水下閥門國產化關鍵技術研究

羅曉彬

中海石油（中國）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施，通常應用在海洋油氣開發方面。其位置主要設置在水下生產系統中的終端、管匯以及管線等部位，這些系統需要長期處于水中，因此對閥門的可靠性有較高的要求。

1 研制與工程應用

1.1 國產化需求

某氣田項目開發需要新建一套水下的管匯，需要設置2臺8 in的水下球閥及8臺6 in的水下閘閥，工作水深超過143m，使用壽命設計為20年，性能要求設置為API 6A PR2，產品規格等級設置為PSL 3G，產品材料等級選擇HH級，設計溫度設為-29～82℃。水下閘閥的壓力設計為41.4 MPa，水下球閥的壓力設計為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器人（Remote Operated Vehicle）ROV攜帶扭矩工具進行安裝操作，具體結構圖如圖1所示。

圖1 典型水下閘閥結構圖

1.2 技術要求

水下球閥設計方面根據API 6DSS采用了90°的開關和球浮動固定閥座的結構，可以通過側裝或者頂裝的形式進行安裝。閥座的上游采用了自泄式密封設計，閥座的下游采用了雙活塞效應密封設計，對相應的閥座提供詳細的信息與可靠的治療。閥門設計需要確保閥球和閥座的同心度，為避免雜質和通球對閥座造成損傷，需要制定相應的措施。[1]對自泄放密封端的壓差進行有效識別，通過有效的計算和驗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被清管球鎖破壞。水下閘閥的設計按照API 17D標準，采用直通型的設計，主密封為閘閥，閘板與閥座之間采用金屬的密封，密封面不適用潤滑劑。閘板與閥座涂厚度不低于250μm的碳化物，閘板應當確保在豎直的平面內進行移動，因此需要考慮到水合物、積沙等出現在閥腔內部的情況。閥門的操作可以通過延長軸來進行直接的驅動，通過視覺指示器對全行程進行指示。機械執行器與越控操作兩處的主軸需要確保閥門按照順時針關閉，逆時針打開。

2 水下閥門結構特點

2.1 球閥

常用的水下球閥主要為上裝式球閥和側裝式球閥2種，三片式的球閥因外漏點較多通常應用在淺水工程當中。常用的球閥在密封副方面通常采用金屬密封或者DIB - 2結構。

2.2 閘閥

國際水下工程應用最為廣泛的閘閥為平板閘閥，其結構穩定性較強，密封效果好，使用年限較長。閘閥最常見的驅動裝置主要包括液動驅動和線性驅動。

2.3 閥體法蘭和閥桿密封

閥體的法蘭需要承受內部與外部的共同壓力，因此對密封結構有較高的要求，確保不會出現泄漏問題。為確保閥門的零泄漏和長壽命，需要在設計閥體法蘭與閥桿密封系統時增加密封件的數量。

2.4 無外漏的檢測口及排放口

水下閥門的設計方面通常設置檢測口和排放口，檢測口主要針對殼體內壓和殼體外壓的密封性能進行檢測，排放口通常設置在閥腔的上部或者底部，主要針對排放的水或者氣體進行試驗。閥門試驗后需要對所有的檢測口和排放口進行螺塞的密封焊，確保閥體的密封性。

2.5 開關位置指示裝置

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

2.6 操作延長裝置

為配合水下管匯等生產設施的操作，通常延伸ROV結構到生產設施頂板的部分，延長方式通常為2種，即延長閥桿和延長接口的高度。

3 水下閥門制造關鍵技術研究

3.1 閥門通道濕潤面合金堆焊技術

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，通過內腔堆焊能夠有效提升閥門耐腐蝕的性能，且能夠對貴重合金進行有效的解決，進一步降低閥門的生產成本。因水下閥門長時間處于水下狀態，耐腐蝕性能方面采用碳鋼體內部Inconel625合金堆焊技術。

3.2 密封件的噴涂技術

球體、閘板和閥座的表面硬化噴涂技術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，降低閥門開關過程中出現的磨損，延長閥門的使用年限，降低閥門開關扭矩。但碳化鎢超音速噴涂為物理噴涂技術，與基材的結合強度和噴涂孔隙率還需要通過精準的技術進行控制。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[2-3]。

3.3 水下球閥球體的機加工技術

水下球閥的球體加工質量能夠對閥門的整體密封性能造成直接的影響。生產材料需要結合輸送介質來選擇耐腐蝕性較強的材料，進行碳化鎢的噴涂，滿足水下工作的強度及剛度要求。密封面的碳化鎢噴涂能夠滿足壽命試驗要求，預防多次帶壓的開關后球體的密封面出現磨損情況。

3.4 水下球閥球體和閥座的研磨技術

水下球閥主要為硬密封球體結合閥座的結構，因此對球體及閥座的表面有較高的硬化處理要求。現階段硬密封球閥基本采用超音速火焰噴涂技術，這種方法被廣泛應用在國外水下球閥的生產和加工當中[4-6]。球體與閥座的密封面配磨質量能夠直接影響閥門的各項試驗結果。傳統的人工配磨形式能夠對研磨的環節進行有效控制，研磨過程中也可以對密封面的粗糙程度進行有效觀察，在無壓狀態下進行水密封試驗，確保各個環節研磨的質量都能夠滿足密封要求。

4 測試關鍵技術

4.1 測試標準

水下閥門在設計、材料選擇、制造、焊接、檢驗、測試以及標識等方面都應當嚴格按照API 6DSS/ISO 14723；API17D/ISO 13628-4；API 6A/ISO 10423等標準規范要求。水下閥門的新設計需要結合API 17D/IS0 13628-4和API 6A/ISO10423進行PR2性能的測試。為滿足水下的工作需求需要對水下閥門進行1200次的壽命循環檢測，對手動操作的水下閥門需要進行600次壽命循環檢測，水下閥門裝置應當在設計水深1.1倍壓力下進行外壓測試。閥門需要滿足不同的水下環境應用要求。

4.2 工廠測試

水下閥門因其特殊工況需要需要具備較強的可靠性，對其質量控制進行嚴格要求，避免閥門出現失效的情況。通過工廠測試能夠有效檢測水下閥門的性能，也是最基礎的檢驗，采用合理的檢驗程序結合驗收準則能夠有效控制水下閥門的質量。API 17D/IS0 13628-4、API 6DSS/ ISO 14723、API 6A/ISO 10423 都對水下閥門的出廠試驗標準進行了嚴格的規定。規范中指出水下球閥以及閘閥的試驗條件應當包括壓力試驗、保壓時間以及驗收標準等。水下球閥在出廠試驗方面需要經過連電持續性、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。試驗步驟以及驗收標準應當嚴格按照API 6DSS的規定要求進行。水下閘閥的出廠試驗應當包括連電持續性、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，試驗步驟和驗收標準應當嚴格按照API 6A及API 17D的規定要求進行。

4.3 高壓艙測試

水下閥門需要通過靜水外壓的試驗來確保閥門處于水下工況時能夠穩定發揮功能。試驗采用ROV扭矩工具進行操作。高壓艙試驗時的閥門不得進行涂裝，各種壓力試驗都應當確保足夠的壓力穩定時間，斷開壓力源和閥門。試驗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。調試合格之后進行開關循環測試并對最大與最小的扭矩值進行記錄。閥門測試過程中應當確保輔助裝置能夠安裝完成并且進行艙蓋的關閉后與外圍裝置進行連接。測試結果需要符合相關規定要求以及產品的工況要求。

4.4 PR2 測試技術

PR2性能試驗主要為模擬閥門性能并進行測試，閥門的性能試驗根據API 6A和API 17D規定分為PR1和PR22個等級。開關循環試驗在常溫且滿壓的狀態下進行，通過開關來對閥門使用中的開關情況進行模擬，對閥孔密封機構以及齒輪磨損的情況進行驗證。閥門也需要在最高和最低的使用溫度狀態下進行滿壓的開關檢測，對疲勞壽命進行驗證。

4.5 壽命測試技術

通過帶壓循環開關試驗來對閥門及執行器的壽命進行測試，閥門循環應當從全關位置開始逐漸施加額定的壓力，確保全壓差的狀態下閥桿能夠達到全開的位置，后泄壓到大氣壓力最后關閉閥門。PR2試驗循環也是壽命測試中的一環，水下球閥和水下閘閥需要進行多次壽命循環試驗，確保能夠滿足ISO 5208的C級（球閥）要求以及B級（閘閥）要求。

5 結束語

近幾年結合國外的相關經驗我國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，得到了國際權威的認證，滿足產品質量相關規定標準。本項目中的水下閥門在設計上實現了水下閥門的國產化轉型，初步形成水下閥門的國產設計、制造、檢測以及認證技術等體系，有效打破國外技術的壟斷，為我國獨立自主開發深水油氣田具具有重要的意義和價值。