水下閘閥性能試驗研究

楊 平，崔津生，陳艷東

（1.河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘 062552；2.河北省井控及井口設備技術創(chuàng)新中心，河北任丘 062552）

水下閘閥是海洋鉆完井工程的關鍵部件，主要應用于水下防噴器組的壓井節(jié)流管匯、水下采油樹以及水下應急封井裝置等系統(tǒng)。以上這些系統(tǒng)均需要長期在水下環(huán)境使用，水下閘閥作為系統(tǒng)油氣管道壓力控制的核心部件，需要持續(xù)承受內(nèi)部流體的高壓以及外部海水的壓力，還要在帶壓狀態(tài)下保持可靠的開啟關閉性能，因此對水下閘閥的開關及密封可靠性和壽命的要求極高。在水下閘閥投入使用前，應對閥門所處環(huán)境和工況進行模擬，建立合適的試驗系統(tǒng)，開展性能試驗研究，來驗證水下閘閥的使用壽命及性能。

1 項目背景

2010年，墨西哥灣漏油事故，英國石油公司設計制造出世界上第一套水下應急封井裝置，并成功應用于事故搶險救援。為保護我國海洋環(huán)境和深水鉆井作業(yè)安全，國家已開展研制水下應急封井裝置的課題研究。水下閘閥作為應急封井裝置通道壓力控制的關鍵部件，應滿足以下技術參數(shù)要求。如表1所示：

表1 水下閘閥主要技術參數(shù)

針對水下閘閥技術參數(shù)要求，開展適用于應急封井裝置的水下閘閥研制，建立PR2性能試驗系統(tǒng)及高壓試驗系統(tǒng)，進行水下閘閥的系列性能試驗研究，來驗證水下閘閥的使用性能。

2 性能試驗

2.1 工廠驗收試驗（FAT）

水下閘閥的工廠驗收試驗（FAT）主要依據(jù)API Spec 6A標準，同時模擬其使用工況，對試驗方案略微調(diào)整，標準對FAT試驗項目的要求有：水壓強度及密封試驗；本體及閥座氣壓高壓試驗；閥座低壓氣壓試驗等。閥門采用的是單閥座密封結構，主要密封件是帶彈簧支撐的U型密封圈，壓力越高，自密封性能越好，高壓密封試驗項目順利完成。限于工況要求，低壓密封不好實現(xiàn)。

水下閘閥在應急封井裝置中，均采用驅(qū)動裝置水平但流道豎直的安裝方式。在這種工況下，閥板及閥座的重量較重，完全抵消了下側U型密封圈的彈簧預緊力，只能靠上側的U型密封圈彈簧預緊力來建立低壓試驗時的初始密封。加工過程中嚴格控制閥體容腔尺寸及閥板、閥座的厚度尺寸，合理選擇裝配間隙，保證閥門低壓情況下的良好密封和操作性能。

2.2 PR2性能鑒定試驗

通過對閘閥實際使用工況的模擬，來驗證閘閥的使用及密封 性能，API Spec 6A附錄F對閘閥的PR2性能鑒定試驗做了規(guī)定，試驗要求如表2所示。其中在完成2、3、4各試驗項目后，在各溫度（高溫、低溫和室溫）下完成5、6、7試驗項目，驗證在各自溫度下循環(huán)試驗后閘閥仍具有良好的密封性能。如表2所示。

表2 水下閘閥PR2性能鑒定試驗要求

從試驗要求可以看到，PR2性能鑒定試驗的關鍵是試驗設備和控制系統(tǒng)。為實現(xiàn)試驗要求，配置可正反轉的液壓馬達及減速箱，實現(xiàn)閘閥的平穩(wěn)開關；配置可放置閘閥及支撐臺架的高低溫箱及恒溫系統(tǒng)，實現(xiàn)高溫、低溫的動態(tài)循環(huán)試驗；同時配置各種壓力、溫度、扭矩及位移傳感器，實現(xiàn)對設備各種參數(shù)的實時監(jiān)控。

整個PR2性能鑒定試驗過程大多是在高壓、極限溫度下進行，為保證安全實現(xiàn)全方位試驗的無人現(xiàn)場，建立了PR2試驗控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集、顯示、試驗設定及操作控制均在遠程控制臺完成。硬件方面，通過控制器、變頻器、編碼器和壓力、溫度、扭矩、位移傳感器的協(xié)同工作，實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的實時顯示及精確控制。軟件方面，控制界面合理布局，壓力、溫度、扭矩等試驗數(shù)據(jù)都可在控制臺實時顯示。同時通過編程，將壓力、溫度及扭矩值曲線繪制在以時間為橫軸的同一個坐標圖，如圖1所示，試驗過程更為直觀。

圖1 水下閘閥PR2性能鑒定試驗系統(tǒng)

2.3 高壓試驗

為鑒定水下閘閥在額定水深安裝條件下的性能，API Spec 17D附錄L對高壓試驗做了規(guī)定。要求水下閘閥在持續(xù)承受外部壓力的同時，完成閘閥額定工作壓力下開啟/關閉的200次循環(huán)。對公司水下防噴器組控制系統(tǒng)深水模擬試驗裝置進行升級改造，形成水下閘閥的高壓試驗系統(tǒng)。閘閥在持續(xù)承受外壓的工況下完成200次帶壓開關循環(huán)，完成所有的高壓功能循環(huán)試驗后，進行本體及閥座的靜水壓密封試驗進行驗收。

2.4 耐久性循環(huán)試驗

為評價水下閘閥長期磨損特性，API Spec 17D標準對水下閘閥的耐久性循環(huán)試驗（壽命試驗）做出了規(guī)定，要求水下閘閥在額定工作壓力下開啟/關閉600次循環(huán)。試驗可在任何溫度下進行，因此PR2性能鑒定試驗及高壓試驗中的各200次帶壓開關循環(huán)可累積到耐久性循環(huán)試驗次數(shù)中。剩余200次開關循環(huán)，借助PR2試驗系統(tǒng)在室溫下完成。最后對閘閥本體及閥座進行靜水壓密封試驗進行驗收。

3 結束語

1）通過設計、加工及裝配工藝優(yōu)化，滿足閘閥特定工況下的FAT試驗要求。

2）建立了PR2性能鑒定試驗系統(tǒng)，完成水下閘閥的PR2性能鑒定試驗及耐久性循環(huán)試驗，驗證了水下閘閥在常溫及極限溫度下長期磨損，仍然具有良好的密封和使用性能。

3）改造原有深水模擬試驗裝置，形成水下閘閥高壓試驗系統(tǒng)，完成高壓試驗，驗證了水下閘閥在額定水深安裝工況下良好的使用性能。

4）后期根據(jù)水下閘閥其他工況要求，還可進行其他適用工況下的性能試驗研究。