水下安全閥的相關分析

楊 平

（1.河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘 062552；2.河北省井控及井口設備技術創新中心，河北任丘 062552）

在整個水下采油系統中，水下安全閥主要是一種設置于主管道上的安全裝置。該裝置的主要功能是：當井口出現緊急情況，或水下蓄能器組無法提供液壓動力時，靠驅動器彈簧力提升閥板，使得閥門處于關閉狀態截斷管路，從而避免安全事故的發生。我國海洋采油法規規定：在油氣開采作業中，凡具有自噴或自溢能力的石油井都必須安裝水下安全閥，以保證石油開采作業的安全性。由此可見水下安全閥的重要作用。本文就水下安全閥相關問題進行具體分析。

1 水下安全閥的原理與特征

1.1 水下安全閥作用原理

在水下生產系統中，安全閥是不可缺少的部件，該部件在防控海洋污染與火災等方面發揮著重要作用。具體如，在石油開采過程中，如果某處發生漏油泄氣事故，那么井的實際流量就會超過設定值，當系統檢測到這一異常信號后，就會開啟水下安全閥的關閉程序將井關閉，及時避免油氣泄漏造成海洋污染或是平臺火災等負面事件的發生。且水下采油井的注入、生產、泄放、隔斷等功能的實現均需通過水下安全閥來完成。

1.2 水下安全閥特征特點

由于水下采油技術難度大、環境復雜、干擾因素多，因此水下安全閥的防腐性、密封性、外部承壓性均需達到非常高的標準，同時安全閥的功能必須要完善且能穩定發揮。如對于水下安全閥的密封性以及承壓性而言，由于水下安全閥是在海水中工作，水深往往達到幾百米甚至幾千米。而水下水壓巨大，要想通過安全閥來達到隔斷、注入等目的，就必須保證安全閥有十分強大的承壓能力，不僅能承受住來自海水的外部壓力，還要能承受內部油氣介質的壓力。并且水下安全閥還要有極高的密封性能，能有效阻斷海水的滲入以及油氣的泄漏，保障采油作業安全順利進行。

除此之外，水下安全閥需要長時期與海水、石油等接觸，這些物質均會對安全閥的內外部產生十分大的腐蝕作用，如果安全閥的防腐性能不高，將使其安全系數大大降低、使用壽命大幅縮短，同時讓海水、人員、設備等均受到巨大的安全威脅，讓采油作業無法順利進行。因此需保證水下安全閥本體材質、密封元件等不僅要耐內部介質腐蝕，還要耐海水腐蝕。最后，水下安全閥的可靠性和安全性必須要達到較高標準。相關單位在進行水下安全閥設計或是試驗檢測時，必須基于故障安全原則進行，即當水下安全閥出現故障時，能夠維持安全狀態或向安全狀態轉移。

2 水下安全閥關鍵技術

2.1 水下安全閥設計總則

一般情況下，水下安全閥的設計壽命為15～20a，并且從原則上來講，在水下安全閥使用期間，要盡量少維修甚至不維修，從而降低石油生產成本，提升石油生產效益，并降低因閥門維修而引起的意外事故發生幾率。但在實際使用過程中，由于水下安全閥所處的環境復雜，并長期受到高壓、高溫、高腐蝕性介質的作用，因而水下安全閥的密封性、使用壽命等往往得不到保證。基于此，在進行水下安全閥的設計時，必須基于故障安全性原則，根據安全閥的實際工作環境采用相應技術與材料做好水下安全閥的密封性、抗壓性、抗腐蝕性設計，以保證水下安全閥功能作用的充分發揮。

閥板、閥座是水下安全閥內部的核心部件，該兩項部件的性能質量將對閥門的密封性產生直接影響。如在水下安全閥作業過程中，閥門內部的閥座以及閥板會受到高低溫、高壓、高腐蝕原油介質等的多種作用。如果閥板、閥座的表面處理工藝及裝配工藝不夠精密，原材料的耐腐蝕性、耐熱性等未達到標準，將直接導致水下安全閥的各項性能、功能受到影響，導致水下安全閥的功能作用得不到發揮。因此在設計過程中必須采用對工藝、材料等提高重視。除此之外，由于水下安全閥長期處于深海環境中，并且與井液接觸。因而在石油生產過程中產生的大量含有二氧化碳、硫化氫等有害氣體以及原油都會對安全閥內部的金屬部件產生腐蝕，導致安全閥可用年限縮短。針對這一情況，在安全閥設計階段就應采用堆焊耐腐蝕合金、連接陽極進行陰極保護、部件表面涂覆耐腐蝕涂層等方法有效防止部件受腐蝕。

2.2 水下安全閥密封技術

水下安全閥長時間工作于高腐蝕、高壓、高溫等環境中，非常容易在內外作用下出現破損、開裂等問題，導致安全閥的密封性降低，各項功能無法正常使用。基于此，在設計階段，就應提前采取一系列密封技術手段來提升安全閥的密封性能。如，在材料的選用上，盡可能選擇由石墨粉、金屬粉等高分子復合密封材料，利用這類材料提升安全閥的抗老化性能與自潤滑性能，提升安全閥的密封性。再如在閥座與閥體、閥座與閥板、閥體與閥蓋之間，需要采用金屬密封技術，有效提升水下安全閥的密封性能。在設計時，可在閥座背部設計帶彈簧片的唇形密封，協助閥板與閥座實現低壓時的初始密封。同時要保證閥體底座密封面的清潔，為水下安全閥的正常使用提供保障。

2.3 加工裝配工藝技術

在水下安全閥工作過程中，閥板與閥座發揮著重要作用。因此在進行水下安全閥設計時，需要高度重視閥座與閥板的設計工作，要科學選擇適合的材料與表面加工技術，并進行多次實驗驗證以保證閥座與閥板的抗腐蝕性、密封性與穩定性。如在進行某款水下安全閥加工制造工藝的選擇與應用上，可采用粉末等離子噴焊碳化鎢硬質合金層的技術方法來提高構件的韌性、強度以及耐蝕性，預防部件開裂。

2.4 水下安全閥防腐技術

水下安全閥不同部位會接觸到不同的腐蝕介質，因此在進行閥門設計時，必須根據各類介質的性質特點，對閥體的腐蝕程度來采取相關技術措施做針對性處理，從而實現對水下安全閥的有效保護。具體如，水下安全閥腔體內部長期與高腐蝕性流體接觸，這些流體會對腔體產生腐蝕、高壓沖擊等，容易使腔體內部腐化或破損，導致水下安全閥無法正常使用。針對這一問題，在設計時可采用堆焊的方式對關鍵部位進行處理，以提升水下安全閥應對沖蝕以及腐蝕的能力。而對于接觸海水的金屬部件，采用噴涂PTFE 耐腐蝕涂層來對金屬部件進行保護，有效減少海水對金屬部件的腐蝕。具體如，在解決水下安全閥腔體的受腐蝕問題時，首先需依據相關資料對介質中的二氧化碳、硫化氫成分進行檢測計算，掌握介質對各部位的腐蝕程度，之后再針對相關部位進行耐腐蝕合金堆焊，以提升整體的處理效果，提升水下安全閥耐腐蝕能力與密封性能。除以上處理手段外，還可通過選擇一種比鐵基材料更加活潑的金屬材料作為犧牲陽極來保護水下安全閥免遭海水腐蝕。設計人員首先根據具體情況準確計算出犧牲陽極的數量，并確定出焊接位置，之后再依據DNV RP B401 相關標準選擇適用的犧牲陽極材料，進而保證整個操作科學有效。最后，為安全起見，在水下安全閥出廠前，需要規范檢測犧牲陽極與閥門之間的導電率，確保實際數值與設計數值相符后方能將設備投入使用。

3 結束語

綜上所述，水下安全閥是水下生產系統中不可缺少的重要部件。要想提升油氣開采的安全性、高效性，就必須優化水下安全閥的設計與生產制造，進一步提升水下安全閥的密封性、抗腐蝕性以及抗壓性，提高水下安全閥的質量。盡管近年來我國水下生產事業不斷發展進步，油氣產量逐年提高，但在水下設備的研究與開發方面還存在較多不足。為此建議相關單位要進一步加大對水下裝備的研究與優化，為我國石油事業的發展提供重要保障。