往往因投資成本高，從而使油田開發(fā)工程的收益率降低，此時需考慮使用較低成本的輸送方案，例如從油田就近點(diǎn)接入至現(xiàn)存在役管線，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)輸送，從而避免鋪設(shè)長距離管道，降低開發(fā)成本。

我國現(xiàn)役海管近7000 km，分布在渤海、東海和南海，部分油田的海管服役期已超過了10 a，甚至有一些超過了20 a。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2000年以來總共出現(xiàn)54次海管泄漏或者破損情況，管道由于外力、環(huán)境、腐蝕及自身材料的綜合影響，隨著服役時間的增加，損壞的概率不斷增加，對管道損壞進(jìn)行應(yīng)急搶修也成為各海上油田關(guān)注的重點(diǎn)。

帶壓開孔技術(shù)作為管道在線介入的一種方案，是將管件、隔離閥及開孔機(jī)連接至在役生產(chǎn)管線上，通過隔絕管線與外界環(huán)境介質(zhì)，使用開孔機(jī)在管件內(nèi)以機(jī)械鉆孔和切削方式，對在役生產(chǎn)管線開孔，無需生產(chǎn)管線停輸，借助帶壓開孔可在現(xiàn)有管線上形成新的支路管線，該技術(shù)可應(yīng)用在管線修復(fù)、改造和接入/接出中，具有如下優(yōu)點(diǎn)：1）大幅減少管道鋪設(shè)長度，降低新建項(xiàng)目的建設(shè)費(fèi)用；2）開孔管線無需停輸，減少停產(chǎn)損失；3）在停-修-重啟的過程中節(jié)約大量資源；4）減少管道內(nèi)介質(zhì)排空，從而保護(hù)環(huán)境。因此，帶壓開孔在海洋石油工程中具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。

1 海管水下帶壓開孔技術(shù)特點(diǎn)

陸地管線帶壓開孔時常采用永久管件直接焊接至管道上，然后將開孔機(jī)、隔離閥等設(shè)施安裝至永久管件上，按步驟進(jìn)行開孔作業(yè)。陸地管線帶壓開孔可根據(jù)開孔機(jī)相對管線的位置分為：1）水平開孔，開孔機(jī)、管件等與海管處于同一平面；2）豎直開孔，開孔機(jī)、管件垂直于管道，處于其正上方；3）斜向開孔，開孔機(jī)、管件相對管線成一定傾角（如圖1）。

圖1 陸地管線帶壓開孔分類

海底管道由于處于水下環(huán)境，永久管件水下焊接技術(shù)通常由于焊接后強(qiáng)度無法達(dá)到要求，故無法與海管采用焊接進(jìn)行連接，因此需使用機(jī)械式三通來配合開孔機(jī)、隔離閥等設(shè)施進(jìn)行水下帶壓開孔，而形式主要分為水平開孔和豎直開孔，其優(yōu)缺點(diǎn)如表1[2]所示。

表1 海管水平開孔和垂直開孔優(yōu)缺點(diǎn)

海管水下帶壓開孔隔離閥有夾板閥和球閥兩種，各適用于不同形式的水下帶壓開孔中，下文將就這兩種閥門的應(yīng)用逐一進(jìn)行分析。

2 夾板閥結(jié)構(gòu)組成和應(yīng)用場景分析

2.1 夾板閥的結(jié)構(gòu)組成

夾板閥又稱三明治閥，通常由上、中、下3片閥體、閥芯和驅(qū)動閥芯開閉的絲杠等主要部件組成（如圖2），夾板閥是帶壓開孔中應(yīng)用較為常見的一種閥門，利用閘閥的原理實(shí)現(xiàn)對管道內(nèi)介質(zhì)的阻斷。

圖2 夾板閥主體結(jié)構(gòu)示意圖

上、中、下3片閥體通過螺栓連接，閥體之間利用密封圈進(jìn)行密封，閥芯通過絲杠帶動可在中閥體的空腔體內(nèi)移動，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)閥。絲杠通常使用液壓驅(qū)動，同時為了平衡上下閥體內(nèi)介質(zhì)壓力，配有旁通閥，當(dāng)需要開關(guān)閥時，首先打開旁通閥進(jìn)行上下閥體內(nèi)壓力平衡，然后再進(jìn)行開關(guān)閥操作。夾板閥的密封形式是在閥芯兩側(cè)加工凹槽，通過壓圈固定O形圈形成硬密封，但該硬性密封僅能實(shí)現(xiàn)單向密封，即單側(cè)受壓時僅有一道密封起作用，當(dāng)閥芯兩側(cè)壓力不能達(dá)到完全平衡時，驅(qū)動閥芯進(jìn)行開關(guān)閥操作時可能會導(dǎo)致受力側(cè)密封圈被剪切從而造成泄漏[3-4]。

2.2 夾板閥在水下帶壓開孔的應(yīng)用場景分析

結(jié)合開孔的形式、管道穩(wěn)定性需求、密封冗余安全，夾板閥在水下帶壓開孔場景中應(yīng)用分析如下：

1）與水平開孔相比，垂直開孔在開孔過程中產(chǎn)生的金屬碎屑由于自重影響，被開孔機(jī)帶回閥體內(nèi)概率較小，而夾板閥閥芯在開合過程中對控制碎屑落入閥體密封面要求較高，因此夾板閥較適用于水下垂直開孔作業(yè)。

2）與隔離球閥相比，夾板閥擁有體積和質(zhì)量相對較小，能避免對管道的局部強(qiáng)度造成影響，可用在海管水下垂直帶壓開孔修復(fù)。

3）密封冗余安全，夾板閥的密封為單側(cè)密封，沒有冗余，啟閉閥芯時與閥座相接觸的兩密封面之間會有相對滑動，在介質(zhì)力作用下易產(chǎn)生擦傷，從而破壞密封性能，影響使用壽命，因此夾板閥不適合作為隔離閥用在海管帶壓接入/接出至已存生產(chǎn)管線。

3 水下球閥結(jié)構(gòu)組成和應(yīng)用場景分析

3.1 水下球閥的結(jié)構(gòu)組成

水下帶壓開孔球閥其主要由閥桿、閥蓋、閥座、球體、閥體、聯(lián)軸器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成（如圖3）。其工作原理為：潛水員或水下機(jī)器人通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)矩傳到閥桿，由閥桿帶動球體在閥體內(nèi)沿閥桿軸線作90°旋轉(zhuǎn)，當(dāng)球體通徑與閥體袖筒中心線垂直或者重合時，球閥呈現(xiàn)關(guān)閉或開啟狀態(tài)[5]。

圖3 水下球閥結(jié)構(gòu)示意圖

球閥的密封原理是：在預(yù)緊力/介質(zhì)壓力作用下，產(chǎn)生推力，將閥座推向球體，從而實(shí)現(xiàn)閥座與球體的壓緊形成密封。對固定球閥而言，其閥座形式可分為單活塞效應(yīng)（single piston effect，簡稱SPE）和雙活塞效應(yīng)（double piston effect，簡稱DPE）。單活塞閥座只能在一個方向?qū)崿F(xiàn)密封。而雙活塞閥座，兩個方向都能實(shí)現(xiàn)密封。

球閥兩側(cè)的閥座形式的不同，可將球閥分為：1）DBB球閥（double block and bleed valve，雙阻塞和排放閥），其特點(diǎn)是兩只閥座均為單向密封SPE形式；2）DIB-1球閥（double isolation and bleed valve，雙隔離和排放閥），其特點(diǎn)是兩只閥座都是雙向密封DPE形式（也即雙活塞閥座）；3）DIB-2球閥其特點(diǎn)是一只閥座為單向密封SPE形式（單活塞閥座），另一只閥座為雙向密封DPE形式（雙活塞閥座），這幾種形式球閥密封性能對比如表2所示[6-8]。

表2 DBB與DIB球閥密封性能對比

3.2 水下球閥在水下帶壓開孔的應(yīng)用場景分析

結(jié)合開孔的形式、管道穩(wěn)定性需求、密封冗余安全，球閥在水下帶壓開孔場景中應(yīng)用分析如下：

1）雖然水平開孔過程中，金屬碎屑被開孔機(jī)帶回閥體內(nèi)概率較大，但球閥在進(jìn)行開合時，對控制碎屑落入閥體的敏感性不如夾板閥要求那么高，因此球閥較適合用在水平帶壓開孔作用中。

2）球閥因體積和質(zhì)量相對較大，適合水平放置，這樣避免將重力從垂直方向作用在海管上，對海管局部強(qiáng)度造成影響，因此多用于水平帶壓開孔回接。

3）密封冗余安全，水下帶壓開孔球閥通常選用DIB-1或DIB-2類型球閥，確保至少一側(cè)密封有冗余，因此球閥較適合作為隔離閥用在海管帶壓回接中，當(dāng)選擇DIB-2類型球閥作為隔離球閥時，需考慮球閥安裝方向要求。

4 結(jié)論

1）夾板閥由于其體積和質(zhì)量小，對碎屑落入閥體要求較高，且密封無冗余，可作為隔離閥在海管水下垂直帶壓開孔修復(fù)中。

2）球閥因體積和質(zhì)量大，對碎屑落入閥體要求不如夾板閥高，密封有冗余，可作為永久隔離閥用在海管水下水平帶壓開孔回接中，對于DIB-2類型球閥在水下安裝時需關(guān)注其安裝方向要求。