水下平板闸阀阀座密封技术探讨
车强 池胜高 潘灵永 王凌寒 李新年
( 1、中石化石油工程机械有限公司研究院  2、中国石化石油机械装备重点实验室 3、华中科技大学FESTO气动中心)

摘要: 水下平板闸阀阀座密封的可靠性和稳定性直接影响水下生产系统的正常运行。通过对水下闸阀密封试验测试、几种典型阀座密封结构及密封机理、闸阀关键部件材料选择和热喷涂技术等进行阐述，得出水下闸阀阀座密封结构设计要求点，即首先根据油气介质的工作压力、气质条件来确定密封方式; 其次是设计的阀板与阀座金属密封面在低压状态下必须具有自密封性; 再者是设计的阀板与阀座需始终保持浮动状态; 最后是应选择合适的阀座与阀板密封面喷涂材料及喷涂工艺。建议我国应加大水下闸阀阀板与阀座金属密封面涂层材料的自主研发，深入研究热喷涂后的腐蚀行为测试方法，确定不同工况下涂层材料的选择方案及依据。研究内容可为我国的平板闸阀国产化研制提供参考!

关键词: 平板闸阀; 阀座; 密封结构; 分体式; 材料选择; 热喷涂

0 引言

随着海洋石油工业技术的发展和海上油田水深的增加，水下生产系统以其自身优势(开发成本低、建设周期短、开发效益高和安全性较高等)广受世界各国的青睐。水下平板闸阀是水下生产系统的通用部件，也是水下井口装置、水下采油树和水下管汇系统的关键组成部件。水下平板闸阀阀座密封的可靠性和稳定性直接影响水下生产系统的正常运行，甚至带来安全隐患。目前，水下平板闸阀主要通过液压执行机构驱动阀板在阀座间上、下运动，实现管路的全开启与全关闭。其中，执行机构输出力需克服阀板与阀座间的摩擦力，该摩擦力主要取决于阀板与阀座间金属与金属接触的摩擦因数和管路油气压力。在深海井中，工作压力一般为69~138Mpa。与传统陆用闸阀不同，水下平板闸阀设计寿命一般在20a 以上，使用频率平均每年1~4( 次，主要是在修井时开启运行，产品认证需满足API-6A 和 API17D性能鉴定试验要求。除此之外，还需做关于涂层材料的磨损和摩擦等相关测试试验。我国的水下设备研制起步较晚，相关文献很少，很多关键技术如密封问题、材料和加工工艺等都存在很大瓶颈。为此，笔者通过对水下闸阀密封试验测试、几种典型阀座密封结构及密封机理、水下闸阀关键部件材料选择和热喷涂技术进行阐述，总结出水下平板闸阀阀座密封设计要点和应具备的性能要求，以期为我国的平板闸阀国产化研制提供参考。

1 水下平板闸阀密封试验测试

国外对水下平板闸阀早己工业化应用，具有水下闸阀制造能力的公司主要集中在FMC, CAMER-UN,WOM和NOVT3等。各个公司的水下平板闸阀试验测试主要依照API标准，然而巴西石油公司对其应用的闸阀则有更高的规范要求，除了API测试要求外，在工厂验收测试(FAT)质量认证过程中增加了一些功能测试。这些功能测试数据与水下平板闸阀的设计数据相结合，能够更好地提高水下平板闸阀在湿式采油树、水下管汇和管道终端管汇应用中的可靠性。目前，我国还没有自己的测试标准，对此，笔者结合API标准和巴西规范，列举出水下平板闸阀测试步骤和测试内容，具体如下。

(1) 有润滑脂的初始密封测试;

(2) 外界大气压条件下功能性测试(液压和扭矩力); 

(3) 去脂后阀座与阀板间的金属密封面测试;

(4) 外界大气压条件下循环测试(循环测试过程中有间歇)，包括液压循环测试、密封测试、外界大气压下的功能测试、循环前的扭矩测试、扭矩循环和循环后的扭矩测试;

(5) 温度测试;

(6) 初始高压舱内功能测试(不强制);

(7) 完整的扭矩力测试;

(8) 高压舱内循环测试;

(9) 高压舱内、外压力密封测试;

(10) 完整的高压舱内功能测试;

(11) 拆卸阀，检查部件的磨损等;

(12) 测试报告和样机认证。

任何新开发的水下平板闸阀样机都需按照上述测试步骤进行检测。其中，阀座密封测试监测点分别是阀体上游和下游流道，通过压力值进行测试鉴定。正常测试过程中，上游压力保持不变，当闸阀打开瞬间，下游压力从0突变到上游压力，一直持续到阀板关闭瞬间，压力又从上游压力突变到0。API标准和巴西规范在泄漏鉴定标准上有所不同，API 6A规定不允许有可见泄漏，而巴西规范要求在气体密封测试中，每次保压期间无任何气泡产生。

2 闸阀阀座密封结构及密封机理

综合分析国外现有水下平板闸阀等同类产品可知，水下平板闸阀阀座密封结构可根据单侧阀座数分为单阀座密封和分体式阀座密封;根据密封工作原理可分为单向密封(下游密封)和双向密封(上、下游同时密封)。

2.1 单阀座密封

单阀座密封是应用最早的一种密封形式，其结构特点是平板闸阀阀板两边各布置1个阀座，与U形密封圈组件和波形弹簧(或C形弹簧)相结合，对称布置。其中，U形密封圈组件的开口面向阀座，保证下游密封;波形弹簧主要是确保阀座和阀板在低压状态下紧密接触。另外，有的密封结构在闸板两边各配置1个阀板裙，目的是阻止油气中的固体颗粒进入金属密封面和阀腔内。

     图1为单阀座密封结构示意图。

工作原理(见图2):此阀处于关闭状态，当油气介质进入阀体上游流道内，可以通过上游阀座与阀体的端面和圆周间隙，经U形密封圈组件进入阀腔内，阀腔内的流体介质进入下游阀座与阀体的圆周间隙，此时U形密封圈组件两端形成压差，促使U形密封组件开口张开，形成密封屏障，阻止流体进入阀体下游流道;同时，上游油气介质压力推动阀板和下游阀座轴向移动，阀板与下游阀座接触面形成自密封(金属与金属密封)，确保阀腔流体不会从阀板与下游阀座表面进入阀体下游流道中，实现下游密封。该密封型式属于单向密封。