海底作業的執行機構

海底作業的執行機構

海底開發涉及廣泛的活動，包括勘探、鉆探、完井與生產。海底歧管作為海底生產系統的關鍵組成部分，通過精心布置的管道、閥門、連接件等，實現碳氫化物流體的接收、組合與分配。

海上石油和天然氣工業的起源可以追溯到1947 年 ，彼時在墨西哥灣水深約15英尺（4.6米）處，第一口“視野之外”的油井成功鉆探。自此，海上油氣行業成為我們獲取能源不可或缺的一部分，推動著勘探與生產活動不斷向更深水域拓展。目前，商業可開采的石油和天然氣資源普遍存在于水深達半英里至兩英里半（1至4公里）的海域。

自20世紀70年代初，海底油田開發的概念逐漸成熟，引入了海底井口、采油樹以及歧管、跨接管和海底管道等一系列生產組件。海底油田的開發不僅提升了生產效率，還使得從儲層中回收資源成為可能。此外，海底作業的優勢還包括縮減平臺上或浮式生產儲存與卸油船（FPSO）的空間需求，以及減少從深海輸送至水面未經處理的碳氫化合物體積，從而實現成本節約。

執行機構的角色

海底執行機構，主要部署于采油樹和歧管上，承擔著控制和自動化海底設備的任務，特別是閥門的開關操作，以管理碳氫化合物的流動和壓力。這些執行機構通常采用液壓或電動驅動，必須具備在高壓、低溫和鹽水侵蝕的極端環境下正常工作的能力。執行機構的高可靠性和精確度是保證海底設施安全運行與高效生產的關鍵。

海底油井的構成包括井下完井組件和海底采油樹。完井過程是指在鉆井后準備油井進行生產和注水的步驟。鉆探完成的油井是一個封閉系統，包含一系列管道、接頭和采油樹閥門組件，用于從井口收集儲層流體并引導至生產設施。

執行機構

執行機構是安裝在工業閥門上的關鍵部件，用于實現自動或遠程操作閥門的目的。閥門的整體品質涉及設計、材料、機械強度、質量控制與制造等多個方面，而其性能則高度依賴于執行機構的表現。

在石油和天然氣行業的海底領域，盡管其他領域可能使用液壓、氣動和電動三種類型的執行機構，但海底作業僅限于液壓和電動執行機構。

海底執行機構的設計與測試遵循 美國石油學會（ API ）和國際標準化組織（ ISO ）的指導原則。相關標準包括：

1、API Spec.17D —— 海底生產系統的設計與操作，涵蓋海底井口和采油樹設備，與ISO 13628-4等效。

2、API Spec. 6A —— 井口和采油樹設備，等同于ISO 10423。

海底作業中運用的執行機構設計種類繁多，如 直行程、角行程和齒輪齒條式 。

直行程執行機構適用于海底閘閥 ，能產生直線運動，控制閥桿和關閉件（盤或閘）的直線位移。多數情況下，直行程執行機構具備彈簧回位功能和安全關閉特性，盡管也可設計為雙作用形式，但并不常見。

角行程執行機構常用于操作四分之一轉或90度旋轉的球閥，支持開閉循環 。此類執行機構既可為單作用，亦可為雙作用。單作用執行機構為彈簧回位型，依據安全模式的不同，可在開啟或關閉狀態下依靠彈簧力自動復位。

雙作用執行機構相較于單作用執行機構，能輸出更大的力或扭矩。它們通過液壓油壓力進行開閉操作，活塞桿的直線運動轉換為旋轉運動，帶動球閥的關閉件旋轉90度。

齒輪齒條執行機構同樣適用于四分之一轉或90度旋轉的球閥，實現開閉循環。 齒輪和齒條分別代表兩種齒輪類型：齒條進行直線運動，而齒輪則旋轉運動。齒條的直線運動由液壓力驅動，進而傳遞給齒輪，使閥門在90度位置處開閉。

壓力與溫度評級

API 6A/ISO 10423標準定義了溫度等級，除非有特定用戶需求或項目規定，執行機構的最低工作溫度應參照表中所列的最低溫度值。執行機構的最高工作溫度不得低于149°F（65°C），并建議在此溫度基礎上進行標準化。

海底環境考量

裝有執行機構的閥門通常配備遙控潛水器（ROV）備用系統，確保在不依賴執行機構的情況下閥門仍能操作。ROV備用系統在執行機構故障時提供備選方案，其接口類別依據API 17H/ISO 13628-8標準選定。ROV是一種自由移動的潛水設備，用于操作海底閥門和執行機構，裝備有臂和手指，攜帶扭矩工具以操作ROV備用系統。

海底閥門和執行機構需面對海水柱帶來的外部壓力。以32英尺（10米）水深為例，每增加此深度，海底組件將額外承受14 psi（1巴）的壓力。因此，安裝在超過1.8英里（3,000米）水深的執行機構將面臨約4,351 psi（300巴）的海水外部壓力。為應對這一挑戰， 一種解決方案是增加執行機構壁厚 ，但這會導致執行機構重量顯著增加。 另一種普遍做法是使用充填有接近海水外部壓力的加壓油的膠囊 ，該膠囊與執行機構彈簧殼體相連，作為補償器或補償系統使用。

電動執行機構的革新

轉向電動執行機構是海底油氣行業的一大創新，標志著從傳統液壓執行機構向電動執行機構的轉變。這一變革帶來了簡化流程、降低運營成本和環保的多重效益。鑒于液壓油泄漏對環境的潛在危害，可能導致海洋生態破壞，電動執行機構的推廣顯得尤為迫切。

移除執行機構中的液壓油，不僅減輕了相關人員在制造、測試、檢驗、運輸等環節的暴露風險，從健康、安全與環境保護角度而言，使用電動執行機構被認為是更為有利的選擇。電動執行機構的益處還體現在響應速度、可靠性、效率和海底系統功能性上。

綜上所述，理解各類執行機構的運作原理及其在海底環境中所面臨的挑戰，對于工程設計者和實施者來說至關重要，有助于他們為特定項目尋找最適宜的解決方案。