水下阀门国产化关键技术研究

罗晓彬

中海石油（中国）有限公司湛江分公司 广东 湛江 524000

水下阀门为海水平面以下采用的阀门设施，通常应用在海洋油气开发方面。其位置主要设置在水下生产系统中的终端、管汇以及管线等部位，这些系统需要长期处于水中，因此对阀门的可靠性有较高的要求。

1 研制与工程应用

1.1 国产化需求

某气田项目开发需要新建一套水下的管汇，需要设置2台8 in的水下球阀及8台6 in的水下闸阀，工作水深超过143m，使用寿命设计为20年，性能要求设置为API 6A PR2，产品规格等级设置为PSL 3G，产品材料等级选择HH级，设计温度设为-29～82℃。水下闸阀的压力设计为41.4 MPa，水下球阀的压力设计为43.1 MPa，是典型的高压阀门，阀门通过潜水员携带特殊手轮或者水下机器人（Remote Operated Vehicle）ROV携带扭矩工具进行安装操作，具体结构图如图1所示。

图1 典型水下闸阀结构图

1.2 技术要求

水下球阀设计方面根据API 6DSS采用了90°的开关和球浮动固定阀座的结构，可以通过侧装或者顶装的形式进行安装。阀座的上游采用了自泄式密封设计，阀座的下游采用了双活塞效应密封设计，对相应的阀座提供详细的信息与可靠的治疗。阀门设计需要确保阀球和阀座的同心度，为避免杂质和通球对阀座造成损伤，需要制定相应的措施。[1]对自泄放密封端的压差进行有效识别，通过有效的计算和验证来确保通球期间的弹簧力充足，确保阀球和阀座之间的密封不会被清管球锁破坏。水下闸阀的设计按照API 17D标准，采用直通型的设计，主密封为闸阀，闸板与阀座之间采用金属的密封，密封面不适用润滑剂。闸板与阀座涂厚度不低于250μm的碳化物，闸板应当确保在竖直的平面内进行移动，因此需要考虑到水合物、积沙等出现在阀腔内部的情况。阀门的操作可以通过延长轴来进行直接的驱动，通过视觉指示器对全行程进行指示。机械执行器与越控操作两处的主轴需要确保阀门按照顺时针关闭，逆时针打开。

2 水下阀门结构特点

2.1 球阀

常用的水下球阀主要为上装式球阀和侧装式球阀2种，三片式的球阀因外漏点较多通常应用在浅水工程当中。常用的球阀在密封副方面通常采用金属密封或者DIB - 2结构。

2.2 闸阀

国际水下工程应用最为广泛的闸阀为平板闸阀，其结构稳定性较强，密封效果好，使用年限较长。闸阀最常见的驱动装置主要包括液动驱动和线性驱动。

2.3 阀体法兰和阀杆密封

阀体的法兰需要承受内部与外部的共同压力，因此对密封结构有较高的要求，确保不会出现泄漏问题。为确保阀门的零泄漏和长寿命，需要在设计阀体法兰与阀杆密封系统时增加密封件的数量。

2.4 无外漏的检测口及排放口

水下阀门的设计方面通常设置检测口和排放口，检测口主要针对壳体内压和壳体外压的密封性能进行检测，排放口通常设置在阀腔的上部或者底部，主要针对排放的水或者气体进行试验。阀门试验后需要对所有的检测口和排放口进行螺塞的密封焊，确保阀体的密封性。

2.5 开关位置指示装置

水下阀门通常需要20年的使用寿命甚至是更长，开关位置的指示装置极容易被海洋生物覆盖，对阀门的遥控操作造成影响，因此在开关位置的指示装置设计方面需要提升亮度和抵御海洋生物的附着。

2.6 操作延长装置

为配合水下管汇等生产设施的操作，通常延伸ROV结构到生产设施顶板的部分，延长方式通常为2种，即延长阀杆和延长接口的高度。

3 水下阀门制造关键技术研究

3.1 阀门通道湿润面合金堆焊技术

陆上含硫化氢较高的油气开采阀门焊接中近几年开始广泛采用Inconel 625合金堆焊技术，通过内腔堆焊能够有效提升阀门耐腐蚀的性能，且能够对贵重合金进行有效的解决，进一步降低阀门的生产成本。因水下阀门长时间处于水下状态，耐腐蚀性能方面采用碳钢体内部Inconel625合金堆焊技术。

3.2 密封件的喷涂技术

球体、闸板和阀座的表面硬化喷涂技术主要采用碳化钨超音速喷涂。表面硬化能够有效提升密封面的比压，降低阀门开关过程中出现的磨损，延长阀门的使用年限，降低阀门开关扭矩。但碳化钨超音速喷涂为物理喷涂技术，与基材的结合强度和喷涂孔隙率还需要通过精准的技术进行控制。通常水下球阀中的球体、阀座、水下闸阀的闸板、阀座，都可以采用碳化钨喷涂技术[2-3]。

3.3 水下球阀球体的机加工技术

水下球阀的球体加工质量能够对阀门的整体密封性能造成直接的影响。生产材料需要结合输送介质来选择耐腐蚀性较强的材料，进行碳化钨的喷涂，满足水下工作的强度及刚度要求。密封面的碳化钨喷涂能够满足寿命试验要求，预防多次带压的开关后球体的密封面出现磨损情况。

3.4 水下球阀球体和阀座的研磨技术

水下球阀主要为硬密封球体结合阀座的结构，因此对球体及阀座的表面有较高的硬化处理要求。现阶段硬密封球阀基本采用超音速火焰喷涂技术，这种方法被广泛应用在国外水下球阀的生产和加工当中[4-6]。球体与阀座的密封面配磨质量能够直接影响阀门的各项试验结果。传统的人工配磨形式能够对研磨的环节进行有效控制，研磨过程中也可以对密封面的粗糙程度进行有效观察，在无压状态下进行水密封试验，确保各个环节研磨的质量都能够满足密封要求。

4 测试关键技术

4.1 测试标准

水下阀门在设计、材料选择、制造、焊接、检验、测试以及标识等方面都应当严格按照API 6DSS/ISO 14723；API17D/ISO 13628-4；API 6A/ISO 10423等标准规范要求。水下阀门的新设计需要结合API 17D/IS0 13628-4和API 6A/ISO10423进行PR2性能的测试。为满足水下的工作需求需要对水下阀门进行1200次的寿命循环检测，对手动操作的水下阀门需要进行600次寿命循环检测，水下阀门装置应当在设计水深1.1倍压力下进行外压测试。阀门需要满足不同的水下环境应用要求。

4.2 工厂测试

水下阀门因其特殊工况需要需要具备较强的可靠性，对其质量控制进行严格要求，避免阀门出现失效的情况。通过工厂测试能够有效检测水下阀门的性能，也是最基础的检验，采用合理的检验程序结合验收准则能够有效控制水下阀门的质量。API 17D/IS0 13628-4、API 6DSS/ ISO 14723、API 6A/ISO 10423 都对水下阀门的出厂试验标准进行了严格的规定。规范中指出水下球阀以及闸阀的试验条件应当包括压力试验、保压时间以及验收标准等。水下球阀在出厂试验方面需要经过连电持续性、水压阀座密封低压气密封、水压壳体、高压气密封、高压气壳体、扭矩操作以及阀腔的自泄压等试验。试验步骤以及验收标准应当严格按照API 6DSS的规定要求进行。水下闸阀的出厂试验应当包括连电持续性、水压阀座密封、水压壳体、壳体气压、上密封气压、阀座气密封以及扭矩操作等试验，试验步骤和验收标准应当严格按照API 6A及API 17D的规定要求进行。

4.3 高压舱测试

水下阀门需要通过静水外压的试验来确保阀门处于水下工况时能够稳定发挥功能。试验采用ROV扭矩工具进行操作。高压舱试验时的阀门不得进行涂装，各种压力试验都应当确保足够的压力稳定时间，断开压力源和阀门。试验过程中需要确保阀门的中腔和阀杆的填料密封部位处于干燥状态。调试合格之后进行开关循环测试并对最大与最小的扭矩值进行记录。阀门测试过程中应当确保辅助装置能够安装完成并且进行舱盖的关闭后与外围装置进行连接。测试结果需要符合相关规定要求以及产品的工况要求。

4.4 PR2 测试技术

PR2性能试验主要为模拟阀门性能并进行测试，阀门的性能试验根据API 6A和API 17D规定分为PR1和PR22个等级。开关循环试验在常温且满压的状态下进行，通过开关来对阀门使用中的开关情况进行模拟，对阀孔密封机构以及齿轮磨损的情况进行验证。阀门也需要在最高和最低的使用温度状态下进行满压的开关检测，对疲劳寿命进行验证。

4.5 寿命测试技术

通过带压循环开关试验来对阀门及执行器的寿命进行测试，阀门循环应当从全关位置开始逐渐施加额定的压力，确保全压差的状态下阀杆能够达到全开的位置，后泄压到大气压力最后关闭阀门。PR2试验循环也是寿命测试中的一环，水下球阀和水下闸阀需要进行多次寿命循环试验，确保能够满足ISO 5208的C级（球阀）要求以及B级（闸阀）要求。

5 结束语

近几年结合国外的相关经验我国逐渐开展了水下球阀和水下闸阀的试制，通过了一系列试验，得到了国际权威的认证，满足产品质量相关规定标准。本项目中的水下阀门在设计上实现了水下阀门的国产化转型，初步形成水下阀门的国产设计、制造、检测以及认证技术等体系，有效打破国外技术的垄断，为我国独立自主开发深水油气田具具有重要的意义和价值。