水下采油樹用閘閥和驅動器試驗技術研究

萬春燕，樊春明，賈向鋒，劉文霄，孫傳軒，劉興鐸

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002)

海洋水下采油樹是水下油氣生產系統的核心設備，用于建立油氣井內流體與海水隔離的屏障，控制井內壓力，調節油氣產量，實現油氣的可控采收[1]。閘閥及驅動器與油管懸掛器、堵塞器和井下安全閥等關鍵部件共同組成水下采油樹控制系統的壓力和油氣產出的多重安全屏障[2]。水下閘閥設置于水下采油樹的生產流道和環控流道上，閥門工作時需要同時承受外部海水壓力和內部流體的高壓，一旦閥門發生泄漏，會對海洋生態環境造成極大的、不可逆的破壞，因此水下采油樹閘閥需具備耐高壓性、密封可靠性、開關穩定性及耐久性等性能要求[3]。由于井內油氣介質溫度可達100 ℃以上，壓力高達69 MPa，因此，水下閘閥及驅動器在出廠前需模擬海洋油氣生產過程工況，進行殼體強度試驗、密封試驗、開關功能試驗等工廠驗收試驗和動態試驗、高低溫試驗、溫度壓力循環試驗等性能鑒定試驗，驗證產品強度、功能和性能。由于水下采油樹用閘閥及驅動器結構復雜、試驗條件苛刻、試驗難度極大，目前，國內未見成熟產品及其工程化應用[4]，公開發表的文獻中也未見自主研發的水下采油樹閘閥及驅動器開展系統試驗的完整報道，江漢機械研究所研制的陸地井口裝置和采油樹PR2 性能鑒定試驗系統可實現機械扭矩式水上閥門的PR2試驗[5]，楊平等人通過PR2性能鑒定試驗系統進行了液壓驅動的水下閘閥的性能試驗[6]，張華等人分析了采油樹系統結構強度和試驗驗證方法[7]，丁礦、龔令和王斌等人分別分析了水下采油樹系統傳熱情況和水下閘閥整體結構及受力情況[8-10]。筆者對開發項目中樣機的試驗要求、試驗設備及試驗問題進行闡述，為今后其它水下閘閥及驅動器的試驗提供參考。

1 閘閥及驅動器試驗的要求

1.1 試驗標準

水下閘閥和驅動器屬于水下井口采油樹的關鍵設備，設計、制造、檢驗和試驗都應滿足API 6A和API 17D等標準及規范要求。API 17D中分別給出了水下閘閥和驅動器的工廠驗收試驗項目、試驗流程、試驗介質和壓力，以及驗收準則。API 17D在設計確認試驗中給出了水下閘閥和驅動器的最低設計試驗要求，如壓力循環試驗200次，溫度循環3次和耐久性循環試驗累計總次數應不少于600次[11]。標準要求，凡與水下閘閥配套的液動型驅動器，需組裝成套進行所有性能鑒定試驗，并且在試驗過程中所有零部件不允許拆裝。同時，為了使閘閥和驅動器能夠滿足特殊的使用工況需求，除標準規定的最低試驗程序外，閥門采購方可規定適用的附加性能鑒定試驗內容，例如增加動態循環次數、提高試驗壓力、增加中間試驗程序等。

1.2 工廠驗收試驗(FAT)

水下閘閥和驅動器需進行靜水壓試驗、密封試驗和通徑試驗等工廠驗證試驗，以證明每個完工的水下閘閥和驅動器的結構完整性和裝配及制造是否正確。水下閘閥的閥體需同時承受內部介質壓力和外部海水壓力的關鍵承壓件，其強度應能承受額定載荷，而不會產生影響其它任何性能要求的變形。因此，閥體需通過1.5倍額定工作壓力的靜水壓強度試驗，以驗證閘閥和驅動器本體材料滿足設計要求[12-13]。閥座是決定閥門質量和使用壽命的核心部件，也是試驗過程的關注點，需完成靜水壓試驗、低壓試驗和氣密封試驗，驗證閥門分別滿足用液體和氣體作為試驗介質，具備高壓密封和低壓密封的綜合密封能力。為保證系統安全，避免泄漏事故發生，液控閘閥驅動器一般設計為故障關閉型結構，需照API 6A規范要求進行包括液缸和彈簧腔靜水壓，閥桿、閥蓋和閥桿密封架的密封試驗[14]，以及驅動器液動操作試驗和手動操作試驗。水下采油樹用閘閥和液動故障關閉型驅動器的工廠驗收試驗要求如表1。

表1 水下采油樹用閘閥和液動故障關閉型驅動器工廠驗收試驗要求

1.3 外壓試驗

水下閘閥和驅動器需進行外壓試驗，以驗證水下閘閥和驅動器在承受一定工作水深的外部靜水壓(實際或模擬)的條件下，閥和驅動器結構完整性、裝配及操作是否正常，性能可靠。該試驗可在深水高壓模擬試驗艙中進行裝置外部壓力試驗和驅動器液缸、閘閥本體內部壓力試驗，并可在外壓和內壓同時作用下進行密封性能、動作性能、受力狀況、安全性和可靠性等進行綜合性和系統性的評價。在做高壓艙試驗的期間，高壓艙內的壓力保持不變，直到完成最后1個試驗項目。

1.4 PR2F性能鑒定試驗

由于井內油氣介質溫度可達100 ℃以上，壓力高達69 MPa，甚至更高，水下閘閥及驅動器需要接觸高溫、高壓油氣介質，且存在變壓力、變溫度的工況條件，對可靠性要求極高。API 6A規定了閥門PR2和PR2F兩個等級的性能試驗，PR2F性能試驗旨在通過對閥門使用狀況的模擬，驗證閥門在復雜溫壓條件下的開關和密封性能。API 6A標準中規定的水下閘閥及驅動器PR2F試驗內容包括力或扭矩測量，室溫下的160次動態試驗，最高額定溫度下的20次動態試驗、閥體氣壓試驗、閥座氣壓試驗、閥座低壓保壓試驗，最低額定溫度下的20次動態試驗、閥體氣壓試驗、閥座氣壓試驗、閥座低壓試驗，閥體壓力溫度循環試驗，室溫下的閥體保壓試驗、閥座氣壓試驗、閥體低壓保壓試驗、閥座低壓試驗等。國外的FMC公司在該領域起步較早，為了驗證產品設計壽命，在API 6A標準的基礎上，還將PR2F性能鑒定試驗中的閥門動態試驗次數由200次提升至500次，進一步提高的產品的可靠性[15]。

1.5 耐久性循環試驗

水下閘閥和驅動器是采油樹系統的重要組成部分，主要用于生產主閥、生產翼閥等生產流道和環空主閥、環空翼閥的環空流道油氣的通斷控制，閥板和閥座位于采油樹本體、生產模塊本體或環空模塊本體內，其驅動器通過法蘭與各模塊主體連接，要求水下閘閥和驅動器與水下采油樹一樣，具有20 a或更高的壽命。為了評價和驗證水下閘閥長期往復開啟/關閉的磨損和密封特性，需進行API 17D 標準規定的在額定工作壓力下開啟和關閉不少于600 次耐久性循環試驗，動態試驗程序如圖1所示，其中包含PR2F性能鑒定試驗中的動態試驗200次、外壓試驗中動態試驗200次和室溫下動態試驗200次。并且，在動態試驗前后宜進行閥體、閥座密封試驗，以檢驗動態試驗后產品密封性能的完整性。

圖1 API 17D 標準要求水下閘閥及驅動器動態試驗程序

2 試驗設備

2.1 外壓高壓試驗艙

寶雞石油機械有限責任公司(以下簡稱寶石機械)研制的外壓高壓試驗艙[16]主要由高壓艙本體、35 MPa外部加壓裝置、140 MPa內部加壓裝置、70 MPa液控系統、數據采集系統、視頻監控系統控制系統、安全防護等組成。高壓試驗艙技術參數如表2，試驗裝置如圖2所示，它是目前國內石油裝備行業內壓力最高、容積最大的多功能、多用途的海洋石油裝備試驗裝置。驅動器中的彈簧腔內充滿油液，在實際工作中與液控系統的回油管線連接，油液可自由流動。但試驗時，彈簧腔與液控系統隔斷，油液無法流通，因此須增加1套蓄能器，保持彈簧腔內油液的輸送與排放，圖3為外壓試驗示意圖。

表2 深水高壓模擬試驗艙技術參數

圖3 水下閘閥及驅動器外壓試驗示意

2.3 PR2F高低溫試驗裝置

水下閘閥及驅動器PR2F試驗要求閘閥和驅動器組裝在一起進行，且在試驗過程中不允許拆卸或更換零組件，因此試驗裝置要求具備可同時容納閘閥和驅動器的空間。寶石機械研制的PR2F高低溫試驗裝置和遠程操控平臺，如圖4所示。該裝置具備調節和控制溫度的能力，以提供最高溫度、室溫、最低溫度的環境溫度及保持功能。接口方面，對機械驅動的閘閥，試驗裝置內設有提供轉矩的動力裝置；對液壓驅動的閘閥，具備液壓、氣壓和電纜的管線和接口，保證控制液、試驗介質和信號的輸入或輸出。該試驗裝置可滿足水下閘閥及驅動器整機的PR2F性能試驗要求。

圖4 寶石機械研制的PR2F試驗裝置和遠程操控平臺

3 試驗問題分析

試驗是檢驗產品結構設計、加工制造及裝配質量的有效方法，通過分析試驗結果也可反向指導設計，保證設計質量。在進行水下閘閥及驅動器的密封試驗或動態試驗時，經常出現初始試驗壓力加壓失敗、保壓過程試驗壓力超出要求范圍等情況，導致試驗不通過。

3.1 法蘭連接密封

水下閘閥的驅動裝置通過法蘭和螺栓與閘閥本體相連，用BX金屬密封墊環的擠壓變形產生密封作用，有效密封和隔離生產流道與外環境，形成最外層保護屏障。因此，閥體的密封試驗應先于閥座或閥桿密封試驗，以排除后續試驗中因BX墊環密封失效導致試驗失敗。在組裝時，螺栓預緊力擰緊順序不規范，預緊力不均勻，以及密封面清潔不足，都會引起BX金屬墊環變形不均勻，導致密封失效。當出現法蘭連接密封失效時，需檢查清潔密封墊環和密封面，并對角安裝連接螺栓，組裝后重新進行密封試驗。

3.2 閥桿密封

閥桿密封位于驅動器的閥蓋內，是閥腔與彈簧腔的密封隔離屏障。閥桿密封靠近彈簧腔處一般設置有泄壓閥，排除閥桿密封失效時來自閥腔內的高壓，達到保護彈簧腔的作用。閥桿密封試驗和閥體密封試驗時，泄壓閥處可連接密封泄漏檢測裝置，檢測閥桿密封的完好性。動態試驗過程中閥門需要反復帶壓開啟，如閥桿受力不均勻,則產生閥桿密封件和閥桿偏磨的現象，如圖5～6所示,從而導致閥桿密封失效。重新安裝閥桿及密封件時，仔細檢查閥桿與閘板裝配后，閘板是否活動靈活。

圖5 磨損的閥桿密封件

圖6 偏磨的閥桿

3.3 閘板閥座密封

閥門關閉時，閘板閥座密封有2種情況。當壓力較低時，閘板一側所承受的推力較弱，兩側閥座在其密封件的作用下，對閘板進行有效支撐，使閘板與兩側閥座均接觸，形成閥前密封。當壓力較大時，閘板在壓力作用下與來壓側閥座分離，壓力液進入閥腔，閘閥后方閥座密封件起作用，形成閥后密封。在密封試驗過程中，如出現高壓密封試驗通過，低壓密封試驗不通過的情況，可能是閥座密封件在承受交變載荷后產生塑性變形，在壓力較低時，閥座密封件回彈力不足，使閘閥與閥座密封面分離，導致密封試驗失敗。拆解檢查，如果排除閥座、閥體金屬密封面的影響，且閥座密封件外觀檢查良好，則可能為上述原因，宜選擇彈性系數更高的密封件材料。如果高壓密封試驗不通過，考慮在經過了常溫、高溫和低溫等多次動態循環試驗后，閘板閥座金屬密封面劃傷，或閥座密封件損傷(如圖7所示)，需拆解后排查閘板及閥座金屬密封面表面、閥座密封件，并及時更換新密封件(圖8所示)。

圖7 破損的閥座密封件

圖8 更換新閥座密封件

3.4 動態試驗閥腔內壓力保持

在進行閘閥和驅動器的性能試驗時，需要進行600次及以上的開關動態試驗，閥門的單次開關試驗流程要求閘板在完全關閉后，一側泄壓，另一側在承受額定工作壓力的情況下緩慢開啟， 開啟過程中要求閘板側壓力不低于50%的額定工作壓力，直至閥門完全打開。在閥門開啟過程中，閥腔體是密閉的腔體，腔體內總液量不變，當液體的壓縮和腔體內體積變化的共同作用不能滿足開啟過程的壓力的試驗要求時，需要修改試驗模型，擴大閥腔體的體積，以減少活塞桿的伸出和縮回引起腔體內體積變化產生的影響。

4 結語

1) 水下采油樹用閘閥及驅動器的試驗由一系列試驗組成，通過解析相關標準內容，給出了工廠驗收試驗、外壓試驗、PR2F性能試驗、耐久性循環試驗、含砂沖蝕試驗等試驗要求和試驗注意事項。

2) 結合產品試驗過程中出現的問題，分析了法蘭連接密封、閥桿密封、閘板閥座密封等典型的引起試驗不通過的原因，并給出了指導反向設計的意見。

3) 試驗方法及試驗問題分析研究可為水下采油樹用閘閥或驅動器設計和試驗提供參考。