高温闸阀设计与闸阀高温试验研究

崔津生，高明磊

（1.河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北任丘 062552；2.河北省井控及井口设备技术创新中心，河北任丘 062552）

随着中国经济的高速稳步发展，能源需求日益增长，石油行业为保证国家战略需要，实现了高速发展，陆上石油、海洋石油的油气产能不断增加，2020年中国成为全球第四大石油开采国，国内石油油气当量首次突破2亿t，天然气产量超过1300亿m3，但这依然不能满足国内能源需求，还需要大量进口，因此，加快石油、天然气的开发已成为我国的重要发展战略。

近年来，随着我国高压气田的不断开发，高压、超深气井成倍增长，高端采气井口的需求与日俱增。目前我国70MPa以上抗硫化氢、耐高压、耐高温的采气井口装置主要依赖进口，进口产品交货期长、成本高。

国内企业开发中低端井口设备的较多，涉足高端市场的只有少数几个厂家。产品在现场使用中质量稳定性差，使用寿命短。

1 项目背景

随着油气开发的日益广泛，国内钻探公司大量到国外进行油气田开发，中石油在中亚国家的开发项目中，井内地层温度达到160℃以上，井口温度在120℃以上；为保证油气稳产高产，需要使用最高温度满足180℃的耐高温井口产品。

目前，API 6A标准对采气井口的常规温度要求在-60~ 121℃范围内，在API 6A标准中的附录G《高温下装置的设计和额定值的确定》中对高温（X级-180℃、Y级-345℃）阀门的设计提出了性能、材料要求。目前，国外的CAMERON、FMC、WOM公司已经开发出高温阀门。

国内高温阀门的研制处于起步阶段，高温阀门的工业化应用还没有开始，开发高温阀门，可以满足石油开发的市场需求，填补国内产品空白。

高温阀门的产品开发主要由高温阀设计、高温阀试验装置和高温阀试验三部分组成。

2 高温阀设计

高温阀结构采用平板闸阀结构，承压件阀体、阀盖采用低合金钢，控压件阀杆、阀板、阀座采用马氏体不锈钢（根据不同的材料级别；承压件阀体、阀盖及控压件阀杆、阀板、阀座可选用低合金钢、马氏体不锈钢或耐蚀合金；阀门连接形式采用API 6A标准法兰。

2.1 承压件设计

依据API 6A附录G的要求，如表1 所示，选取在高温条件下材料降低系数Yγ。

表1 高温下材料降低系数的选用

再按API 6X的计算方法，对承压件在高温状态下的应力进行设计校核。最后应用有限元分析的方法，分别对高温状态下承压件在不同工况下的应力和位移进行验证。

2.2 非金属阀杆密封设计

采用耐腐蚀合金弹簧和特种复合材料密封组合PTFE+ Elgiloy，适用于高低温、高压、高腐蚀环境，抗H2S、CO2气体，最高耐热温度为200℃。

2.3 倒密封设计

当平行闸阀中阀杆密封件出现漏失或其他零件出现损坏时，可松开阀帽，旋转阀杆使阀杆与阀盖接触，形成金属密封带，封住井压，此时可以拆下阀杆密封圈，带压更换，从而保证生产的连续性。

2.4 应用T型螺纹连接阀杆、阀板

增加阀杆、阀板间的配合间隙，阀杆可通过位置校正，减少阀杆与阀板之间的抗力，这种浮动式阀板的设计，不但可以降低装配的难度，还可以达到减小开关阀门阻力的效果。

2.5 阀板和阀座间为金属对金属密封

阀板、阀座间采用高硬度、耐磨耐腐蚀合金，保证密封表面的高耐磨性和耐高温、抗H2S、CO2气体性能。

2.6 阀座和阀体间采用非金属密封

密封件内装耐腐蚀合金弹簧，这一结构保证了阀座与阀板紧密贴合，提供低压预紧力，可在200℃高温环境下保持良好的密封性能。

3 闸阀高温试验装置

3.1 高温恒温箱的设计

高温恒温箱设计主要依据API Spec 6A标准 附录G的要求，调研国内外各大油田采气井口的高温阀的市场需求，对试验阀门的规格、耐受温度等技术参数进行确定，高温恒温箱的主要技术参数为：

炉膛尺寸1 800mm×1 600mm×1 200mm；额定最高温度：400℃；控温精度±1℃；加热功率35kW；额定电压380/220V。

高温恒温箱结构设计是以阀门在高温箱内进行试验的要求考虑的，主要针对适用阀门规格，试验时阀门的吊装、固定、连接、试压管线的走向、承载能力、耐高温性能和测温要求决定的。

3.2 高温恒温箱的技术特点

高温恒温箱主要由炉壳、内胆、电热元件、炉门及密封、风机系统、PID智能仪表、交流接触器控制加热等组成，如图1所示。其主要技术特点：

图1 400℃高温恒温箱

（1）外壳由冷轧钢板折弯焊接而成，内胆采用304、1.2mm不锈钢板折弯焊接而成。箱体外壳由型钢组成。

（2）炉衬：在壳体及内胆间保温层填充使用耐火硅酸铝棉做隔热层，保温性好。

（3）电热元件：电热元件采用不锈钢加热管，低表面负荷，长寿命设计，热效率高，节能环保。

（4）炉门及密封：密封炉门，炉门四周镶有软石棉密封条，采用连杆压紧，双密封条压紧设计。

（5）底部设计：炉底部固定槽钢用14a标准规格材料，槽钢上按图纸要求加工螺栓固定槽，上顶部双开门，侧面开有工艺门，便于操作（具体尺寸按需方设计图纸制作）。

（6）温度控制系统：采用智能化仪表显示控温，交流接触器控制加热，加热部分可分两加热。

（7）保护功能：超流保护、超温保护报警、时间控制、电机缺相保护。

4 闸阀型式试验

4.1 试验程序

依据API Spec 6A附录F的要求制定本次高温性能试验试验程序，如表2所示；闸阀承受的最高温度为180℃，最低温度-46℃，额定工作压力为103.5MPa，在常温、高温、低温动态试验和压力/温度循环试验后进行常温密封验证试验和扭矩测量。

表2 平行闸阀PR2性能鉴定试验要求

主要试验项目：

4.2 闸阀的高温试验

闸阀的高温试验按照高温阀门试验程序进行，试验结果达到设计要求。试验完成后对阀门进行解体检查，对关键部件进行表面探伤。试验验证闸阀在180℃的高温条件下密封性能达到API 6A标准的要求，如图2、图3所示。

图2 高温恒温箱升温

图3 高温20次带压开关试验

5 结束语

1）经过试验验证，高温阀门的密封性能、承压能力、耐高温性均满足设计要求，可在180℃的高温下使用，本产品满足了国内外用户的使用需求。

目前，随着油田开发水平的不断提高，国内外很多高产油田都需要使用温度超过120℃的高温阀门，国外此类产品价格高，交货周期长，耐高温阀门是油田对井口设备的特殊要求，是油气开发的关键设备。

2）高温恒温箱（400℃）经过验收和闸阀的高温试验，设备达到设计要求，可以满足对高温阀门试验需要。

3）闸阀的高温试验经过高温下带压开关、阀体气密封、阀座气密封、阀座低压密封和室温下的密封确认试验，确定闸阀可以满足在180℃高温井液流动状态下安全使用，后续可根据市场需求对高温阀门持续改进提高。