海管水下带压开孔隔离阀的应用分析

柳宇，屈轩武，李晶，陈俊友，李刚，肖清军，姚辉

（深圳海洋工程技术服务有限公司，广东 深圳 518067）

0 引言

海底管道作为海上油气田开发的重要组成部分，当新开发的油气田为管道输送需新建较长海底管道时，往往因投资成本高，从而使油田开发工程的收益率降低，此时需考虑使用较低成本的输送方案，例如从油田就近点接入至现存在役管线，实现并网输送，从而避免铺设长距离管道，降低开发成本。

我国现役海管近7000 km，分布在渤海、东海和南海，部分油田的海管服役期已超过了10 a，甚至有一些超过了20 a。据统计，自2000年以来总共出现54次海管泄漏或者破损情况，管道由于外力、环境、腐蚀及自身材料的综合影响，随着服役时间的增加，损坏的概率不断增加，对管道损坏进行应急抢修也成为各海上油田关注的重点。

带压开孔技术作为管道在线介入的一种方案，是将管件、隔离阀及开孔机连接至在役生产管线上，通过隔绝管线与外界环境介质，使用开孔机在管件内以机械钻孔和切削方式，对在役生产管线开孔，无需生产管线停输，借助带压开孔可在现有管线上形成新的支路管线，该技术可应用在管线修复、改造和接入/接出中，具有如下优点：1）大幅减少管道铺设长度，降低新建项目的建设费用；2）开孔管线无需停输，减少停产损失；3）在停-修-重启的过程中节约大量资源；4）减少管道内介质排空，从而保护环境。因此，带压开孔在海洋石油工程中具有广泛的应用前景[1]。

1 海管水下带压开孔技术特点

陆地管线带压开孔时常采用永久管件直接焊接至管道上，然后将开孔机、隔离阀等设施安装至永久管件上，按步骤进行开孔作业。陆地管线带压开孔可根据开孔机相对管线的位置分为：1）水平开孔，开孔机、管件等与海管处于同一平面；2）竖直开孔，开孔机、管件垂直于管道，处于其正上方；3）斜向开孔，开孔机、管件相对管线成一定倾角（如图1）。

图1 陆地管线带压开孔分类

海底管道由于处于水下环境，永久管件水下焊接技术通常由于焊接后强度无法达到要求，故无法与海管采用焊接进行连接，因此需使用机械式三通来配合开孔机、隔离阀等设施进行水下带压开孔，而形式主要分为水平开孔和竖直开孔，其优缺点如表1[2]所示。

表1 海管水平开孔和垂直开孔优缺点

海管水下带压开孔隔离阀有夹板阀和球阀两种，各适用于不同形式的水下带压开孔中，下文将就这两种阀门的应用逐一进行分析。

2 夹板阀结构组成和应用场景分析

2.1 夹板阀的结构组成

夹板阀又称三明治阀，通常由上、中、下3片阀体、阀芯和驱动阀芯开闭的丝杠等主要部件组成（如图2），夹板阀是带压开孔中应用较为常见的一种阀门，利用闸阀的原理实现对管道内介质的阻断。

图2 夹板阀主体结构示意图

上、中、下3片阀体通过螺栓连接，阀体之间利用密封圈进行密封，阀芯通过丝杠带动可在中阀体的空腔体内移动，从而实现开关阀。丝杠通常使用液压驱动，同时为了平衡上下阀体内介质压力，配有旁通阀，当需要开关阀时，首先打开旁通阀进行上下阀体内压力平衡，然后再进行开关阀操作。夹板阀的密封形式是在阀芯两侧加工凹槽，通过压圈固定O形圈形成硬密封，但该硬性密封仅能实现单向密封，即单侧受压时仅有一道密封起作用，当阀芯两侧压力不能达到完全平衡时，驱动阀芯进行开关阀操作时可能会导致受力侧密封圈被剪切从而造成泄漏[3-4]。

2.2 夹板阀在水下带压开孔的应用场景分析

结合开孔的形式、管道稳定性需求、密封冗余安全，夹板阀在水下带压开孔场景中应用分析如下：

1）与水平开孔相比，垂直开孔在开孔过程中产生的金属碎屑由于自重影响，被开孔机带回阀体内概率较小，而夹板阀阀芯在开合过程中对控制碎屑落入阀体密封面要求较高，因此夹板阀较适用于水下垂直开孔作业。

2）与隔离球阀相比，夹板阀拥有体积和质量相对较小，能避免对管道的局部强度造成影响，可用在海管水下垂直带压开孔修复。

3）密封冗余安全，夹板阀的密封为单侧密封，没有冗余，启闭阀芯时与阀座相接触的两密封面之间会有相对滑动，在介质力作用下易产生擦伤，从而破坏密封性能，影响使用寿命，因此夹板阀不适合作为隔离阀用在海管带压接入/接出至已存生产管线。

3 水下球阀结构组成和应用场景分析

3.1 水下球阀的结构组成

水下带压开孔球阀其主要由阀杆、阀盖、阀座、球体、阀体、联轴器与执行机构组成（如图3）。其工作原理为：潜水员或水下机器人通过执行机构将转矩传到阀杆，由阀杆带动球体在阀体内沿阀杆轴线作90°旋转，当球体通径与阀体袖筒中心线垂直或者重合时，球阀呈现关闭或开启状态[5]。

图3 水下球阀结构示意图

球阀的密封原理是：在预紧力/介质压力作用下，产生推力，将阀座推向球体，从而实现阀座与球体的压紧形成密封。对固定球阀而言，其阀座形式可分为单活塞效应（single piston effect，简称SPE）和双活塞效应（double piston effect，简称DPE）。单活塞阀座只能在一个方向实现密封。而双活塞阀座，两个方向都能实现密封。

球阀两侧的阀座形式的不同，可将球阀分为：1）DBB球阀（double block and bleed valve，双阻塞和排放阀），其特点是两只阀座均为单向密封SPE形式；2）DIB-1球阀（double isolation and bleed valve，双隔离和排放阀），其特点是两只阀座都是双向密封DPE形式（也即双活塞阀座）；3）DIB-2球阀其特点是一只阀座为单向密封SPE形式（单活塞阀座），另一只阀座为双向密封DPE形式（双活塞阀座），这几种形式球阀密封性能对比如表2所示[6-8]。

表2 DBB与DIB球阀密封性能对比

3.2 水下球阀在水下带压开孔的应用场景分析

结合开孔的形式、管道稳定性需求、密封冗余安全，球阀在水下带压开孔场景中应用分析如下：

1）虽然水平开孔过程中，金属碎屑被开孔机带回阀体内概率较大，但球阀在进行开合时，对控制碎屑落入阀体的敏感性不如夹板阀要求那么高，因此球阀较适合用在水平带压开孔作用中。

2）球阀因体积和质量相对较大，适合水平放置，这样避免将重力从垂直方向作用在海管上，对海管局部强度造成影响，因此多用于水平带压开孔回接。

3）密封冗余安全，水下带压开孔球阀通常选用DIB-1或DIB-2类型球阀，确保至少一侧密封有冗余，因此球阀较适合作为隔离阀用在海管带压回接中，当选择DIB-2类型球阀作为隔离球阀时，需考虑球阀安装方向要求。

4 结论

1）夹板阀由于其体积和质量小，对碎屑落入阀体要求较高，且密封无冗余，可作为隔离阀在海管水下垂直带压开孔修复中。

2）球阀因体积和质量大，对碎屑落入阀体要求不如夹板阀高，密封有冗余，可作为永久隔离阀用在海管水下水平带压开孔回接中，对于DIB-2类型球阀在水下安装时需关注其安装方向要求。