水下隔離閥系統設計研究

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的發展，特別是深水油氣資源的開發，保護海上油氣開采作業的安全，降低事故發生的風險，是海洋工程領域工程師面臨的重大挑戰。油氣資源通過海底管線輸送的中心平臺處，一旦發生泄漏，就可能引起中心平臺的持續性火災或者災難性爆炸。通過設置水下隔離閥系統，能夠在平臺發生火災或可燃氣體嚴重泄漏時及時切斷平臺近端立管和海底管道的隔離，確保人員和設施的安全，降低因海底管道泄漏引發的嚴重后果[1]。本文對水下隔離系統的組成，系統設計，總體設計進行了研究和分析，論述了水下隔離系統設計過程中的要點，為海洋油氣開發水下隔離系統的設計提供借鑒。

圖1 典型水下隔離閥系統原理圖

1 水下隔離閥系統組成

典型水下隔離閥系統是由液壓動力單元、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備，傳遞液壓和通訊信號。

2 水下隔離閥系統設計

因水下隔離閥系統設備昂貴，投資費用高達千萬元以上，在油氣項目進行前期方案設計時，需要對水下隔離系統的設置進行定量風險評估，結合成本收益分析水下隔離系統設置的必要性[2]。定量風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時間；

③估算上述泄漏場景的發生頻率；

④評估泄漏場景的潛在后果，如氣體擴散、火災和爆炸；

⑤評估識別出的火災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、財產損失和環境污染；

⑦評估安裝水下隔離閥對降低風險的影響；

⑧分析安裝水下隔離閥的成本。

水下隔離閥系統設計時通常要突出系統的可靠性。水下隔離閥的控制系統采用失效安全型設計，當接到關閉指令或失去平臺提供的液壓時，閥門在執行器彈簧的作用下關閉。閥位狀態信號由安裝在執行機構上位置傳感器經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器人（ROV）或者潛水員操作閥門開關。

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

圖2 直接液壓控制系統原理圖

液壓壓力等級，根據API 17F的設計標準，通常液壓系統設計壓力為5000psi，清潔度要求為SAE AS 4059 Class 6或者 ISO 4406 Class -/15/12。為了保護環境，水下液壓控制系統通常采用水基液壓控制液。

水下隔離閥系統除滿足設計水深要求外，水下隔離閥系統應能在任何內壓條件下(從全真空到設計壓力)，滿足系統關斷時間要求，在控制系統設計時，應進行液壓系統分析，判斷系統設計是否合理。

液壓系統仿真主要目的是判斷液壓系統的響應時間是否滿足設計要求，水下隔離閥系統的關斷時間宜遵循DNV GL-OS-E201標準規范要求。液壓系統設計時，液壓系統設計需要確定的參數包括：液壓動力站輸出壓力，臍帶纜內液壓管線的內徑，閥門執行器參數，液壓管線路由長度等。

水下隔離閥的信號系統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，因此模擬電流信號和干觸點信號均可以實現該距離的閥位反饋的功能。直流電壓信號經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模擬信號實現遠距離通訊，應根據（激勵電壓Ue－變送器允許的最小工作電壓Umin）≥輸出電流I×電流環路總電阻r，選擇合適的導線。

3 水下隔離閥系統總體設計

水下隔離閥應用在導管架平臺時，通常布置在靠近導管架附近的海床上。當在深水項目中應用時，為了降低人員風險概率，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

由于水下隔離閥設備昂貴，因此水下隔離閥系統設備設計時應充分考慮對設備保護。針對位于海床的水下隔離閥系統，宜設計單獨的可回收式保護結構，保護結構需要覆蓋閥門等重要設備且便于水下機器人（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構基礎。

針對位于浮式平臺浮箱上的水下隔離閥系統，宜為閥門、臍帶纜、水下臍帶纜終端、電飛線，液飛線等設備設計保護結構，防止在拖航和操作期間設備受損。尤其注意位于海平面附近的設備，應考慮防浪保護，保護結構設計時應考慮浮式平臺的運動加速度。

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

4 結語

水下隔離閥系統由液壓動力單元、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，采用失效安全型設計，直接液壓水下控制系統操作水下閥門，通過位置傳感器反饋閥門狀態。水下隔離閥通常布置在靠近導管架附近的海床上，也可布置在浮式平臺的浮箱上，在設計中要考慮對設備的拖航和操作期間的防護。本文對水下隔離系統的組成和設計重點進行了研究，論述了在設計過程中的重要原則和設計方案，對水下隔離閥系統的設計具有借鑒意義。