王志强

（中石化石油工程设计有限公司，山东 东营257026）

摘要:高含硫化氢气田由于天然气中硫化氢的体积分数很高，在自控阀门的接液材质、选型设计力而与普通的气田相比有很大的差别，接液材质必须满足美国防腐蚀工程师协会(NACE)的标准以及中国的相关标准，可以有效防止硫化物应力开裂（SSC）、应力腐蚀开裂（SCC）以及氢致开裂(HIC)等。针对硫化氢的剧毒性和腐蚀性，介绍了自控球阀、自力液压闸板阀的结构及性能特点，探讨了高含硫化氢气田自控阀门选型设计时的注意事项，给出了相应的合理化建议。

关键词:高含硫化氢气田 接液材质 阀门 密封型式

根据相关的石油天然气行业标准，高含硫化氢气田通常是指硫化氢体积分数不小于5%的天然气气田。硫化氢不仅是一种剧毒气体，而且对金属材料具有很强的腐蚀性。用于高含硫化氢气田的自控阀门，接液材质必须满足美国防腐蚀工程师协会(NACE)的标准以及中国的相关标准，可以有效防止硫化物应力开裂(SSC）、应力腐蚀开裂（SCC)以及氢致开裂(HIC)等。某大型海相气田，采用湿气输送工艺，天然气中硫化氢的体积分数高达12%~17%，气田采出水中氯离子质量浓度达到4 X 10-2 kg/L，这对自控阀门的选型、结构设计和材料选择提出了很高的要求。下文对高含硫化氢气田的自控球阀、自力液压闸板阀的选型设计分别进行介绍。

1 自控球阀

该海相高含硫化氢气田集气站场的进出站阀门和流程切换阀门采用气动球阀，气源没有采用压缩空气，而是参照加拿大的做法，采用净化厂返输回来的净化天然气。气动执行机构的应用相对比较成熟，在此不做赘述，文中主要对球阀的选型设计进行探讨。

1.1 阀门的材料

阀门的材料应符合NACE规范的要求，阀体采用锻钢或铸钢，对钢材的化学成分进行抗硫限定，并保证其硬度不大于HRC22。对于自控的紧急关断阀来说，增强阀门的防腐蚀性能，保证其功能性和使用寿命是非常重要的，所以对阀内件的外表而以及阀体的内表而等直接接触硫化氢气体的部件，采用镍基合金堆焊处理。镍基合金是指以金属镍为基础，加入铬、铁等其他金属做成的合金，该合金的特点是耐硫化氢和氯离子的腐蚀能力很强，但价格昂贵。

对于大口径的阀门，采用镍基合金堆焊方式从经济上考虑是合理的;但对于DN150以下的小口径阀门，需要对碳钢+堆焊、整体采用镍基合金这两种方案做经济对比，因为堆焊工艺的难度大、工期长，价格不菲，所以小口径的阀门采用整体镍基合金的方案可能更经济。

1.2 阀门的结构形式

按照结构形式，球阀通常分为三片式球阀、顶装球阀和焊接式球阀等。三片式球阀也叫分体式球阀，阀体由上、下游法兰和中腔通过螺栓组装而成;顶装式球阀的阀体由下阀体和上阀盖组成，阀球和阀座可以从上阀盖处取出;焊接式球阀的阀体通过焊接的方式成为一个整体，如图1所示。

图1 球阀的结构示意

三片式球阀生产工艺相对简单，价格经济，但阀体通过螺栓连接，潜在泄漏点较多;顶装式球阀可以在线取出阀座和阀球进行维修和更换，不需要将整个阀体从管线上拆卸下来，维修方便;焊接式球阀采用焊接式连接，比较可靠，但阀座和阀球的维修困难。

高含硫化氢气田自控阀门的选型主要考虑减少潜在的泄漏点，从设计上减小硫化氢泄漏的可能性川。仅从泄漏点少这个角度考虑，采用焊接式球阀比较好，但焊接式球阀做内部整体堆焊处理很难实现;而三片式球阀泄漏点太多，所以该海相气田采用了顶装式球阀做内部堆焊镍基合金处理的方案。

1.3 密封型式

阀门的密封是保证阀门不内漏和外漏的措施，所以密封型式和材料的选择至关重要。常用的非金属密封材料有橡胶、聚四氟乙烯(PTFE ) ,聚醚醚酮(PEEK)等。采用橡胶密封时应注意:由于橡胶材料结构比较疏松，应用于高压气体介质时，高压气体会进入橡胶内部，一旦出现泄压工况，在压力突然降低时，高压气体会迅速泄出，同时撕裂和破坏橡胶密封材料。所以弹性密封材料，特别是橡胶材料，如果应用压力不小于10 MPa时，应优先选用PTFE或PEEK做密封材料，选用橡胶时应采用抗爆橡胶。

1.3.1 阀杆密封

阀杆密封采用石墨密封和多层唇式密封(Lip-seal)组成。石墨密封的主要作用是防火，使得阀门在火灾工况仍然可以保持一定的密封性能;唇式密封的典型结构剖而图如图2所示。

图2 唇式密封剖而示意

唇式密封的U型开口朝向介质压力的方向，在压力的作用下唇式密封的开口向两侧张开，紧贴两侧的密封而，压力越高，密封效果越好。由于唇式密封的这个特点，在高压阀门的密封处有大量的应用。对于高含硫化氢气田，阀门的外漏必须严格控制，要求阀杆密封应达到ISO 15848《工业阀门:低泄漏测量、试验及资格认定程序》要求的B级，即泄漏量应不大于100 mL/m³。

1.3.2 阀座密封

1)阀座与阀体的密封。根据API管道阀门规范，球阀的阀座密封型式分为DIB -1和DIB - 2 ,DIB-1是指阀门的上下游都提供压力自紧式阀座密封，并且可以实现双向密封;DIB - 2是指阀门的上下游都提供压力自紧式阀座密封，其中1个阀座为双向密封，另1个阀座为单向密封。图3a)为单向密封，它的唇式密封开口向右，所以对右侧来的压力可以实现密封，但对左侧来的压力无法实现密封;图3b)为双向密封，采用了背靠背的2套唇式密封，所以对左侧和右侧来的压力均可以实现密封。

2)阀座的双活塞与自泄压效应。球阀在全开或全关状态时，阀座和阀球都会紧密贴合，管道输送介质会在阀腔内留存。当外界环境温度升高时，阀腔内的介质体积膨胀，会造成阀腔内压力升高，有可能损坏阀门，所以阀门应配置自动泄压的装置。对于高含硫气田，如果采用外部泄压装置，由于安全和环保的要求，必须配置相应的放空管线，接入工艺放空系统。

图3 阀座与阀体之间的密封示意

与采用外部泄压装置相比，采用DIB -2的密封型式进行内部泄压比较方便。可以将球阀的上游侧阀座设计成单向密封，且唇式密封的开口朝向上游，下游侧阀座设计成双向密封。这样球阀对于上下游来的压力均可以实现密封，同时当阀腔内的压力超高时，可以通过上游的单向密封阀座将压力向上游泄放。

3)阀座与阀球的密封。高含硫气田的天然气介质中含有沙粒等较硬的杂质，所以阀座与阀球间的密封采用金属对金属硬密封，避免杂质对软密封的损伤。金属密封而采用碳化钨喷涂或者硬质合金堆焊处理，提高了表而硬度，增强了耐磨性能。要求阀座的密封泄漏等级不低于ISO 5208《工业阀门-金属阀门的压力测试》规定的B级。