萬春燕 賈向鋒 王定亞 劉文霄,2 王小靜,2 李娜

(1. 寶雞石油機械有限責(zé)任公司 2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心)

0 引 言

水下閥門及其驅(qū)動器是水下采油樹、水下管匯系統(tǒng)和水下輸油管道等水下生產(chǎn)系統(tǒng)控制油氣壓力和產(chǎn)出的關(guān)鍵部件，它包括水下閘閥和水下球閥兩種。其中，水下閘閥因開啟關(guān)閉過程平穩(wěn)、流動阻力小及密封可靠，被廣泛應(yīng)用于各種水下生產(chǎn)設(shè)備上[1]。國外水下閘閥及驅(qū)動器設(shè)計、制造和試驗技術(shù)已非常成熟，例如Cameron、FMC、Magnum、TYCO及Drill Quip等公司已形成壟斷[2]，正朝著常規(guī)化、多循環(huán)及標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。FMC公司在該領(lǐng)域起步較早，為了驗證產(chǎn)品設(shè)計壽命，在API 6A[3]規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，還將PR2F性能鑒定試驗中的閥門動態(tài)試驗次數(shù)由200次提升至500次，進一步提高了產(chǎn)品的可靠性[4]；Magnum公司的液壓單作用深海閘閥驅(qū)動器帶有彈簧復(fù)位功能；TYCO公司設(shè)計了并列的兩個液壓機構(gòu)以增大閥門關(guān)閉的輸出扭矩，且作為水下安全閥，所有閥門都設(shè)置有水下機器人ROV(Remotely Operated Vehicle)遠程操作接口。

國內(nèi)陸地用井控閥門技術(shù)較成熟，但水下采油樹閘閥及驅(qū)動器結(jié)構(gòu)有別于陸地，且閘板、閥座密封和驅(qū)動器結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，可靠性要求更高，公開發(fā)表的文獻中也未見自主研發(fā)的水下采油樹閘閥及驅(qū)動器工程化應(yīng)用的報道。在國家科技部、工信部及發(fā)改委等對海洋油氣鉆采設(shè)備國產(chǎn)化的大力支持下，水下采油樹、水下管匯及連接器以及水下閥門等裝置相繼完成了國產(chǎn)化研制[5]。寶雞石油機械有限責(zé)任公司(以下簡稱寶石機械)依托“水下臥式采油樹系統(tǒng)研制(1期)”和 “水下立式采油樹研制”項目，完成了適用水深1 500 m的水下臥式采油樹及配套工具和適用水深500 m的導(dǎo)向繩式水下立式采油樹的研制[6-7]，開發(fā)了壓力等級為69 MPa、性能要求為PR2F的水下閘閥和驅(qū)動器。筆者以水下采油樹閘閥及驅(qū)動器國產(chǎn)化研制過程為基礎(chǔ)，詳細闡述了其總體結(jié)構(gòu)、工作原理、主要技術(shù)參數(shù)、組成部件、加工制造和測試試驗情況，旨在為水下采油樹用閘閥的國產(chǎn)化研制提供借鑒和參考。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)及原理

寶石機械研制的水下臥式采油樹和水下立式采油樹總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，水下閥門及驅(qū)動器固定在其各個模塊上，結(jié)構(gòu)緊湊。圖2是液控驅(qū)動器和閘閥的結(jié)構(gòu)示意圖。

1—采油樹帽；2、13—修井閥；3、10—環(huán)空翼閥；4、11—截止閥；5、14—ROV面板；6、16—生產(chǎn)翼閥；7、15—生產(chǎn)主閥；8、17—換向閥；9、18—SCM；12—環(huán)空主閥。

1—ROV接口；2—指示桿；3—液缸端蓋；4—液缸；5—彈簧腔殼體；6—連接法蘭；7—閥桿；8—盲堵法蘭；9—閥體；10—閥座；11—閘板；12—閥座密封。

水下閘閥通過驅(qū)動器帶動閥桿及閘板往復(fù)運動來實現(xiàn)閥門的啟閉。在實際生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)主閥、生產(chǎn)翼閥及環(huán)空主閥等均采用常閉式液壓驅(qū)動實現(xiàn)遠程操控，即當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力斷開時，閘閥通過復(fù)位彈簧實現(xiàn)自動關(guān)閉；同時驅(qū)動器上設(shè)置有備用ROV操作接口，當(dāng)液壓系統(tǒng)故障出現(xiàn)時，可通過ROV操作實現(xiàn)閥門的手動開啟。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

水下閘閥及驅(qū)動器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 水下閘閥及驅(qū)動器的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of subsea gate valve and actuator

1.3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與性能分析

1.3.1 密封結(jié)構(gòu)

深水維護和操作應(yīng)用所處工況復(fù)雜且困難，要求水下閘閥具有20 a或更長的設(shè)計壽命，而密封性能的好壞又是影響設(shè)備可靠性的關(guān)鍵。水下閘閥的密封分為4部分，即驅(qū)動器與閥門本體連接處密封、驅(qū)動器彈簧腔與閥門腔體之間的密封、閘閥閥座與閘板之間的密封以及閥座與閥門本體間的密封，且密封壓力均為69 MPa。

驅(qū)動器與閥門本體連接處的密封通過螺栓組壓緊金屬墊環(huán)實現(xiàn)密封；驅(qū)動器彈簧腔與閥門腔體通過閥桿的倒密封環(huán)實現(xiàn)密封；水下閘閥(見圖3)的兩個閥座位于平板閘板兩側(cè)，通過流道內(nèi)的高壓壓緊閥板與閥座的端面實現(xiàn)密封，密封面還可通過噴涂碳化鈷或碳化鎢提高閘板和閥座金屬密封面的耐磨性能和可靠性。閥座與閥門本體間的密封為端面密封和孔軸密封的二次自密封結(jié)構(gòu)，可滿足高壓和低壓密封的要求。

1—閥體；2—閥座密封；3—閘板；4—閥座。

1.3.2 驅(qū)動器彈簧腔

驅(qū)動器設(shè)計需解決其液缸和彈簧腔之間的密封、閥門液壓失效后自動關(guān)閉功能以及閥門密封防止內(nèi)泄漏等問題。液控閘閥驅(qū)動器如圖4所示。驅(qū)動器彈簧腔與水下蓄能器連通，且下水前腔體內(nèi)需充滿液體，既可有效隔離海水，又減小了壓力平衡功能在不同工作水深時對彈簧腔密封件的影響。彈簧腔的內(nèi)外雙層彈簧設(shè)置在液缸開啟壓力失效時，可平穩(wěn)快速地使閘閥關(guān)閉。驅(qū)動器連接法蘭上設(shè)置泄壓閥，用于當(dāng)閥桿密封或倒密封失效時，泄除流道壓力，保護彈簧腔殼體和液缸。

1—指示桿；2—液缸；3—外彈簧；4—內(nèi)彈簧；5—彈簧腔殼體；6—泄壓閥；7—連接法蘭；8—閥桿；9—閥桿密封；10—連接桿；11—壓板；12—液缸密封；13—超控桿密封；14—超控桿。

1.3.3 密封性能分析

水下閘閥密封可靠是保證其正常工作的基礎(chǔ)，故密封性能分析是該部件強度校核的重點。結(jié)合水下閘閥的實際工作情況，將其載荷條件分為預(yù)緊工況、測試工況和生產(chǎn)工況。參考API 17D規(guī)范中規(guī)定的在局部塑性應(yīng)變不超過5%的情況下不會引起塑性破壞的判定準(zhǔn)則，利用ABAQUS有限元軟件建立平面軸對稱模型，裝配幾何模型如圖5所示。通過整體加載及單件分析的方法，完成水下閘閥在開啟和關(guān)閉兩種模式下的閥體、閥座、閘板及金屬密封件的強度校核。此處僅就測試工況下閘板關(guān)閉狀態(tài)時閥座和閘板的應(yīng)力強度進行校核。

1—閘板；2—閥座；3—閥體；4—金屬密封；5—支撐環(huán)；6—非金屬密封。

在關(guān)閉狀態(tài)進行靜水壓測試時，對水下閘閥閘板外表面及密封件溝槽內(nèi)施加103.5 MPa(15 000psi)的壓力載荷，并對測試工況下的有限元分析結(jié)果進行處理，隱藏除閥座以外的其他部件，得到閥座的應(yīng)力分布云圖，如圖6所示。

圖6 靜水壓測試工況下閥座和閘板的應(yīng)力分布云圖Fig.6 Cloud chart for stress distribution of valve seat and gate under hydrostatic pressure test

對閥座和閘板的應(yīng)力集中區(qū)域進行線性化分析，路徑如圖6紅線A和B所示，其中路徑B的應(yīng)力線性化結(jié)果不滿足強度校核標(biāo)準(zhǔn)，因此，有必要對閘板補充進行彈塑性分析。對閘板賦予塑性屬性，得到分析結(jié)果如圖7所示。

對比分析線彈性分析結(jié)果和彈塑形性分析結(jié)果，彈塑性分析得到的應(yīng)力水平比線彈性分析得到的要低，更接近于材料在屈服之后的真實應(yīng)力狀況。閘板的最大應(yīng)變值為0.088%，遠低于評定規(guī)范中的5%，說明在測試工況下，閥門關(guān)閉時的閘板不會發(fā)生塑性破壞。

2 制造關(guān)鍵技術(shù)

2.1 閥桿

在閘閥驅(qū)動器中，閥桿承擔(dān)了與其余零件連接的作用，屬于長徑比大于30的細長臺階軸，材料為鎳基合金718，軸上與密封面表面粗糙度均屬于鏡面要求，對于鎳基合金材料，鏡面光整加工及其效果需要從刀具、切削參數(shù)及工藝方法等多方面綜合考慮。

2.2 流道防腐處理

API 6A中HH材料級別的產(chǎn)品要求與油氣接觸的表面采用具有防腐蝕能力的耐蝕合金CRA(Corrosion-Resistant Alloy)，為了實現(xiàn)本體的耐腐蝕性能，在密封墊環(huán)槽和閥腔內(nèi)局部堆焊了625、718等耐蝕合金，再將堆焊的耐蝕合金二次加工至成活尺寸。圖8為在8630M基體材料上完成625耐蝕合金堆焊的閥體。

圖8 堆焊625耐蝕合金的閥體Fig.8 Valve body of bead welded corrosion resistant alloy 625

2.3 閥腔孔

閥腔孔閥座位置的孔徑尺寸大于流道孔徑尺寸，屬于典型的雙臺階內(nèi)擴徑結(jié)構(gòu)，需要進行盲視加工。閥腔堆焊耐蝕合金后，加工要求苛刻。寶石機械將內(nèi)冷循環(huán)抗振刀桿加工、后支撐變徑鏜刀加工和變徑滾壓加工等技術(shù)相結(jié)合，解決了加工過程中黏度大、不易斷屑及沖擊振動等難題，實現(xiàn)了內(nèi)擴徑閥腔孔鏡面加工。

3 測試試驗

水下閘閥及驅(qū)動器在工作中同時承受外部海水壓力和內(nèi)部流體的高壓，一旦閥門發(fā)生泄漏，會對海洋生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞，因此需具備耐高壓性、密封可靠性、開關(guān)穩(wěn)定性及耐久性。而試驗是檢驗零件加工和部件組裝質(zhì)量、驗證產(chǎn)品功能和性能的有效手段，API 6A和API 17D規(guī)范對工廠驗收試驗和設(shè)計確認試驗[8]的試驗項目、試驗流程、試驗介質(zhì)和壓力以及驗收準(zhǔn)則等做了詳細的規(guī)定。2020年8月，水下閘閥及驅(qū)動器樣機在中國油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心完成了靜水壓強度試驗、密封試驗和開關(guān)功能試驗等出廠試驗；2020年10月，樣機在廣漢完成了外壓試驗、動態(tài)試驗、高低溫試驗及溫度壓力循環(huán)試驗等型式試驗，以模擬海洋油氣生產(chǎn)過程復(fù)雜工況下的使用性能。上述試驗過程中樣機表現(xiàn)良好，試驗結(jié)果滿足規(guī)范中驗收準(zhǔn)則，且試驗過程委托第三方檢驗機構(gòu)中國船級社駐廠進行質(zhì)量監(jiān)督，同時取得產(chǎn)品設(shè)計認可證書和產(chǎn)品檢驗合格證書，有效保證了樣機研制質(zhì)量和安全可靠性。

3.1 出廠試驗

靜水壓強度試驗壓力一般為1.5倍的工作壓力，該試驗是檢驗主承載件的壓力承受能力和進行其他出廠試驗的基礎(chǔ)。圖9為閘閥閥體進行103.5 MPa靜水壓試驗的照片。

圖9 閥體靜水壓試驗照片F(xiàn)ig.9 Hydrostatic test of valve body

密封試驗是為了驗證產(chǎn)品在額定壓力下工作的密封有效性，驅(qū)動器液缸、驅(qū)動器閥桿和閥蓋均完成了密封試驗，而且閥座還需進行試驗壓力為額定工作壓力的5%～10%低壓密封試驗。此外，PSL3G的閥門還要進行閥座和閥體氣密性試驗(見圖10)，以檢驗設(shè)備對氣體介質(zhì)的密封性。

圖10 閥門氣密性試驗照片F(xiàn)ig.10 Gas tight test of valve

3.2 型式試驗

首先，水下閘閥和驅(qū)動器在高壓模擬試驗艙中進行了外部壓力試驗。試驗過程中通過驅(qū)動器連接的液壓管線加壓進行閥門的開關(guān)操作，通過試驗?zāi)M了在2 000 m工作水深處承受外部水壓為20.2 MPa環(huán)境下，閘閥和驅(qū)動器在外壓和內(nèi)壓同時作用時液壓管線及接頭的正確性，蓄能器預(yù)設(shè)存儲壓力的合理性，以及驅(qū)動器活塞運動時閥桿密封、閘板閥座金屬密封的密封有效性，驗證了其操作性能和可靠性。

其次，在完成常溫下160次動態(tài)開關(guān)試驗的基礎(chǔ)上，閥門和驅(qū)動器總成還進行了其余PR2F性能鑒定試驗(在121 ℃和-18 ℃溫度下的20次開關(guān)動態(tài)試驗，其中-18 ℃溫度下壓力循環(huán)曲線和在溫控箱內(nèi)的低溫試驗情況如圖11所示)，以及極限溫度下動態(tài)試驗后的閥體氣壓試驗、閥座氣壓試驗、閥座低壓保壓試驗和壓力溫度循環(huán)試驗。

圖11 -18 ℃溫度下閘閥和驅(qū)動器開關(guān)循環(huán)動態(tài)試驗Fig.11 Cyclic dynamic test of gate valve and actuator switch at -18 ℃ temperature

4 國產(chǎn)化建議

(1)在完成結(jié)構(gòu)設(shè)計和樣機研制的基礎(chǔ)上，需通過性能驗證試驗，結(jié)合新材料和新工藝進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、原材料升級替代和改進設(shè)計。

(2)配套能力不足，關(guān)鍵接頭和密封存在供應(yīng)鏈短缺和價格高昂的問題，可尋求技術(shù)外包和聯(lián)合研發(fā)等方式進行國產(chǎn)化替代；加工試驗配套能力也不足，如耐蝕合金堆焊和焊后加工、外表面防腐涂層處理等技術(shù)難度大、耗時長、成本高，不利于產(chǎn)業(yè)化；試驗配套急需搭建專用場地，用于關(guān)鍵性能試驗驗證，以提高產(chǎn)品性能和安全可靠性。

(3)用戶需求與研制樣機在結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)上匹配度較低，如要工程化應(yīng)用還需進行技術(shù)升級和轉(zhuǎn)換。應(yīng)尋求機會推廣性能可靠的單元部件，通過配套局部，了解現(xiàn)役產(chǎn)品技術(shù)水平和要求，提升系統(tǒng)研制能力，為水下采油樹整機國產(chǎn)化研制和工程化應(yīng)用提供技術(shù)參考。

5 結(jié) 論

(1)本文所述水下采油樹閘閥及驅(qū)動器設(shè)計依據(jù)為API 6A和API 17D標(biāo)準(zhǔn)，驅(qū)動器為液壓失效彈簧復(fù)位型結(jié)構(gòu)，通過液壓推動閘板開啟和關(guān)閉閥門，設(shè)置有ROV操作接口。閘板與閥座間為金屬對金屬密封，密封面噴涂碳化鈷或碳化鎢以提高密封耐磨性能和密封可靠性。

(2)寶石機械研制了2 000 m水深、壓力69 MPa的水下閘閥和驅(qū)動器，并在中國船級社監(jiān)督下通過了工廠驗收試驗、外壓試驗和PR2F性能試驗等型式試驗，掌握了設(shè)計、制造和試驗的關(guān)鍵技術(shù)，完成了該部件的國產(chǎn)化研制。

(3)對產(chǎn)品設(shè)計、制造和試驗進行了研究和總結(jié)，并從技術(shù)升級、配套環(huán)境和預(yù)期市場三方面進行分析并提出國產(chǎn)化研制建議。