高溫閘閥設(shè)計(jì)與閘閥高溫試驗(yàn)研究

崔津生，高明磊

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

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速穩(wěn)步發(fā)展，能源需求日益增長(zhǎng)，石油行業(yè)為保證國(guó)家戰(zhàn)略需要，實(shí)現(xiàn)了高速發(fā)展，陸上石油、海洋石油的油氣產(chǎn)能不斷增加，2020年中國(guó)成為全球第四大石油開采國(guó)，國(guó)內(nèi)石油油氣當(dāng)量首次突破2億t，天然氣產(chǎn)量超過(guò)1300億m3，但這依然不能滿足國(guó)內(nèi)能源需求，還需要大量進(jìn)口，因此，加快石油、天然氣的開發(fā)已成為我國(guó)的重要發(fā)展戰(zhàn)略。

近年來(lái)，隨著我國(guó)高壓氣田的不斷開發(fā)，高壓、超深氣井成倍增長(zhǎng)，高端采氣井口的需求與日俱增。目前我國(guó)70MPa以上抗硫化氫、耐高壓、耐高溫的采氣井口裝置主要依賴進(jìn)口，進(jìn)口產(chǎn)品交貨期長(zhǎng)、成本高。

國(guó)內(nèi)企業(yè)開發(fā)中低端井口設(shè)備的較多，涉足高端市場(chǎng)的只有少數(shù)幾個(gè)廠家。產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)使用中質(zhì)量穩(wěn)定性差，使用壽命短。

1 項(xiàng)目背景

隨著油氣開發(fā)的日益廣泛，國(guó)內(nèi)鉆探公司大量到國(guó)外進(jìn)行油氣田開發(fā)，中石油在中亞國(guó)家的開發(fā)項(xiàng)目中，井內(nèi)地層溫度達(dá)到160℃以上，井口溫度在120℃以上；為保證油氣穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，需要使用最高溫度滿足180℃的耐高溫井口產(chǎn)品。

目前，API 6A標(biāo)準(zhǔn)對(duì)采氣井口的常規(guī)溫度要求在-60~ 121℃范圍內(nèi)，在API 6A標(biāo)準(zhǔn)中的附錄G《高溫下裝置的設(shè)計(jì)和額定值的確定》中對(duì)高溫（X級(jí)-180℃、Y級(jí)-345℃）閥門的設(shè)計(jì)提出了性能、材料要求。目前，國(guó)外的CAMERON、FMC、WOM公司已經(jīng)開發(fā)出高溫閥門。

國(guó)內(nèi)高溫閥門的研制處于起步階段，高溫閥門的工業(yè)化應(yīng)用還沒有開始，開發(fā)高溫閥門，可以滿足石油開發(fā)的市場(chǎng)需求，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品空白。

高溫閥門的產(chǎn)品開發(fā)主要由高溫閥設(shè)計(jì)、高溫閥試驗(yàn)裝置和高溫閥試驗(yàn)三部分組成。

2 高溫閥設(shè)計(jì)

高溫閥結(jié)構(gòu)采用平板閘閥結(jié)構(gòu)，承壓件閥體、閥蓋采用低合金鋼，控壓件閥桿、閥板、閥座采用馬氏體不銹鋼（根據(jù)不同的材料級(jí)別；承壓件閥體、閥蓋及控壓件閥桿、閥板、閥座可選用低合金鋼、馬氏體不銹鋼或耐蝕合金；閥門連接形式采用API 6A標(biāo)準(zhǔn)法蘭。

2.1 承壓件設(shè)計(jì)

依據(jù)API 6A附錄G的要求，如表1 所示，選取在高溫條件下材料降低系數(shù)Yγ。

表1 高溫下材料降低系數(shù)的選用

再按API 6X的計(jì)算方法，對(duì)承壓件在高溫狀態(tài)下的應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。最后應(yīng)用有限元分析的方法，分別對(duì)高溫狀態(tài)下承壓件在不同工況下的應(yīng)力和位移進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 非金屬閥桿密封設(shè)計(jì)

采用耐腐蝕合金彈簧和特種復(fù)合材料密封組合PTFE+ Elgiloy，適用于高低溫、高壓、高腐蝕環(huán)境，抗H2S、CO2氣體，最高耐熱溫度為200℃。

2.3 倒密封設(shè)計(jì)

當(dāng)平行閘閥中閥桿密封件出現(xiàn)漏失或其他零件出現(xiàn)損壞時(shí)，可松開閥帽，旋轉(zhuǎn)閥桿使閥桿與閥蓋接觸，形成金屬密封帶，封住井壓，此時(shí)可以拆下閥桿密封圈，帶壓更換，從而保證生產(chǎn)的連續(xù)性。

2.4 應(yīng)用T型螺紋連接閥桿、閥板

增加閥桿、閥板間的配合間隙，閥桿可通過(guò)位置校正，減少閥桿與閥板之間的抗力，這種浮動(dòng)式閥板的設(shè)計(jì)，不但可以降低裝配的難度，還可以達(dá)到減小開關(guān)閥門阻力的效果。

2.5 閥板和閥座間為金屬對(duì)金屬密封

閥板、閥座間采用高硬度、耐磨耐腐蝕合金，保證密封表面的高耐磨性和耐高溫、抗H2S、CO2氣體性能。

2.6 閥座和閥體間采用非金屬密封

密封件內(nèi)裝耐腐蝕合金彈簧，這一結(jié)構(gòu)保證了閥座與閥板緊密貼合，提供低壓預(yù)緊力，可在200℃高溫環(huán)境下保持良好的密封性能。

3 閘閥高溫試驗(yàn)裝置

3.1 高溫恒溫箱的設(shè)計(jì)

高溫恒溫箱設(shè)計(jì)主要依據(jù)API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn) 附錄G的要求，調(diào)研國(guó)內(nèi)外各大油田采氣井口的高溫閥的市場(chǎng)需求，對(duì)試驗(yàn)閥門的規(guī)格、耐受溫度等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行確定，高溫恒溫箱的主要技術(shù)參數(shù)為：

爐膛尺寸1 800mm×1 600mm×1 200mm；額定最高溫度：400℃；控溫精度±1℃；加熱功率35kW；額定電壓380/220V。

高溫恒溫箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以閥門在高溫箱內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)的要求考慮的，主要針對(duì)適用閥門規(guī)格，試驗(yàn)時(shí)閥門的吊裝、固定、連接、試壓管線的走向、承載能力、耐高溫性能和測(cè)溫要求決定的。

3.2 高溫恒溫箱的技術(shù)特點(diǎn)

高溫恒溫箱主要由爐殼、內(nèi)膽、電熱元件、爐門及密封、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、PID智能儀表、交流接觸器控制加熱等組成，如圖1所示。其主要技術(shù)特點(diǎn)：

圖1 400℃高溫恒溫箱

（1）外殼由冷軋鋼板折彎焊接而成，內(nèi)膽采用304、1.2mm不銹鋼板折彎焊接而成。箱體外殼由型鋼組成。

（2）爐襯：在殼體及內(nèi)膽間保溫層填充使用耐火硅酸鋁棉做隔熱層，保溫性好。

（3）電熱元件：電熱元件采用不銹鋼加熱管，低表面負(fù)荷，長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)，熱效率高，節(jié)能環(huán)保。

（4）爐門及密封：密封爐門，爐門四周鑲有軟石棉密封條，采用連桿壓緊，雙密封條壓緊設(shè)計(jì)。

（5）底部設(shè)計(jì)：爐底部固定槽鋼用14a標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格材料，槽鋼上按圖紙要求加工螺栓固定槽，上頂部雙開門，側(cè)面開有工藝門，便于操作（具體尺寸按需方設(shè)計(jì)圖紙制作）。

（6）溫度控制系統(tǒng)：采用智能化儀表顯示控溫，交流接觸器控制加熱，加熱部分可分兩加熱。

（7）保護(hù)功能：超流保護(hù)、超溫保護(hù)報(bào)警、時(shí)間控制、電機(jī)缺相保護(hù)。

4 閘閥型式試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)程序

依據(jù)API Spec 6A附錄F的要求制定本次高溫性能試驗(yàn)試驗(yàn)程序，如表2所示；閘閥承受的最高溫度為180℃，最低溫度-46℃，額定工作壓力為103.5MPa，在常溫、高溫、低溫動(dòng)態(tài)試驗(yàn)和壓力/溫度循環(huán)試驗(yàn)后進(jìn)行常溫密封驗(yàn)證試驗(yàn)和扭矩測(cè)量。

表2 平行閘閥PR2性能鑒定試驗(yàn)要求

主要試驗(yàn)項(xiàng)目：

4.2 閘閥的高溫試驗(yàn)

閘閥的高溫試驗(yàn)按照高溫閥門試驗(yàn)程序進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)完成后對(duì)閥門進(jìn)行解體檢查，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行表面探傷。試驗(yàn)驗(yàn)證閘閥在180℃的高溫條件下密封性能達(dá)到API 6A標(biāo)準(zhǔn)的要求，如圖2、圖3所示。

圖2 高溫恒溫箱升溫

圖3 高溫20次帶壓開關(guān)試驗(yàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

1）經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，高溫閥門的密封性能、承壓能力、耐高溫性均滿足設(shè)計(jì)要求，可在180℃的高溫下使用，本產(chǎn)品滿足了國(guó)內(nèi)外用戶的使用需求。

目前，隨著油田開發(fā)水平的不斷提高，國(guó)內(nèi)外很多高產(chǎn)油田都需要使用溫度超過(guò)120℃的高溫閥門，國(guó)外此類產(chǎn)品價(jià)格高，交貨周期長(zhǎng)，耐高溫閥門是油田對(duì)井口設(shè)備的特殊要求，是油氣開發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備。

2）高溫恒溫箱（400℃）經(jīng)過(guò)驗(yàn)收和閘閥的高溫試驗(yàn)，設(shè)備達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以滿足對(duì)高溫閥門試驗(yàn)需要。

3）閘閥的高溫試驗(yàn)經(jīng)過(guò)高溫下帶壓開關(guān)、閥體氣密封、閥座氣密封、閥座低壓密封和室溫下的密封確認(rèn)試驗(yàn)，確定閘閥可以滿足在180℃高溫井液流動(dòng)狀態(tài)下安全使用，后續(xù)可根據(jù)市場(chǎng)需求對(duì)高溫閥門持續(xù)改進(jìn)提高。