針對水下閥門設計中對材料要求及選擇探究

邵玲玲,盛建鐘（浙江三方控制閥股份有限公司,浙江　富陽　311400）

針對水下閥門設計中對材料要求及選擇探究

邵玲玲,盛建鐘
（浙江三方控制閥股份有限公司,浙江富陽311400）

深海開采石油和天然氣資源是我國未來發展趨勢，水下閥門是水下采油樹和水下管匯設備的關鍵部件，材料選擇是水下閥門設計的一個重要方面。根據有關設計規范的規定，總結水下閥門材料的選擇時需要考慮的因素，為水下閥門的材料選擇提出有效的建議。

水下閥門；因素；材料要求；選擇

1　引言

海洋水下設備在我國的研究和應用剛起步，目前國內海洋水下石油和天然氣設備主要從外國進口。本文對水下管匯閥門選擇和材料技術進行研究，總結了設計過程中對水下管匯閥門的選擇要點以及水下閥門材料的技術，希望能給水下管匯設計、設備選擇和水下生產設施提供技一些幫助。

2　選擇水下閥門材料需要考慮的因素

目前，水下閥門材料的選擇主要基于以下標準：

（1）API17D水下生產系統的設計與操作第4部分：水下井口裝置和采油樹設備；

（2）API6A井口裝置和采油樹設備；

（3）M－001材料選擇(NORSOK規范)；

（4）NACEMR0175石油和天然氣工業,石油和天然氣的生產中含有硫化氫的環境使用的材料。

（1）不同的金屬材料接觸產生的電流；

（2）非金屬材料的應用溫度和化學阻力；

（3）陰極保護的材料;

（4）表面涂層;

（5）材料跟注入介質的兼容性；

（6）材料可用性和成本；

（7）有相對運動部件應考慮材料的耐磨性等因素。

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3　水下管匯閥門材料要求

水下管匯閥門材料的選擇要符合API6A和API6DSS這兩種標準的要求:選材應當綜合考慮下列幾種因素：抗拉強度、硬度、屈服強度、耐蝕性和其他機械材料性能等等，使用應滿足水環境的介質條件,壓力、溫度、和可靠性要求。

閥門組件的制造以及其材料的選擇都應當依照ASTM要求，不允許在未得到批準的情況補焊、鍛造部件，一般情況下不可以使用性質、功能差不多的材料代替。水下管匯閥門材料等級不應小于6APIEE，而受壓部件的材料在二氧化碳環境中應該是不允許出現腐蝕破壞的現象。

3.1碳鋼

水下管匯閥門可以選擇碳鋼鍛件作為材料，其最低等級有ASTMA694GradeF60、ASTMA694GradeF65或ASTMA350LF2這三種情況。碳鋼鑄件材料等級最低有以下兩種：ASTMA352GradeLCC和MDSC12。鍛件一般情況下最大的碳含量為0.20%，最大的碳當量(CEV)通常為0.42%，CEV=C+Mn/6+(CR+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15%。碳鋼和低合金鋼部件的硬度通常最大不超過250HV10。

3.222% Cr 雙相不銹鋼

水下管匯閥門如果用22%Cr雙相不銹鋼作為材料，其最低等級為ASTMA182GradeF51。該材料的鍛件或鑄件出爐后應進行先退火，然后迅速水淬。抗點蝕當量(PREN)不應低于35，應該在最大限度的設計溫度下進行拉伸試驗。金屬的硬度最大不能超過286HV10，若超過則判定為不合格，并且應當依照ASTMA370標準來進行夏比沖擊檢測。根據ASTME562來測定鐵素體含量，而且必須在35%～55%的范圍內。

3.325% Cr 雙相不銹鋼

水下管匯閥門若用25%Cr雙相不銹鋼作為材料，其最低等級為ASTMA182GradeF55，鍛件也應該進行快速固溶、退火和水淬，這幾點必須得到保障，從而提高閥門的質量。抗點蝕當量數(PREN)要求也較嚴格，不能小于40。最低抗拉強度應基于25%Cr雙相不銹鋼進行調整，并且必須在高溫下。本體金屬的硬度最大不能超過330HV10，最后再根據ASTMA370標準進行夏比沖擊試驗。鐵素體的含量應當根據ASTME562來測定,而且其數值必須在35%～55%的范圍內。焊縫金屬和熱影響區鐵素體含量范圍應該在35%～35%之間,最后也要根據ASTMG48標準進行腐蝕試驗。

3.4鎳基合金

鎳基合金在一般情況下主要是用于制造符合API6A和API17D規范的HH井口裝置的部件，而由于其性能也可用于制造閥門。用鎳基合金制造的水下閥門，其最低等級為STMB637，鍛件應在退火或固溶后才可以進行沉淀硬化處理。

3.5非金屬密封材料

對于全部非金屬密封材料，如閥門中使用的聚合物和密封閥座(即暴露于工藝介質的材料)，應滿足標準NORSOKM-630中材料屬性、材料證書、老化狀況等等測試要求。可能接觸到彈性密封的地方應該用碳氫化合物作為減壓防爆材料，并應該在最低設計溫度的環境下能適用，且外包裝應該使用環保材料。

4　結語

（1）查閱了相關規范并了解了實際情況，影響閥門設計的因素較多，主要是水下閥門所處環境惡劣、腐蝕性較強所導致的，因此必須充分考慮閥門工作環境中是否存在H2S、CO2和Cl－等物質，并通過選材來克服一切由環境帶來的困難。

（2）針對不同工況要求，通過對各種各樣的材料進行屬性分析，從而選擇經濟、適用的材料（材料的選擇方案應符合API17D、API6A及NACEMR0175規范）。

（3）目前，我國還沒有具體文獻對水下閥門的選材有明確的指導作用，有些研究工作還停留在表面，沒從深層次對水下閥門進行探究。本文主要結合了水下閥門的相關規范要求，對水下閥門現狀進行總結，同時對閥門的材料選擇進行了研究討論，并結合實際工程經驗，在水下閥門選材方面有了一定進展。

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[3]祝曉丹，王國富，王瑞英. 淺談水下球閥的選用[J]. 中國造船，2012(S2):423-428.

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