通用型FPSO閥門選型及分類方法

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

0 引 言

在海洋油氣開發工程中，FPSO以其生產系統投產快、投資低、承重能力和抗惡劣環境能力強、儲油能力大、應用靈活、移動方便等優勢被廣泛使用。出于經濟性考慮，FPSO通常長期服役于深海進行不間斷生產。一般FPSO的設計使用壽命為25 a，對防腐耐久性措施要求十分嚴格。由于FPSO集油氣生產、儲存外輸、生活起居等眾多功能于一身，其管線系統眾多，閥門作為全船流體輸送系統的控制部件，是管網的關鍵組成部分，對FPSO閥門的要求遠高于普通船舶，選型正確與否直接影響系統可靠性。因此，閥門的選型設計應在設計標準、結構形式、材料等各個方面作全面的考量，對閥門進行細致、科學的分類，以便在相同船型項目中進行閥門的快速、準確選用設計。

目前在FPSO上使用的閥門產地眾多，生產質量參差不齊，雖然有閥門設計標準和各類國際規定作為約束，但仍存在一定的彈性空間，導致相同船型的閥門質量良莠不齊。本文細化閥門數據表，從設計源頭對閥門生產質量作清晰的要求，保證閥門質量符合FPSO的使用要求。

1 閥門選型

1.1 設計標準體系

以ANSI、ASME、API、MSS、ASTM為代表的美國標準體系是目前世界上最具影響力的標準體系，基本每4～5 a修訂一次，常被國際標準化組織和歐盟作為參考依據。美標閥門以其設計結構合理、生產細節要求嚴格明確、檢驗體系完整等優勢，成為海洋裝備工程設計的首選。

API標準和MSS標準是閥門設計及產品檢驗的標準，按照此類標準設計的閥門通常引用ASME標準來要求閥門的結構尺寸、連接端面和溫壓范圍等，而閥門材料則可在ASTM標準所定義的材料中進行選擇。適用于FPSO的常用美國閥門標準如表1所示。

表1 適用于FPSO的常用美國閥門標準

1.2 閥門結構型式選用原則

常見的閥門結構型式有球閥、蝶閥、止回閥、閘閥和截止閥，主要實現管路中介質的截流、分流及流向調整的功能，具體選型根據閥門在管路中的位置、服務系統的不同而不同。

球閥的流通面積可至全通徑，即開啟時的流阻為0，在較大的壓力范圍內可實現完全密封，適用于要求快速啟閉的場合，也適用于密封性能要求高的氣體介質系統和泄放系統。三通球閥可實現分流功能，其結構相對復雜、用料多，考慮到成本和質量，在非必要情況下盡量用于2英寸及以下管路。

蝶閥結構簡單、體型小且造價便宜，常代替球閥和閘閥被廣泛應用于大口徑管路，與球閥和閘閥相比，蝶閥引起的管路壓力損失較大，適用于對壓力損失要求不嚴的系統。

閘閥開啟時對管路阻力小，其形式結構簡單，但閥瓣開啟進程長，對安裝空間的高度有要求，適用于蒸氣、油介質管路，也適用于含有固體顆粒介質的管路。

截止閥的閥瓣開啟與關閉之間行程小，密封面能承受多次啟閉，可用于頻繁開關的場合，也可作截斷、調節或節流使用。但其對管路的流阻影響較大，不適用于液壓系統等對管路壓損要求嚴格的系統。

止回閥常用于泵出口處。介質施加在閥瓣上的作用力觸發其開啟與關閉動作，同時閥瓣的預緊力決定閥門的開啟程度，為避免閥門對管路流阻的影響過大，在選用時須與生產廠商確認閥門的流量系數(Cv值)。

根據以上選用原則，當上述閥門用作截斷閥時，FPSO各系統閥門選型如表2所示。

表2 FPSO管路系統閥門結構類型

1.3 閥門材料選用原則

1.3.1 介質溫壓特性對材料選擇的影響

閥門的承壓隨使用環境溫度的變化而變化，因此系統的溫壓特性在一定程度上影響閥門的材料選擇。標準ASME B16.34、ASME B16.24和ASME B16.42對不同材質的溫壓變化作了詳細說明，當確定系統設計壓力及溫度后，可參照標準判斷材料和磅級的適用性。例如，在FPSO的消防系統中，閥門材質為青銅或鎳鋁青銅，依據ASME B16.24(2016)[8]中的定義，2.0 MPa的銅合金在常溫下可用于系統設計壓力最高為16.3 bar(1 bar=105Pa)的系統管路，若系統設計壓力超過16.3 bar，則銅合金閥門須為5.0 MPa。

1.3.2 介質腐蝕特性對材料選擇的影響

閥門材料的選擇與流通介質密切相關，尤其是介質的腐蝕特性直接決定閥門的使用壽命，因此針對不同介質選用適宜的材質可有效減少閥門的損傷。

FPSO管路系統中介質及常用閥門材料的選用歸納如表3所示。

表3 FPSO管路系統材料選型歸納

值得注意的是，ASME B16.34[9]標準定義的閥體最小壁厚并未考慮腐蝕裕量，因此在閥門采購時須與生產廠商就閥門使用過程中的環境腐蝕進行溝通，確定閥體的最終壁厚。

1.3.3 異種材料接觸對材料選型的影響

除了介質會對閥門造成腐蝕以外，還須注意異種重金屬材質接觸時的電偶腐蝕。電偶腐蝕發生在不同種金屬在同一電解質溶液環境下相接觸的情況下，由于不同金屬之間存在電位差，因此電位較低的金屬將加速腐蝕。閥門的電偶腐蝕通常發生在閥門與管件及螺栓與螺母之間，或閥門內部部件之間。例如，碳鋼與銅相接處，同時處于海水介質中，此時碳鋼的腐蝕速率高于單獨處于介質中的腐蝕速率。因此，在選擇流通介質為電解質的閥門材質時，材料之間須充分考慮電腐蝕的可能性，并且在決定閥體材質時，應確保閥體與管路連接管件材質相同，若無法避免，則可考慮在閥門與連接件之間用絕緣墊片和特涂螺栓螺母進行隔離，如圖1所示。

圖1 連接異種材質法蘭間的絕緣墊片和特涂螺栓螺母

1.3.4 規范規定對材料選擇的影響

船級社規范和國際公約對用于特定位置或關鍵系統中的材質有一定限制。例如：BV規范規定，銅或銅合金不可用于連接船體外板的場合，即銅合金閥門無法作為舷側閥用于排舷外管或海底門上；而ABS和CCS規范則規定，原油管路中的所有管件及閥門均應由鋼質或滿足一定延展性能的球墨鑄鐵材料制成。

2 閥門檢驗

2.1 常規檢驗

閥門的常規檢驗包含針對原材料的檢驗和閥門組裝完成后的密封性能試驗。

對原材料的檢驗有目視檢測和無損探傷(包含磁粉探傷、著色探傷和射線探傷)，在閥體鍛造或鑄造成型后進行，可對鍛造或鑄造質量進行直觀判斷，試驗程序根據ASME BPV 規范第5節。密封性能試驗則根據API 598，將閥門置于一定壓力環境下，觀察閥體、密封面的泄漏情況，判斷閥門功能是否正常。

2.2 耐火試驗

用于特定系統中的閥門需通過耐火試驗。閥門耐火試驗是為了衡量閥門的耐火性能，即在遭受一段時間的火燒后仍具有一定的密封性和操作性。船級社規定用于消防系統、貨油系統的材質須避免“加熱失效”，因此，用于這類系統的閥門須通過耐火試驗證明材質符合規定。通常認為閥門耐火試驗僅針對軟密封材質閥門，但事實上閥門的耐火性能不僅與材質相關，而且也與閥門結構相關。國際上有多種耐火試驗標準：ANSI/API 607適用于“軟閥座四分之一轉的閥門”，如符合API 608標準的球閥、API 609標準的蝶閥；API 6FA適用于“管線用閥門或井口用閥門”，如符合API 6D標準的球閥、旋塞閥、閘閥，以及符合API 6A標準的平板閘閥等；API 6FD適用于“管線用閥門或井口用止回閥”，如符合API 6D、API 6A的止回閥；ISO 10497適用于“具有耐火結構的各種閥門”。

2.3 船級社檢驗

為確保高等級管線的質量，根據船級社規范以及系統設計溫度、壓力，可對管線進行等級劃分，在生產過程中由船級社對設計圖紙、原材料、生產質量等進行監管、檢驗，并為此出具證書。閥門作為管線系統的組成部分，等級劃分原則與管線相同。除貨油系統外，各船級社對FPSO各系統管線等級劃分依照表4所列原則。

表4 常用船級社管線等級劃分

貨油系統等級定義各船級社存在差異：ABS和CCS規定貨油系統管路為Ⅲ級管路；DNV規定該系統管路與燃油系統管路等級劃分原則一致；BV規定該系統管路為Ⅰ級管路，在實際工程項目中須特別注意。

3 閥門分類方法

3.1 編碼分類

閥門的分類方法通常有以下幾種：按功能、按適用壓力及溫度、按材質、按操作方式等，每一種分類方法均只表現閥門的某一特性，但在實際應用中需要綜合考慮閥門的特性才能保證正確的使用。其為每一特征位進行編碼，則一串組合編碼即可識別一類關鍵特征相同的閥門。用編碼形式可對閥門進行更加細化的分類，便于實際應用中準確選用。編碼結構如圖2所示。

圖2 閥門分類編碼結構

結合FPSO常用的閥門類型及系統功能設計要求，具體閥門分類如表5所示。

表5 FPSO閥門分類編碼說明

依照上述編碼，“VBAC01FAAR”表示碳鋼2.0 MPa凸面法蘭分體式浮動球閥，且為防火設計，須按照船級社規定的一級閥取證。

3.2 閥門數據表集編制

通過抽象的編碼可以表述閥門的關鍵特征，而編碼唯一指向的閥門數據表則可對一類閥門的特征進行更加直觀的展現。

在編制閥門數據表前，將需要選型的各用途閥門類型統計到一份匯總清單里，如表6所示。

表6 閥門選型統計清單

收集閥門數據后，選用VLOOKUP函數，將表6中的內容一一對應填入圖3所示的閥門數據表中。

圖3 閥門數據表示例

VLOOKUP函數只適用于兩張表之間簡單的單次數據讀寫功能操作，對于建立種類繁多的“通用型FPSO閥門數據表集”的批量編制或修改工作并不現實。如何在整合信息后為每一種閥門單獨制表成為實現表集的關鍵。

若將一張表格中的值逐行循環寫入多表格中的某一指定位置，則編寫一套VBA(Visual Basic for Applications)程序即可實現自動完成多表格編制功能。VBA是Visual Basic的一種宏語言，是由微軟開發的在其桌面應用程序中執行通用自動化任務的編程語言，主要用來擴展Windows的應用程序功能，特別是Microsoft Office軟件，可模擬人工操作，完成一些瑣碎重復的工作。

利用編制的VBA程序，將“閥門選型統計清單”中的每一列與“閥門數據表”中的每一單元格關聯起來，具體操作如圖4所示，并將數據清單中的每一列信息逐一填寫至數據表指定位置，循環操作至指定末尾行，最終形成表集。

圖4 嵌入VBA程序的閥門選型統計清單

通過對FPSO常用閥門類型數據的收集，并集合數據表形成“通用型FPSO閥門數據表集”，可實現該船型閥門選型的標準化設計。

4 結 語

分析FPSO閥門使用的環境、流通介質等，為其量身定制閥門選型方案，最終形成“通用型FPSO閥門數據表集”，實現此類船型閥門選型的標準化設計，大幅提升閥門設計的準確率。另外，通用閥門數據表可作為采購技術要求，減少采購過程中因考慮不周或與廠商溝通不足而導致的采購錯誤。