羅曉彬

中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司 廣東 湛江 524000

水下閥門為海水平面以下采用的閥門設(shè)施，通常應(yīng)用在海洋油氣開發(fā)方面。其位置主要設(shè)置在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的終端、管匯以及管線等部位，這些系統(tǒng)需要長(zhǎng)期處于水中，因此對(duì)閥門的可靠性有較高的要求。

1 研制與工程應(yīng)用

1.1 國(guó)產(chǎn)化需求

某氣田項(xiàng)目開發(fā)需要新建一套水下的管匯，需要設(shè)置2臺(tái)8 in的水下球閥及8臺(tái)6 in的水下閘閥，工作水深超過143m，使用壽命設(shè)計(jì)為20年，性能要求設(shè)置為API 6A PR2，產(chǎn)品規(guī)格等級(jí)設(shè)置為PSL 3G，產(chǎn)品材料等級(jí)選擇HH級(jí)，設(shè)計(jì)溫度設(shè)為-29～82℃。水下閘閥的壓力設(shè)計(jì)為41.4 MPa，水下球閥的壓力設(shè)計(jì)為43.1 MPa，是典型的高壓閥門，閥門通過潛水員攜帶特殊手輪或者水下機(jī)器人（Remote Operated Vehicle）ROV攜帶扭矩工具進(jìn)行安裝操作，具體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 典型水下閘閥結(jié)構(gòu)圖

1.2 技術(shù)要求

水下球閥設(shè)計(jì)方面根據(jù)API 6DSS采用了90°的開關(guān)和球浮動(dòng)固定閥座的結(jié)構(gòu)，可以通過側(cè)裝或者頂裝的形式進(jìn)行安裝。閥座的上游采用了自泄式密封設(shè)計(jì)，閥座的下游采用了雙活塞效應(yīng)密封設(shè)計(jì)，對(duì)相應(yīng)的閥座提供詳細(xì)的信息與可靠的治療。閥門設(shè)計(jì)需要確保閥球和閥座的同心度，為避免雜質(zhì)和通球?qū)﹂y座造成損傷，需要制定相應(yīng)的措施。[1]對(duì)自泄放密封端的壓差進(jìn)行有效識(shí)別，通過有效的計(jì)算和驗(yàn)證來確保通球期間的彈簧力充足，確保閥球和閥座之間的密封不會(huì)被清管球鎖破壞。水下閘閥的設(shè)計(jì)按照API 17D標(biāo)準(zhǔn)，采用直通型的設(shè)計(jì)，主密封為閘閥，閘板與閥座之間采用金屬的密封，密封面不適用潤(rùn)滑劑。閘板與閥座涂厚度不低于250μm的碳化物，閘板應(yīng)當(dāng)確保在豎直的平面內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)，因此需要考慮到水合物、積沙等出現(xiàn)在閥腔內(nèi)部的情況。閥門的操作可以通過延長(zhǎng)軸來進(jìn)行直接的驅(qū)動(dòng)，通過視覺指示器對(duì)全行程進(jìn)行指示。機(jī)械執(zhí)行器與越控操作兩處的主軸需要確保閥門按照順時(shí)針關(guān)閉，逆時(shí)針打開。

2 水下閥門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 球閥

常用的水下球閥主要為上裝式球閥和側(cè)裝式球閥2種，三片式的球閥因外漏點(diǎn)較多通常應(yīng)用在淺水工程當(dāng)中。常用的球閥在密封副方面通常采用金屬密封或者DIB - 2結(jié)構(gòu)。

2.2 閘閥

國(guó)際水下工程應(yīng)用最為廣泛的閘閥為平板閘閥，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強(qiáng)，密封效果好，使用年限較長(zhǎng)。閘閥最常見的驅(qū)動(dòng)裝置主要包括液動(dòng)驅(qū)動(dòng)和線性驅(qū)動(dòng)。

2.3 閥體法蘭和閥桿密封

閥體的法蘭需要承受內(nèi)部與外部的共同壓力，因此對(duì)密封結(jié)構(gòu)有較高的要求，確保不會(huì)出現(xiàn)泄漏問題。為確保閥門的零泄漏和長(zhǎng)壽命，需要在設(shè)計(jì)閥體法蘭與閥桿密封系統(tǒng)時(shí)增加密封件的數(shù)量。

2.4 無外漏的檢測(cè)口及排放口

水下閥門的設(shè)計(jì)方面通常設(shè)置檢測(cè)口和排放口，檢測(cè)口主要針對(duì)殼體內(nèi)壓和殼體外壓的密封性能進(jìn)行檢測(cè)，排放口通常設(shè)置在閥腔的上部或者底部，主要針對(duì)排放的水或者氣體進(jìn)行試驗(yàn)。閥門試驗(yàn)后需要對(duì)所有的檢測(cè)口和排放口進(jìn)行螺塞的密封焊，確保閥體的密封性。

2.5 開關(guān)位置指示裝置

水下閥門通常需要20年的使用壽命甚至是更長(zhǎng)，開關(guān)位置的指示裝置極容易被海洋生物覆蓋，對(duì)閥門的遙控操作造成影響，因此在開關(guān)位置的指示裝置設(shè)計(jì)方面需要提升亮度和抵御海洋生物的附著。

2.6 操作延長(zhǎng)裝置

為配合水下管匯等生產(chǎn)設(shè)施的操作，通常延伸ROV結(jié)構(gòu)到生產(chǎn)設(shè)施頂板的部分，延長(zhǎng)方式通常為2種，即延長(zhǎng)閥桿和延長(zhǎng)接口的高度。

3 水下閥門制造關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 閥門通道濕潤(rùn)面合金堆焊技術(shù)

陸上含硫化氫較高的油氣開采閥門焊接中近幾年開始廣泛采用Inconel 625合金堆焊技術(shù)，通過內(nèi)腔堆焊能夠有效提升閥門耐腐蝕的性能，且能夠?qū)F重合金進(jìn)行有效的解決，進(jìn)一步降低閥門的生產(chǎn)成本。因水下閥門長(zhǎng)時(shí)間處于水下狀態(tài)，耐腐蝕性能方面采用碳鋼體內(nèi)部Inconel625合金堆焊技術(shù)。

3.2 密封件的噴涂技術(shù)

球體、閘板和閥座的表面硬化噴涂技術(shù)主要采用碳化鎢超音速噴涂。表面硬化能夠有效提升密封面的比壓，降低閥門開關(guān)過程中出現(xiàn)的磨損，延長(zhǎng)閥門的使用年限，降低閥門開關(guān)扭矩。但碳化鎢超音速噴涂為物理噴涂技術(shù)，與基材的結(jié)合強(qiáng)度和噴涂孔隙率還需要通過精準(zhǔn)的技術(shù)進(jìn)行控制。通常水下球閥中的球體、閥座、水下閘閥的閘板、閥座，都可以采用碳化鎢噴涂技術(shù)[2-3]。

3.3 水下球閥球體的機(jī)加工技術(shù)

水下球閥的球體加工質(zhì)量能夠?qū)﹂y門的整體密封性能造成直接的影響。生產(chǎn)材料需要結(jié)合輸送介質(zhì)來選擇耐腐蝕性較強(qiáng)的材料，進(jìn)行碳化鎢的噴涂，滿足水下工作的強(qiáng)度及剛度要求。密封面的碳化鎢噴涂能夠滿足壽命試驗(yàn)要求，預(yù)防多次帶壓的開關(guān)后球體的密封面出現(xiàn)磨損情況。

3.4 水下球閥球體和閥座的研磨技術(shù)

水下球閥主要為硬密封球體結(jié)合閥座的結(jié)構(gòu)，因此對(duì)球體及閥座的表面有較高的硬化處理要求?，F(xiàn)階段硬密封球閥基本采用超音速火焰噴涂技術(shù)，這種方法被廣泛應(yīng)用在國(guó)外水下球閥的生產(chǎn)和加工當(dāng)中[4-6]。球體與閥座的密封面配磨質(zhì)量能夠直接影響閥門的各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果。傳統(tǒng)的人工配磨形式能夠?qū)ρ心サ沫h(huán)節(jié)進(jìn)行有效控制，研磨過程中也可以對(duì)密封面的粗糙程度進(jìn)行有效觀察，在無壓狀態(tài)下進(jìn)行水密封試驗(yàn)，確保各個(gè)環(huán)節(jié)研磨的質(zhì)量都能夠滿足密封要求。

4 測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)

4.1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

水下閥門在設(shè)計(jì)、材料選擇、制造、焊接、檢驗(yàn)、測(cè)試以及標(biāo)識(shí)等方面都應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照API 6DSS/ISO 14723；API17D/ISO 13628-4；API 6A/ISO 10423等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。水下閥門的新設(shè)計(jì)需要結(jié)合API 17D/IS0 13628-4和API 6A/ISO10423進(jìn)行PR2性能的測(cè)試。為滿足水下的工作需求需要對(duì)水下閥門進(jìn)行1200次的壽命循環(huán)檢測(cè)，對(duì)手動(dòng)操作的水下閥門需要進(jìn)行600次壽命循環(huán)檢測(cè)，水下閥門裝置應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)水深1.1倍壓力下進(jìn)行外壓測(cè)試。閥門需要滿足不同的水下環(huán)境應(yīng)用要求。

4.2 工廠測(cè)試

水下閥門因其特殊工況需要需要具備較強(qiáng)的可靠性，對(duì)其質(zhì)量控制進(jìn)行嚴(yán)格要求，避免閥門出現(xiàn)失效的情況。通過工廠測(cè)試能夠有效檢測(cè)水下閥門的性能，也是最基礎(chǔ)的檢驗(yàn)，采用合理的檢驗(yàn)程序結(jié)合驗(yàn)收準(zhǔn)則能夠有效控制水下閥門的質(zhì)量。API 17D/IS0 13628-4、API 6DSS/ ISO 14723、API 6A/ISO 10423 都對(duì)水下閥門的出廠試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定。規(guī)范中指出水下球閥以及閘閥的試驗(yàn)條件應(yīng)當(dāng)包括壓力試驗(yàn)、保壓時(shí)間以及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等。水下球閥在出廠試驗(yàn)方面需要經(jīng)過連電持續(xù)性、水壓閥座密封低壓氣密封、水壓殼體、高壓氣密封、高壓氣殼體、扭矩操作以及閥腔的自泄壓等試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟以及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照API 6DSS的規(guī)定要求進(jìn)行。水下閘閥的出廠試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)包括連電持續(xù)性、水壓閥座密封、水壓殼體、殼體氣壓、上密封氣壓、閥座氣密封以及扭矩操作等試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照API 6A及API 17D的規(guī)定要求進(jìn)行。

4.3 高壓艙測(cè)試

水下閥門需要通過靜水外壓的試驗(yàn)來確保閥門處于水下工況時(shí)能夠穩(wěn)定發(fā)揮功能。試驗(yàn)采用ROV扭矩工具進(jìn)行操作。高壓艙試驗(yàn)時(shí)的閥門不得進(jìn)行涂裝，各種壓力試驗(yàn)都應(yīng)當(dāng)確保足夠的壓力穩(wěn)定時(shí)間，斷開壓力源和閥門。試驗(yàn)過程中需要確保閥門的中腔和閥桿的填料密封部位處于干燥狀態(tài)。調(diào)試合格之后進(jìn)行開關(guān)循環(huán)測(cè)試并對(duì)最大與最小的扭矩值進(jìn)行記錄。閥門測(cè)試過程中應(yīng)當(dāng)確保輔助裝置能夠安裝完成并且進(jìn)行艙蓋的關(guān)閉后與外圍裝置進(jìn)行連接。測(cè)試結(jié)果需要符合相關(guān)規(guī)定要求以及產(chǎn)品的工況要求。

4.4 PR2 測(cè)試技術(shù)

PR2性能試驗(yàn)主要為模擬閥門性能并進(jìn)行測(cè)試，閥門的性能試驗(yàn)根據(jù)API 6A和API 17D規(guī)定分為PR1和PR22個(gè)等級(jí)。開關(guān)循環(huán)試驗(yàn)在常溫且滿壓的狀態(tài)下進(jìn)行，通過開關(guān)來對(duì)閥門使用中的開關(guān)情況進(jìn)行模擬，對(duì)閥孔密封機(jī)構(gòu)以及齒輪磨損的情況進(jìn)行驗(yàn)證。閥門也需要在最高和最低的使用溫度狀態(tài)下進(jìn)行滿壓的開關(guān)檢測(cè)，對(duì)疲勞壽命進(jìn)行驗(yàn)證。

4.5 壽命測(cè)試技術(shù)

通過帶壓循環(huán)開關(guān)試驗(yàn)來對(duì)閥門及執(zhí)行器的壽命進(jìn)行測(cè)試，閥門循環(huán)應(yīng)當(dāng)從全關(guān)位置開始逐漸施加額定的壓力，確保全壓差的狀態(tài)下閥桿能夠達(dá)到全開的位置，后泄壓到大氣壓力最后關(guān)閉閥門。PR2試驗(yàn)循環(huán)也是壽命測(cè)試中的一環(huán)，水下球閥和水下閘閥需要進(jìn)行多次壽命循環(huán)試驗(yàn)，確保能夠滿足ISO 5208的C級(jí)（球閥）要求以及B級(jí)（閘閥）要求。

5 結(jié)束語

近幾年結(jié)合國(guó)外的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)我國(guó)逐漸開展了水下球閥和水下閘閥的試制，通過了一系列試驗(yàn)，得到了國(guó)際權(quán)威的認(rèn)證，滿足產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。本項(xiàng)目中的水下閥門在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了水下閥門的國(guó)產(chǎn)化轉(zhuǎn)型，初步形成水下閥門的國(guó)產(chǎn)設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)以及認(rèn)證技術(shù)等體系，有效打破國(guó)外技術(shù)的壟斷，為我國(guó)獨(dú)立自主開發(fā)深水油氣田具具有重要的意義和價(jià)值。