水下液控化學藥劑注入閥關鍵技術研究

齊效文，許洋，范海濤(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

0 引言

水下生產(chǎn)系統(tǒng)是海油氣資源開發(fā)中的一項核心裝備，而水下液控閥門是水下生產(chǎn)系統(tǒng)裝備中最核心的部件，其工程化應用水平直接影響到水下生產(chǎn)系統(tǒng)裝備的安全性、可靠性及經(jīng)濟性。

水下閥門涉及到機械加工技術、密封技術、液壓技術、水下工程作業(yè)技術等多項技術，集合了機械制造、海洋工程以及水下工程等多門學科技術，技術難度大。多年來全球市場一直被少數(shù)幾家歐美公司所占據(jù)，形成了市場壟斷和技術壁壘，因此研究國產(chǎn)化結構簡單、操作簡便、費用低廉的水下液控閥門具有重要意義。

1 研究內(nèi)容

1.1 水下液控化學藥劑注入閥技術研究

(1)閥門的密封技術研究；

(2)主要部件材料及防腐技術研究；

(3)閥門關鍵件及關鍵工序的加工制造、裝配工藝研究。

1.2 水下閥門執(zhí)行機構技術研究

(1)執(zhí)行機構驅(qū)動形式及結構研究；

(2)液壓及機械操作研究；

(3)執(zhí)行機構外置工具研究；

(4)可視位置指示裝置研究。

1.3 水下閥門及其執(zhí)行機構性能測試技術及測試裝備研究

(1)模擬水下機器人(ROV)操作測試；

(2)模擬環(huán)境水深(壓力艙測試)操作測試；

(3)高低溫壓力循環(huán)測試；

(4)高壓急速泄放測試；

(5)帶高壓振動測試；

(6)砂漿沖損測試。

2 研究方案

為了確保所研制的水下閥門及執(zhí)行機構樣機的可靠性，本課題將嚴格按照ISO 13628-4《水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設計和操作—水下井口裝置和采油樹設備》[1]規(guī)范要求進行性能測試。

2.1 水下閥門密封技術研究

通過研究水下閥門閥桿與閥蓋、閥板閥座及閥體之間的結構特性，針對水下閥門的使用工況，對影響密封的因素如壓力、溫度、硫化氫含量、二氧化碳含量等進行分析，找出影響密封的關鍵因素，研發(fā)合適的密封形式及密封材料。

閥板與閥座采用接觸式金屬密封，并在閥座背面加裝唇形密封，使閥板閥座在初始低壓狀況下實現(xiàn)密封。低壓情況下，通過唇形密封的彈性將閥板閥座之間的間隙降低到零，實現(xiàn)初始密封，壓力升高后，閥板閥座金屬密封面貼合，實現(xiàn)金屬密封。

閥蓋與閥體之間采用穩(wěn)定的金屬密封鋼圈進行密封，而閥蓋與閥桿則采用有彈性的閥桿密封組件，閥桿密封組件外部為高分子復合密封材料，內(nèi)部為合金彈簧片，能夠有效實現(xiàn)閥蓋與閥桿在不同壓力下的密封。

2.2 水下閥門材料及防腐技術研究

水下閥門材料在符合油氣的壓力、溫度、腐蝕性等要求的同時，不僅具備足夠的強度和剛度，而且要便于加工和焊接。

針對內(nèi)部流體高溫、高壓、高腐蝕性的特點，材料設計在考慮高溫高強度滿足要求的同時，通過降低有害元素含量添加合金元素增加材料的抗腐蝕能力。材料的抗硫化氫應力斷裂性能主要與材料的晶界強度有關，材料設計中降低H、O、N 等有害元素的含量，加入Cr、Mo、Nb、Ti、Cu 等合金元素細化原始奧氏體晶粒度，超細晶粒原始奧氏體經(jīng)淬火后，形成超細晶粒鐵素體和分布良好的超細碳化物組織，具有極強的抗硫化物應力腐蝕、晶間腐蝕及應力腐蝕的能力，并對材料進行高溫回火，消除殘余應力。

閥體內(nèi)閥座密封位置、鋼圈密封位置要在與流體接觸的同時實現(xiàn)金屬密封，此類重要位置考慮進行耐腐蝕合金堆焊，在不改變閥體原有強度的前提下，通過堆焊提高金屬密封面的抗腐蝕性能。

深海海水中氯離子含量約為17 868 mg/L，總礦化度約37 943 mg/L，為碳酸氫鈉水型，具有較強的腐蝕性能，因此水下閥門及執(zhí)行機構與海水接觸部件表面需進行防腐處理。通過以往的工程經(jīng)驗，可以進行柔性陶瓷處理、超薄復合聚氨酯噴涂表面處理及海洋油漆噴涂處理等。

柔性陶瓷技術為亞微米級陶瓷顆粒涂層技術，與金屬材料具有極強的附著力，涂層固化后形成陶瓷微粒囊狀殼，相互結合成為致密的固化膜。空心的囊狀陶瓷顆粒既起到保護基體的作用，又有很高的表面潤滑性，還能夠防止基體材料表面結垢。高分子陶瓷顆粒增強了動態(tài)化學性能和物理性能，使涂層耐腐蝕性能十分優(yōu)異，陶瓷本身的物理和化學性能也決定了它極適合于嚴重的沖蝕和腐蝕的環(huán)境。

2.3 水下閥門關鍵件及關鍵工序的加工制造、裝配工藝研究

根據(jù)閥體、閥板、閥座、閥桿、閥蓋、執(zhí)行機構活塞等關鍵零件的加工制造工藝，選擇配套的機械加工設備，并研制專用加工工裝夾具進行配合。

水下閥門系統(tǒng)結構復雜，裝配精度要求高，如閥板閥座金屬密封面位置的安裝、閥桿密封的安裝、執(zhí)行機構活塞密封的安裝等均有較高要求，編制裝配作業(yè)指導書，研究裝配工藝，研制裝配工裝。

2.4 水下閥門執(zhí)行機構技術研究

水下閥門執(zhí)行機構驅(qū)動形式及結構研究：主要在提高執(zhí)行機構響應速度、簡化操作形式、承受外部高壓等方面進行研究。結合現(xiàn)有的技術基礎，消化和吸收相關技術，采用理論分析與中間試驗相結合的方式確定水下閥門執(zhí)行機構的總體結構。

液壓及機械操作研究：水下閥門執(zhí)行機構內(nèi)部設計有液壓裝置，可通過對液壓裝置加壓，實現(xiàn)閥門開啟，閥門開啟時，執(zhí)行機構內(nèi)的螺旋彈簧處于壓縮狀態(tài)，在發(fā)生緊急狀況時，只需將壓力泄放，閥門便可在彈簧的回彈作用下實現(xiàn)快速自動關閉。

水下閥門執(zhí)行機構不僅可通過內(nèi)部液壓裝置對閥門進行操作，而且要求在內(nèi)部液壓裝置失效時，還可通過輔助工具進行閥門開關操作。根據(jù)輔助工具與ROV 的接口形式，及執(zhí)行機構與工具的接口形式，參照ISO 13628-8《水下生產(chǎn)系統(tǒng)ROV接口》〔1〕展開輔助工具的結構設計。

執(zhí)行機構安裝有位置指示器，位置指示器能夠清楚地顯示閥狀態(tài)(開/關和滿行程)，以便潛水員或潛水器觀察。在裝有遙控潛水器操作裝置的執(zhí)行機構上，應該考慮從工作的潛水器觀察位置指示器的能見度。

2.5 水下閥門及其執(zhí)行機構性能測試技術及測試裝備研究

水下閥門及執(zhí)行機構在使用工程中的影響因素，包括溫度及壓力變化、振動載荷、熱應力載荷、內(nèi)外部壓力載荷、砂礫沖損和腐蝕等，通過研究模擬水下機器人(ROV)操作測試、模擬環(huán)境水深(壓力艙測試)操作測試、高低溫壓力循環(huán)測試、高壓急速泄放測試、帶高壓振動測試、砂漿沖損測試等關鍵測試技術，確保產(chǎn)品的可靠性測試項目。

高壓急速泄放測試：水下閥門在單側(cè)和閥腔帶壓的情況下，分別急速開閥和關閥，模擬現(xiàn)場作業(yè)中會出現(xiàn)的開關操作，驗證閥板閥座金屬密封表面的耐磨性。

模擬環(huán)境水深(壓力艙測試)操作測試：通過等效水深的壓力艙測試，模擬水下閥門及執(zhí)行機構在額定水深下的運行狀況。已進行過模擬500 m 水深壓力艙測試，只需進行設備購置即可實現(xiàn)1 500 m 水深壓力艙測試。

高低溫壓力循環(huán)測試：模擬水下閥門在使用過程中承受的高低溫環(huán)境，通過建造高低溫箱設備來實現(xiàn)模擬水下閥門所處溫度環(huán)境。高低溫箱溫度可調(diào)，能滿足閥門的最高和最低額定溫度，在閥門分別處于高溫和低溫環(huán)境中進行壓力循環(huán)試驗和內(nèi)部高低壓保壓試驗，檢測水下閥門性能。

帶高壓振動測試：水下閥門內(nèi)部油氣流動產(chǎn)生的沖擊會造成閥門振動，在閥門內(nèi)部帶高壓情況下進行振動測試，模擬閥門的真實使用環(huán)境，檢測閥門性能。

砂漿沖損測試：油田開采過程中尤其是油田開發(fā)后期，出砂越來越嚴重，因此保證閥門設備的抗砂漿沖損性能非常重要。根據(jù)ISO 10423 附錄I 的要求〔2〕，在試驗室進行合適的砂漿配比，通過砂漿循環(huán)設備使閥門反復經(jīng)受砂漿沖損，檢測閥門耐砂漿沖損性能。

3 結語

(1)閥門的密封主要采用金屬密封，固定位置采用壓縮金屬密封形式，能夠?qū)崿F(xiàn)永久密封，需開啟關閉的運動位置采用金屬鏡面密封為主，彈性橡膠密封輔助的形式，能夠有效實現(xiàn)閥門在不同壓力下的密封。

(2)閥門內(nèi)部密封零件采用沉淀硬化鎳基合金，表面進行等離子噴焊碳化鎢硬質(zhì)合金層，極大地提高了閥板閥座的耐腐蝕、抗磨損性能。

(3)閥門的執(zhí)行機構同時設計液控和機械控制，在液控失效情況下，可以通過水下機器人操作關閉閥門，并配備相應的作業(yè)工具。

(4)閥門樣機須通過各種性能測試，在不同壓力、溫度、外部帶壓等條件下進行測試，以確保閥門在極端情況下依然能夠正常工作。