控制阀在浮式生产储油卸油船（FPSO）中的应用(图文)

控制阀在浮式生产储油卸油船（FPSO）中的应用

在过去的 40 年里，浮式生产储油卸油船（FPSO）已成为偏远地区石油和天然气生产的一种具有成本效益的来源。这些大型船舶是海洋上自给自足的储存和加工设施，可自行发电，将油井中的原油加工成石油和天然气，用于管道输送和油罐转移。这些工艺本身就极具挑战性，而在FPSO上，设备的设计还必须考虑到紧凑的空间和海洋环境。

由于位置偏远，设备的使用寿命必须尽可能长，并能安全稳定地工作。供应商在设计产品时应考虑到所有这些因素。 浮式生产储油卸油船上的控制阀被认为是工艺流程中一个小而关键的部分，因为它们是准确控制从工艺流程的一个区域到另一个区域的流量所必需的。

如果一个关键控制阀工作不正常，整个系统就会面临风险，但如果工作正常，工艺流程就会以最佳状态运行，实现最大产出。 海上应用中关键控制阀的选型面临多重挑战：高压、腐蚀、冲蚀、气蚀和噪音，所有这些都可能是标准流量控制挑战的罪魁祸首。 此外，还必须对腐蚀性环境和需要维修的偏远位置采取预防措施。

在选择控制阀时，必须找到最安全的解决方案，这样才能延长使用寿命，减少损坏，控制流程，防止意外停机，最大限度地提高产品产量。

浮式生产储油卸油船（FPSO）是根据现有油轮定制或改装的大型船舶。它们的优势在于既能装载加工产品，又能储存可销售产品。前期成本可能很高，但通常在项目的整个生命周期内都能实现节约。其中一些优势包括：安装时间通常比海上平台少 50%；不需要永久性管道或基础设施，最重要的是，当油井枯竭时，FPSO 可以移动到新的地点并重新使用。

FPSO 的底部（见图1）有一个连接网络，通过系泊系统固定在海底，可以根据需要旋转或移动船只。主要的连接是脐带缆和流线。脐带 缆 连接主要是为生产提供电力、控制和通信的电导体。此外，还有被称为流水线的生产管线，将原油从油井输送到连接船只的立管。当油井中的石油储量越来越少时，还可以利用流水线注入海水开采石油。

图1 巴罗萨FPSO的效果图。

资料来源：MODEC 来源：MODEC

在浮式生产储油卸油船（FPSO）的顶部，各单元采用模块化设计，以节省空间。在图2非常简单的流程中，井口流体或原油被分离出来，进行多级加工。原油被加工成液体或气体，然后转化为最终产品并储存起来。请注意，在此过程中还会用到海水，海水会被放回海洋、处理后使用或注入油井。

图2

FPSO的关键控制阀

FPSO上的生产和流程控制需要数百个阀门。每个阀门都有特定的用途，有些比其他阀门更为重要。

本文的重点是突出关键应用，了解阀门的用途和工艺挑战，并介绍使操作顺利进行的解决方案。虽然没有特别提及，但在每种应用中，都假定阀门的所有外部组件都应包括不锈钢附件、管材和配件，以抵御含盐海洋大气的影响。使用除奥氏体、奥氏体铁素体（双相）不锈钢或镍合金（CRA，耐腐蚀合金）以外的任何材料都可能导致过早腐蚀、安全问题和停产。

此外，需要注意的是，由于空间有限，在船上存放维修备件是不可行的。由于最近的阀门供应商也在数百英里之外，因此为这些应用确定尺寸和选择合适的控制阀至关重要。

压缩机中的防喘振控制阀

天然气的生产首先要从油井的原油中分离出较轻的碳氢化合物。经过几个使用高压和低压步骤进行分离和冷却的过程后，天然气就可以被压缩了。在这一过程中，需要使用昂贵的压缩机，这些压缩机只能在额定容量的 50%～100%之间运行。由于工艺过程中的波动，当上游压力低于出口压力时，压缩机会出现浪涌。出现这种情况时，气流会改变方向，从而对压缩机造成严重损坏。

为避免发生这种情况，压缩机站配备了 防喘振控制阀 来保护压缩机。这些阀门 安装在压缩机的下游，当发生故障并有反向流动的风险时，控制阀可以打开，降低下游压力，使流动保持在所需的方向上 。为了成功工作，阀门必须快速打开（定位器打开时间为 1～2 秒，电磁阀打开时间为 0.5 ～ 1 秒）。防喘振阀必须保持可接受的噪音水平（高压下降时很难做到），由耐腐蚀材料制成，并始终保持V级关闭状态。

图3 压缩机防喘振循环阀应用工况图

冷却水阀

FPSO有大量的海水，因此需要大量的水用于辅助操作，即冷却船上的设备和重新注入油井进行生产。海水通过海水提升泵从海洋中抽取，然后进行进一步处理，包括去除硫酸盐和空气，最后通过 冷却水阀 门。这种应用 所面临的挑战是大流量和高噪音 。需要使用低压直通控制阀来处理大流量，还需要特殊的调节来降低噪音。

与FPSO上的所有应用一样，腐蚀也是一个令人担忧的问题，因此 阀体和阀内件必须使用特殊材料，以减少损坏。常用的阀体材料，如镍铝青铜、双相钢和哈氏合金 C 都非常有效，并具有出色的耐腐蚀性。 内饰材料可结合使用异种合金，以帮助延长阀门的使用寿命和功能。

海水注入系统

FPSO上的海水注入系统包括卸船阀、泵再循环阀和注水井阀，每种类型的阀门对生产都至关重要。每种阀门的应用都要求具有较高的量程范围，并能在高压波动、气蚀和含颗粒的情况下正常工作。 例如，溢流阀用于启动高压注入泵。尽管只是在启动时使用，但它对工艺至关重要，必须按需运行。条件非常苛刻，含有高压，在出口处会降至大气压。气蚀和振动与这一过程有关，应加以考虑。

气蚀是当流体压力降至蒸汽压以下，然后恢复至蒸汽压以上时产生的一种现象。因此，气泡会形成，然后内爆，对最接近的金属边界造成损坏，严重缩短阀门的性能和预期寿命。 同样，高压降产生的振动也会导致部件的机械磨损和疲劳。必须选择具有多级调节功能的稳健阀门设计，以分级控制压降，消除气蚀。

高压应用中使用的阀门就是一个例子，它采用多级调节来消除气蚀，分级控制压降，使工艺流体在任何一点都不会降到蒸汽压以下。在某些情况下，下游板可用于提供背压，减轻阀门的部分压降。阀门的压力等级从 AMSE B16.34 的1500 到API 6A的额定压力10,000 或 15,000 psi不等，并可根据工艺条件采用多种材料和多级调节。

图4中的阀门就是一个很好的例子，它的设计坚固耐用，最高压力可达15,000 psi。该阀门包含多级减压装置，由于采用轴向流动，因此对垃圾具有很强的耐受性。阀芯的设计使压力永远不会降至蒸汽压力以下，从而防止气蚀。

图4 压缩机防喘振循环阀。来源：Baker Hughes

结论

FPSO仍然是在偏远海域加工和储存原油的流行解决方案。它们的优势在于不需要任何永久性的水下基础设施，调试时间比传统的海上平台少 50%，将上游和中游加工合并到一个地点，并可在油井枯竭后转移到另一个地点。控制阀是工艺的重要组成部分，集成在FPSO的所有单元中，有些单元比其他单元更复杂。

一些最具挑战性的控制阀是防喘振阀、冷却水阀和海升系统阀。 它们在工艺中用于控制温度、流量和压力，工作条件苛刻，如果尺寸和选择不当，会对生产造成严重影响。每个控制阀都应针对特定应用进行精心设计，以克服流量控制难题，同时减轻环境破坏。控制阀对近海船舶至关重要，最终可保证工艺安全运行、保护设备并保持高质量的产品输出。

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