水下隔离阀系统设计研究

刘立新，范玉杨，李刚，苏锋，张汝斌

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

随着海洋油气资源开发的发展，特别是深水油气资源的开发，保护海上油气开采作业的安全，降低事故发生的风险，是海洋工程领域工程师面临的重大挑战。油气资源通过海底管线输送的中心平台处，一旦发生泄漏，就可能引起中心平台的持续性火灾或者灾难性爆炸。通过设置水下隔离阀系统，能够在平台发生火灾或可燃气体严重泄漏时及时切断平台近端立管和海底管道的隔离，确保人员和设施的安全，降低因海底管道泄漏引发的严重后果[1]。本文对水下隔离系统的组成，系统设计，总体设计进行了研究和分析，论述了水下隔离系统设计过程中的要点，为海洋油气开发水下隔离系统的设计提供借鉴。

图1 典型水下隔离阀系统原理图

1 水下隔离阀系统组成

典型水下隔离阀系统是由液压动力单元、控制台、脐带缆上部终端、脐带缆、脐带缆水下终端、电液飞线和水下隔离阀组成。液压动力单元、控制台、脐带缆上部终端位于水面以上的平台或者浮式设施上。脐带缆，脐带缆水下终端、电液飞线连接水上和水下的设备，传递液压和通讯信号。

2 水下隔离阀系统设计

因水下隔离阀系统设备昂贵，投资费用高达千万元以上，在油气项目进行前期方案设计时，需要对水下隔离系统的设置进行定量风险评估，结合成本收益分析水下隔离系统设置的必要性[2]。定量风险评估方法如下所示：

①估算天然气外输立管和海底管道的储存量，并确定操作条件和气体组分；

②分别模拟有无水下隔离阀系统情况下水上和水下泄漏，包括泄漏速率随时间的变化和泄漏持续时间；

③估算上述泄漏场景的发生频率；

④评估泄漏场景的潜在后果，如气体扩散、火灾和爆炸；

⑤评估识别出的火灾爆炸场景的升级潜力；

⑥评估事故后果的影响，包括人员伤亡、财产损失和环境污染；

⑦评估安装水下隔离阀对降低风险的影响；

⑧分析安装水下隔离阀的成本。

水下隔离阀系统设计时通常要突出系统的可靠性。水下隔离阀的控制系统采用失效安全型设计，当接到关闭指令或失去平台提供的液压时，阀门在执行器弹簧的作用下关闭。阀位状态信号由安装在执行机构上位置传感器经过脐带缆中的电缆传递到控制台。水下隔离阀也可用水下机器人（ROV）或者潜水员操作阀门开关。

水下隔离阀系统通常采用直接液压控制系统。直接液压控制系统的每一个液动阀配有一根单独的液压控制管线，通过上部控制系统直接控制水下隔离阀，在水下无需配置控制设备。直接液压控制系统设备简单，可靠性也高。缺点是控制数量相对较少，反应速度受控制路径影响大一般很慢，直接液压系统多用于控制路径较短的工况，适合控制路径在3km以内[3]。

图2 直接液压控制系统原理图

液压压力等级，根据API 17F的设计标准，通常液压系统设计压力为5000psi，清洁度要求为SAE AS 4059 Class 6或者 ISO 4406 Class -/15/12。为了保护环境，水下液压控制系统通常采用水基液压控制液。

水下隔离阀系统除满足设计水深要求外，水下隔离阀系统应能在任何内压条件下(从全真空到设计压力)，满足系统关断时间要求，在控制系统设计时，应进行液压系统分析，判断系统设计是否合理。

液压系统仿真主要目的是判断液压系统的响应时间是否满足设计要求，水下隔离阀系统的关断时间宜遵循DNV GL-OS-E201标准规范要求。液压系统设计时，液压系统设计需要确定的参数包括：液压动力站输出压力，脐带缆内液压管线的内径，阀门执行器参数，液压管线路由长度等。

水下隔离阀的信号系统主要目的是将阀门位置传感器的信号传递到上部控制台，需要考虑配电和信号传输。通常水下隔离阀均分散布置在近平台处海管或立管上，距离通常在几百米到1公里以内，因此模拟电流信号和干触点信号均可以实现该距离的阀位反馈的功能。直流电压信号经过长距离传输会有所衰减，而且容易受到干扰，干触点限位开关作为首选。若实施工况特殊原因需要采用4-20mA模拟信号实现远距离通讯，应根据（激励电压Ue－变送器允许的最小工作电压Umin）≥输出电流I×电流环路总电阻r，选择合适的导线。

3 水下隔离阀系统总体设计

水下隔离阀应用在导管架平台时，通常布置在靠近导管架附近的海床上。当在深水项目中应用时，为了降低人员风险概率，减少事故升级的概率，水下隔离阀可以布置在浮式平台的浮箱上[4]。

图3 布置在海床上的水下隔离阀下放安装

图4 布置在浮式平台的浮箱上的水下隔离阀

由于水下隔离阀设备昂贵，因此水下隔离阀系统设备设计时应充分考虑对设备保护。针对位于海床的水下隔离阀系统，宜设计单独的可回收式保护结构，保护结构需要覆盖阀门等重要设备且便于水下机器人（ROV）或潜水员操作。通常情况下，水下脐带缆终端可单独成橇，也可与水下隔离阀共用结构基础。

针对位于浮式平台浮箱上的水下隔离阀系统，宜为阀门、脐带缆、水下脐带缆终端、电飞线，液飞线等设备设计保护结构，防止在拖航和操作期间设备受损。尤其注意位于海平面附近的设备，应考虑防浪保护，保护结构设计时应考虑浮式平台的运动加速度。

水下隔离阀的执行器，应集成本地位置指示以及位置传感器，位置传感器的信号应通过脐带缆回传到上部的控制台。水下隔离阀执行器宜设计为可回收形式，同时应考虑回收操作和连接接口的匹配性和回收后接口的保护。

4 结语

水下隔离阀系统由液压动力单元、控制台、脐带缆上部终端、脐带缆、脐带缆水下终端、电液飞线和水下隔离阀组成相对独立的水下系统，采用失效安全型设计，直接液压水下控制系统操作水下阀门，通过位置传感器反馈阀门状态。水下隔离阀通常布置在靠近导管架附近的海床上，也可布置在浮式平台的浮箱上，在设计中要考虑对设备的拖航和操作期间的防护。本文对水下隔离系统的组成和设计重点进行了研究，论述了在设计过程中的重要原则和设计方案，对水下隔离阀系统的设计具有借鉴意义。