通用型FPSO阀门选型及分类方法

(上海外高桥造船有限公司， 上海 200137)

0 引 言

在海洋油气开发工程中，FPSO以其生产系统投产快、投资低、承重能力和抗恶劣环境能力强、储油能力大、应用灵活、移动方便等优势被广泛使用。出于经济性考虑，FPSO通常长期服役于深海进行不间断生产。一般FPSO的设计使用寿命为25 a，对防腐耐久性措施要求十分严格。由于FPSO集油气生产、储存外输、生活起居等众多功能于一身，其管线系统众多，阀门作为全船流体输送系统的控制部件，是管网的关键组成部分，对FPSO阀门的要求远高于普通船舶，选型正确与否直接影响系统可靠性。因此，阀门的选型设计应在设计标准、结构形式、材料等各个方面作全面的考量，对阀门进行细致、科学的分类，以便在相同船型项目中进行阀门的快速、准确选用设计。

目前在FPSO上使用的阀门产地众多，生产质量参差不齐，虽然有阀门设计标准和各类国际规定作为约束，但仍存在一定的弹性空间，导致相同船型的阀门质量良莠不齐。本文细化阀门数据表，从设计源头对阀门生产质量作清晰的要求，保证阀门质量符合FPSO的使用要求。

1 阀门选型

1.1 设计标准体系

以ANSI、ASME、API、MSS、ASTM为代表的美国标准体系是目前世界上最具影响力的标准体系，基本每4～5 a修订一次，常被国际标准化组织和欧盟作为参考依据。美标阀门以其设计结构合理、生产细节要求严格明确、检验体系完整等优势，成为海洋装备工程设计的首选。

API标准和MSS标准是阀门设计及产品检验的标准，按照此类标准设计的阀门通常引用ASME标准来要求阀门的结构尺寸、连接端面和温压范围等，而阀门材料则可在ASTM标准所定义的材料中进行选择。适用于FPSO的常用美国阀门标准如表1所示。

表1 适用于FPSO的常用美国阀门标准

1.2 阀门结构型式选用原则

常见的阀门结构型式有球阀、蝶阀、止回阀、闸阀和截止阀，主要实现管路中介质的截流、分流及流向调整的功能，具体选型根据阀门在管路中的位置、服务系统的不同而不同。

球阀的流通面积可至全通径，即开启时的流阻为0，在较大的压力范围内可实现完全密封，适用于要求快速启闭的场合，也适用于密封性能要求高的气体介质系统和泄放系统。三通球阀可实现分流功能，其结构相对复杂、用料多，考虑到成本和质量，在非必要情况下尽量用于2英寸及以下管路。

蝶阀结构简单、体型小且造价便宜，常代替球阀和闸阀被广泛应用于大口径管路，与球阀和闸阀相比，蝶阀引起的管路压力损失较大，适用于对压力损失要求不严的系统。

闸阀开启时对管路阻力小，其形式结构简单，但阀瓣开启进程长，对安装空间的高度有要求，适用于蒸气、油介质管路，也适用于含有固体颗粒介质的管路。

截止阀的阀瓣开启与关闭之间行程小，密封面能承受多次启闭，可用于频繁开关的场合，也可作截断、调节或节流使用。但其对管路的流阻影响较大，不适用于液压系统等对管路压损要求严格的系统。

止回阀常用于泵出口处。介质施加在阀瓣上的作用力触发其开启与关闭动作，同时阀瓣的预紧力决定阀门的开启程度，为避免阀门对管路流阻的影响过大，在选用时须与生产厂商确认阀门的流量系数(Cv值)。

根据以上选用原则，当上述阀门用作截断阀时，FPSO各系统阀门选型如表2所示。

表2 FPSO管路系统阀门结构类型

1.3 阀门材料选用原则

1.3.1 介质温压特性对材料选择的影响

阀门的承压随使用环境温度的变化而变化，因此系统的温压特性在一定程度上影响阀门的材料选择。标准ASME B16.34、ASME B16.24和ASME B16.42对不同材质的温压变化作了详细说明，当确定系统设计压力及温度后，可参照标准判断材料和磅级的适用性。例如，在FPSO的消防系统中，阀门材质为青铜或镍铝青铜，依据ASME B16.24(2016)[8]中的定义，2.0 MPa的铜合金在常温下可用于系统设计压力最高为16.3 bar(1 bar=105Pa)的系统管路，若系统设计压力超过16.3 bar，则铜合金阀门须为5.0 MPa。

1.3.2 介质腐蚀特性对材料选择的影响

阀门材料的选择与流通介质密切相关，尤其是介质的腐蚀特性直接决定阀门的使用寿命，因此针对不同介质选用适宜的材质可有效减少阀门的损伤。

FPSO管路系统中介质及常用阀门材料的选用归纳如表3所示。

表3 FPSO管路系统材料选型归纳

值得注意的是，ASME B16.34[9]标准定义的阀体最小壁厚并未考虑腐蚀裕量，因此在阀门采购时须与生产厂商就阀门使用过程中的环境腐蚀进行沟通，确定阀体的最终壁厚。

1.3.3 异种材料接触对材料选型的影响

除了介质会对阀门造成腐蚀以外，还须注意异种重金属材质接触时的电偶腐蚀。电偶腐蚀发生在不同种金属在同一电解质溶液环境下相接触的情况下，由于不同金属之间存在电位差，因此电位较低的金属将加速腐蚀。阀门的电偶腐蚀通常发生在阀门与管件及螺栓与螺母之间，或阀门内部部件之间。例如，碳钢与铜相接处，同时处于海水介质中，此时碳钢的腐蚀速率高于单独处于介质中的腐蚀速率。因此，在选择流通介质为电解质的阀门材质时，材料之间须充分考虑电腐蚀的可能性，并且在决定阀体材质时，应确保阀体与管路连接管件材质相同，若无法避免，则可考虑在阀门与连接件之间用绝缘垫片和特涂螺栓螺母进行隔离，如图1所示。

图1 连接异种材质法兰间的绝缘垫片和特涂螺栓螺母

1.3.4 规范规定对材料选择的影响

船级社规范和国际公约对用于特定位置或关键系统中的材质有一定限制。例如：BV规范规定，铜或铜合金不可用于连接船体外板的场合，即铜合金阀门无法作为舷侧阀用于排舷外管或海底门上；而ABS和CCS规范则规定，原油管路中的所有管件及阀门均应由钢质或满足一定延展性能的球墨铸铁材料制成。

2 阀门检验

2.1 常规检验

阀门的常规检验包含针对原材料的检验和阀门组装完成后的密封性能试验。

对原材料的检验有目视检测和无损探伤(包含磁粉探伤、着色探伤和射线探伤)，在阀体锻造或铸造成型后进行，可对锻造或铸造质量进行直观判断，试验程序根据ASME BPV 规范第5节。密封性能试验则根据API 598，将阀门置于一定压力环境下，观察阀体、密封面的泄漏情况，判断阀门功能是否正常。

2.2 耐火试验

用于特定系统中的阀门需通过耐火试验。阀门耐火试验是为了衡量阀门的耐火性能，即在遭受一段时间的火烧后仍具有一定的密封性和操作性。船级社规定用于消防系统、货油系统的材质须避免“加热失效”，因此，用于这类系统的阀门须通过耐火试验证明材质符合规定。通常认为阀门耐火试验仅针对软密封材质阀门，但事实上阀门的耐火性能不仅与材质相关，而且也与阀门结构相关。国际上有多种耐火试验标准：ANSI/API 607适用于“软阀座四分之一转的阀门”，如符合API 608标准的球阀、API 609标准的蝶阀；API 6FA适用于“管线用阀门或井口用阀门”，如符合API 6D标准的球阀、旋塞阀、闸阀，以及符合API 6A标准的平板闸阀等；API 6FD适用于“管线用阀门或井口用止回阀”，如符合API 6D、API 6A的止回阀；ISO 10497适用于“具有耐火结构的各种阀门”。

2.3 船级社检验

为确保高等级管线的质量，根据船级社规范以及系统设计温度、压力，可对管线进行等级划分，在生产过程中由船级社对设计图纸、原材料、生产质量等进行监管、检验，并为此出具证书。阀门作为管线系统的组成部分，等级划分原则与管线相同。除货油系统外，各船级社对FPSO各系统管线等级划分依照表4所列原则。

表4 常用船级社管线等级划分

货油系统等级定义各船级社存在差异：ABS和CCS规定货油系统管路为Ⅲ级管路；DNV规定该系统管路与燃油系统管路等级划分原则一致；BV规定该系统管路为Ⅰ级管路，在实际工程项目中须特别注意。

3 阀门分类方法

3.1 编码分类

阀门的分类方法通常有以下几种：按功能、按适用压力及温度、按材质、按操作方式等，每一种分类方法均只表现阀门的某一特性，但在实际应用中需要综合考虑阀门的特性才能保证正确的使用。其为每一特征位进行编码，则一串组合编码即可识别一类关键特征相同的阀门。用编码形式可对阀门进行更加细化的分类，便于实际应用中准确选用。编码结构如图2所示。

图2 阀门分类编码结构

结合FPSO常用的阀门类型及系统功能设计要求，具体阀门分类如表5所示。

表5 FPSO阀门分类编码说明

依照上述编码，“VBAC01FAAR”表示碳钢2.0 MPa凸面法兰分体式浮动球阀，且为防火设计，须按照船级社规定的一级阀取证。

3.2 阀门数据表集编制

通过抽象的编码可以表述阀门的关键特征，而编码唯一指向的阀门数据表则可对一类阀门的特征进行更加直观的展现。

在编制阀门数据表前，将需要选型的各用途阀门类型统计到一份汇总清单里，如表6所示。

表6 阀门选型统计清单

收集阀门数据后，选用VLOOKUP函数，将表6中的内容一一对应填入图3所示的阀门数据表中。

图3 阀门数据表示例

VLOOKUP函数只适用于两张表之间简单的单次数据读写功能操作，对于建立种类繁多的“通用型FPSO阀门数据表集”的批量编制或修改工作并不现实。如何在整合信息后为每一种阀门单独制表成为实现表集的关键。

若将一张表格中的值逐行循环写入多表格中的某一指定位置，则编写一套VBA(Visual Basic for Applications)程序即可实现自动完成多表格编制功能。VBA是Visual Basic的一种宏语言，是由微软开发的在其桌面应用程序中执行通用自动化任务的编程语言，主要用来扩展Windows的应用程序功能，特别是Microsoft Office软件，可模拟人工操作，完成一些琐碎重复的工作。

利用编制的VBA程序，将“阀门选型统计清单”中的每一列与“阀门数据表”中的每一单元格关联起来，具体操作如图4所示，并将数据清单中的每一列信息逐一填写至数据表指定位置，循环操作至指定末尾行，最终形成表集。

图4 嵌入VBA程序的阀门选型统计清单

通过对FPSO常用阀门类型数据的收集，并集合数据表形成“通用型FPSO阀门数据表集”，可实现该船型阀门选型的标准化设计。

4 结 语

分析FPSO阀门使用的环境、流通介质等，为其量身定制阀门选型方案，最终形成“通用型FPSO阀门数据表集”，实现此类船型阀门选型的标准化设计，大幅提升阀门设计的准确率。另外，通用阀门数据表可作为采购技术要求，减少采购过程中因考虑不周或与厂商沟通不足而导致的采购错误。