石 磊 胡晓明 姜 瑛 程寒生 张 飞 钟朝廷

（海洋石油工程股份有限公司）

摘要:水下阀门是水下采油树及水下管汇的关键部件，在水下采油设备中发挥着重要作用。

但水下阀门完全依靠进口的局面对油气田开发成本、进度控制以及阀门后期维护保养均极为不利，可能成为制约我国深水油气资源开发的瓶颈。基于我国南海某气田群开发项目对水下阀门的要求，根据相关标准规范的规定，介绍了水下闸阀和水下球阀的主要技术要求，从设计#制造和测试3个方面探讨了水下阀门研制中的关键技术，并提出了水下阀门国产化的建议。

关键词:水下阀门;国产化;关键技术;制造;建议

引言

水下阀门(主要为闸阀和球阀)是水下采油树及水下管汇的关键部件，在水下采油设备中发挥着重要作用。国外己经具有较多水下阀门的生产厂家(商)，它们拥有水下阀门生产资质证书和工程应用业绩，且在选材、设计和制造上己经趋于标准化。这些厂家主要集中在意大利、美国和英国等国家，其中比较著名的水下阀门生产厂家有cA-MERON RING)、PETROL VALVE, ATV、TYCO/FLOW CONTROL和PERAR等。

近年来，随着国家的大力支持，国内己有部分阀门厂家开始进行相关产品的研发，并取得了API17D和API 6DSS等资质证书，但目前未见成熟产品实际应用于工程项目，水下阀门仍然完全依靠进口。这对油气田开发成本、进度控制以及阀门后期维护保养均极为不利，特别是在我国南海大开发不断推进的背景下可能成为制约我国深水油气资源开发的瓶颈。

基于我国南海某气田群开发项目对水下阀门的要求，笔者对其国产化研制过程中所形成的设计、制造和测试关键技术进行阐述，以期为今后水下阀门的国产化提供指导。

1 项目背景

我国南海某气田群开发项目需要新建一套水下管汇，管汇主管阀门尺寸较大，一般选用水下球阀，管汇支管阀门一般选择闸阀。该项目水下管汇支管上需要8套Φ152.4 mm (6 in)的水下闸阀，主管上需要2套Φ203.2 mm (8 in)的水下球阀。这些阀门的工作水深均为142 m，设计寿命均为20 a，产品规格等级均为PSL 3G，性能要求均为API 6A规范中的PR2，材料等级为HH级，设计温度等级均为P级(-29~+82℃)，水下闸阀的设计压力等级为41.37 MPa (6 000 psi)，水下闸阀和球阀均采用ROV(水下机器人)的操作方式。

水下闸阀的主要技术指标为:设计/测试规范API 17D /GB/T 21412.4;阀座类型SPE(上游)/DPE(下游);阀体/阀盖材料A694 F65;闸板材料INCONEL 718;阀杆材料INCONEL 718+喷涂碳化钨;阀座材料INCONEL 718+喷涂碳化钨;堆焊层INCONEL 625厚度≥3 mm ;碳化钨涂层厚度≥250μm。

水下球阀的主要技术指标为:设计/测试规范API 6DSS/ISO 14723;阀座类型SPE(上游)/DPE(下游);阀体/阀盖材料A694 F65;球体材料A694 F65 + INCONEL 625;阀杆材料IN-CONEL 718;阀座材料INCONEL 625;堆焊层IN-CONEL 625厚度≥3 mm ;碳化钨涂层厚度≥250μm。

由于该项目建设阶段正处于全球油气价格低迷阶段，为积极应对油价下跌给项目生产经营带来的严峻挑战，降本增效和国产化成为该项目的重点工作内容。同时鉴于该项目水下阀门应用水深较浅，阀门设计压力不高等技术特点，使得水下阀门在一定程度上具备了国产化的可行性和迫切性，因此项目组联合国内阀门厂家开展了水下阀门的国产化研究工作。

2 水下阀门设计关键技术研究

2.1 水下闸阀

2.1.1 主要技术要求

水下闸阀设计依据API 17D标准，应设计为直通型，其典型结构如图1所示。水下闸阀的主密封，即闸板与阀座之间应采用金属对金属密封，密封采用全压差设计(阀门一端承受管道水压，另一端为大气压力)。阀门的设计应考虑磨损、腐蚀及砂粒或其他颗粒沉积、水合物形成可能导致的损坏或堵塞。闸板应在竖直平面内移动，特别考虑积砂或水合物在阀腔内部形成的可能性。

图1 典型水下闸阀结构图

2.1.2 密封机构

水下闸阀的密封机构主要由阀体、阀座、闸板及阀座密封圈组成，可在陆地闸阀密封结构上进行优化设计，从材料、表面处理和加工精度等方面进行提高，使其可靠性更高。水下闸阀的阀座和闸板孔径与阀体相同，因此能实现全孔径密封，不会因为密封机构缩颈而对流体形成阻尼。阀体为圆腔结构，能减小阀体内腔受流体压力作用时出现的应力集中。2个阀座和阀座密封圈对称分布，可实现双向密封。闸板与阀座间为金属对金属密封，密封面喷涂碳化钨硬化，使闸板和阀座密封面有很好的耐磨性能。

2.1.3 阀杆填料系统

阀杆填料是水下阀门外漏可能通道中的唯一动密封。要求阀杆填料有15~30 a的超长使用寿命，并且在阀门开关磨损后仍然能可靠密封。为了保证阀杆填料的使用寿命及可靠性，在阀杆填料设计中应采用多道无橡胶的密封来密封阀门内部压力，同时采用密封圈密封来自外部海水的压力。此外，阀杆填料密封面经过硬化抛光处理，能使阀杆在开关运动中对密封件的磨损降到很小。

2.2 水下球阀

2.2.1 主要技术要求

水下球阀设计应依据API 6DSS标准，90°开关，固定球浮动阀座结构。为了避免阀球转动超过90°，阀门应配备终点止动装置，此装置安装在齿轮箱或者执行器中，以避免阀门操作时超过设定的扭矩。阀门设计应预防由于震动造成的自动关闭。水下球阀可以选用顶装式或侧装式结构，侧装式水下球阀的典型结构如图2所示。阀体和其他承压部件的设计与计算应遵循国际公认的设计标准或规范，并考虑管道载荷和操作载荷的影响。

图2 典型侧装式水下球阀结构图

2.2.2 阀座和球体的密封结构

进行阀座和球体密封结构设计之前，首先需要确定密封面在垂直于通道方向的宽度，这几乎影响后续阀门的全部设计。阀座经过介质力作用后，会挤压球体，形成密封效果，但挤压时会导致阀座变形，如果设计的阀座经过变形后局部脱离了密封面，这将导致密封失败。球阀阀座和球体的密封结构可通过有限元分析优化，在保证阀门扭矩合理的同时使密封性能最优化，包括低压气和高压气密封、寿命试验的要求。