水下采油樹閘閥及驅動器國產化關鍵技術分析*

萬春燕 賈向鋒 王定亞 劉文霄,2 王小靜,2 李娜

(1. 寶雞石油機械有限責任公司 2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心)

0 引 言

水下閥門及其驅動器是水下采油樹、水下管匯系統和水下輸油管道等水下生產系統控制油氣壓力和產出的關鍵部件，它包括水下閘閥和水下球閥兩種。其中，水下閘閥因開啟關閉過程平穩、流動阻力小及密封可靠，被廣泛應用于各種水下生產設備上[1]。國外水下閘閥及驅動器設計、制造和試驗技術已非常成熟，例如Cameron、FMC、Magnum、TYCO及Drill Quip等公司已形成壟斷[2]，正朝著常規化、多循環及標準化方向發展。FMC公司在該領域起步較早，為了驗證產品設計壽命，在API 6A[3]規范要求的基礎上，還將PR2F性能鑒定試驗中的閥門動態試驗次數由200次提升至500次，進一步提高了產品的可靠性[4]；Magnum公司的液壓單作用深海閘閥驅動器帶有彈簧復位功能；TYCO公司設計了并列的兩個液壓機構以增大閥門關閉的輸出扭矩，且作為水下安全閥，所有閥門都設置有水下機器人ROV(Remotely Operated Vehicle)遠程操作接口。

國內陸地用井控閥門技術較成熟，但水下采油樹閘閥及驅動器結構有別于陸地，且閘板、閥座密封和驅動器結構更為復雜，可靠性要求更高，公開發表的文獻中也未見自主研發的水下采油樹閘閥及驅動器工程化應用的報道。在國家科技部、工信部及發改委等對海洋油氣鉆采設備國產化的大力支持下，水下采油樹、水下管匯及連接器以及水下閥門等裝置相繼完成了國產化研制[5]。寶雞石油機械有限責任公司(以下簡稱寶石機械)依托“水下臥式采油樹系統研制(1期)”和 “水下立式采油樹研制”項目，完成了適用水深1 500 m的水下臥式采油樹及配套工具和適用水深500 m的導向繩式水下立式采油樹的研制[6-7]，開發了壓力等級為69 MPa、性能要求為PR2F的水下閘閥和驅動器。筆者以水下采油樹閘閥及驅動器國產化研制過程為基礎，詳細闡述了其總體結構、工作原理、主要技術參數、組成部件、加工制造和測試試驗情況，旨在為水下采油樹用閘閥的國產化研制提供借鑒和參考。

1 技術分析

1.1 結構及原理

寶石機械研制的水下臥式采油樹和水下立式采油樹總體結構如圖1所示，水下閥門及驅動器固定在其各個模塊上，結構緊湊。圖2是液控驅動器和閘閥的結構示意圖。

1—采油樹帽；2、13—修井閥；3、10—環空翼閥；4、11—截止閥；5、14—ROV面板；6、16—生產翼閥；7、15—生產主閥；8、17—換向閥；9、18—SCM；12—環空主閥。

1—ROV接口；2—指示桿；3—液缸端蓋；4—液缸；5—彈簧腔殼體；6—連接法蘭；7—閥桿；8—盲堵法蘭；9—閥體；10—閥座；11—閘板；12—閥座密封。

水下閘閥通過驅動器帶動閥桿及閘板往復運動來實現閥門的啟閉。在實際生產過程中，生產主閥、生產翼閥及環空主閥等均采用常閉式液壓驅動實現遠程操控，即當液壓系統壓力斷開時，閘閥通過復位彈簧實現自動關閉；同時驅動器上設置有備用ROV操作接口，當液壓系統故障出現時，可通過ROV操作實現閥門的手動開啟。

1.2 主要技術參數

水下閘閥及驅動器主要技術參數如表1所示。

表1 水下閘閥及驅動器的主要技術參數Table 1 Main technical parameters of subsea gate valve and actuator

1.3 關鍵結構與性能分析

1.3.1 密封結構

深水維護和操作應用所處工況復雜且困難，要求水下閘閥具有20 a或更長的設計壽命，而密封性能的好壞又是影響設備可靠性的關鍵。水下閘閥的密封分為4部分，即驅動器與閥門本體連接處密封、驅動器彈簧腔與閥門腔體之間的密封、閘閥閥座與閘板之間的密封以及閥座與閥門本體間的密封，且密封壓力均為69 MPa。

驅動器與閥門本體連接處的密封通過螺栓組壓緊金屬墊環實現密封；驅動器彈簧腔與閥門腔體通過閥桿的倒密封環實現密封；水下閘閥(見圖3)的兩個閥座位于平板閘板兩側，通過流道內的高壓壓緊閥板與閥座的端面實現密封，密封面還可通過噴涂碳化鈷或碳化鎢提高閘板和閥座金屬密封面的耐磨性能和可靠性。閥座與閥門本體間的密封為端面密封和孔軸密封的二次自密封結構，可滿足高壓和低壓密封的要求。

1—閥體；2—閥座密封；3—閘板；4—閥座。

1.3.2 驅動器彈簧腔

驅動器設計需解決其液缸和彈簧腔之間的密封、閥門液壓失效后自動關閉功能以及閥門密封防止內泄漏等問題。液控閘閥驅動器如圖4所示。驅動器彈簧腔與水下蓄能器連通，且下水前腔體內需充滿液體，既可有效隔離海水，又減小了壓力平衡功能在不同工作水深時對彈簧腔密封件的影響。彈簧腔的內外雙層彈簧設置在液缸開啟壓力失效時，可平穩快速地使閘閥關閉。驅動器連接法蘭上設置泄壓閥，用于當閥桿密封或倒密封失效時，泄除流道壓力，保護彈簧腔殼體和液缸。

1—指示桿；2—液缸；3—外彈簧；4—內彈簧；5—彈簧腔殼體；6—泄壓閥；7—連接法蘭；8—閥桿；9—閥桿密封；10—連接桿；11—壓板；12—液缸密封；13—超控桿密封；14—超控桿。

1.3.3 密封性能分析

水下閘閥密封可靠是保證其正常工作的基礎，故密封性能分析是該部件強度校核的重點。結合水下閘閥的實際工作情況，將其載荷條件分為預緊工況、測試工況和生產工況。參考API 17D規范中規定的在局部塑性應變不超過5%的情況下不會引起塑性破壞的判定準則，利用ABAQUS有限元軟件建立平面軸對稱模型，裝配幾何模型如圖5所示。通過整體加載及單件分析的方法，完成水下閘閥在開啟和關閉兩種模式下的閥體、閥座、閘板及金屬密封件的強度校核。此處僅就測試工況下閘板關閉狀態時閥座和閘板的應力強度進行校核。

1—閘板；2—閥座；3—閥體；4—金屬密封；5—支撐環；6—非金屬密封。

在關閉狀態進行靜水壓測試時，對水下閘閥閘板外表面及密封件溝槽內施加103.5 MPa(15 000psi)的壓力載荷，并對測試工況下的有限元分析結果進行處理，隱藏除閥座以外的其他部件，得到閥座的應力分布云圖，如圖6所示。

圖6 靜水壓測試工況下閥座和閘板的應力分布云圖Fig.6 Cloud chart for stress distribution of valve seat and gate under hydrostatic pressure test

對閥座和閘板的應力集中區域進行線性化分析，路徑如圖6紅線A和B所示，其中路徑B的應力線性化結果不滿足強度校核標準，因此，有必要對閘板補充進行彈塑性分析。對閘板賦予塑性屬性，得到分析結果如圖7所示。

對比分析線彈性分析結果和彈塑形性分析結果，彈塑性分析得到的應力水平比線彈性分析得到的要低，更接近于材料在屈服之后的真實應力狀況。閘板的最大應變值為0.088%，遠低于評定規范中的5%，說明在測試工況下，閥門關閉時的閘板不會發生塑性破壞。

2 制造關鍵技術

2.1 閥桿

在閘閥驅動器中，閥桿承擔了與其余零件連接的作用，屬于長徑比大于30的細長臺階軸，材料為鎳基合金718，軸上與密封面表面粗糙度均屬于鏡面要求，對于鎳基合金材料，鏡面光整加工及其效果需要從刀具、切削參數及工藝方法等多方面綜合考慮。

2.2 流道防腐處理

API 6A中HH材料級別的產品要求與油氣接觸的表面采用具有防腐蝕能力的耐蝕合金CRA(Corrosion-Resistant Alloy)，為了實現本體的耐腐蝕性能，在密封墊環槽和閥腔內局部堆焊了625、718等耐蝕合金，再將堆焊的耐蝕合金二次加工至成活尺寸。圖8為在8630M基體材料上完成625耐蝕合金堆焊的閥體。

圖8 堆焊625耐蝕合金的閥體Fig.8 Valve body of bead welded corrosion resistant alloy 625

2.3 閥腔孔

閥腔孔閥座位置的孔徑尺寸大于流道孔徑尺寸，屬于典型的雙臺階內擴徑結構，需要進行盲視加工。閥腔堆焊耐蝕合金后，加工要求苛刻。寶石機械將內冷循環抗振刀桿加工、后支撐變徑鏜刀加工和變徑滾壓加工等技術相結合，解決了加工過程中黏度大、不易斷屑及沖擊振動等難題，實現了內擴徑閥腔孔鏡面加工。

3 測試試驗

水下閘閥及驅動器在工作中同時承受外部海水壓力和內部流體的高壓，一旦閥門發生泄漏，會對海洋生態環境造成極大的破壞，因此需具備耐高壓性、密封可靠性、開關穩定性及耐久性。而試驗是檢驗零件加工和部件組裝質量、驗證產品功能和性能的有效手段，API 6A和API 17D規范對工廠驗收試驗和設計確認試驗[8]的試驗項目、試驗流程、試驗介質和壓力以及驗收準則等做了詳細的規定。2020年8月，水下閘閥及驅動器樣機在中國油氣鉆井裝備工程技術研究中心完成了靜水壓強度試驗、密封試驗和開關功能試驗等出廠試驗；2020年10月，樣機在廣漢完成了外壓試驗、動態試驗、高低溫試驗及溫度壓力循環試驗等型式試驗，以模擬海洋油氣生產過程復雜工況下的使用性能。上述試驗過程中樣機表現良好，試驗結果滿足規范中驗收準則，且試驗過程委托第三方檢驗機構中國船級社駐廠進行質量監督，同時取得產品設計認可證書和產品檢驗合格證書，有效保證了樣機研制質量和安全可靠性。

3.1 出廠試驗

靜水壓強度試驗壓力一般為1.5倍的工作壓力，該試驗是檢驗主承載件的壓力承受能力和進行其他出廠試驗的基礎。圖9為閘閥閥體進行103.5 MPa靜水壓試驗的照片。

圖9 閥體靜水壓試驗照片Fig.9 Hydrostatic test of valve body

密封試驗是為了驗證產品在額定壓力下工作的密封有效性，驅動器液缸、驅動器閥桿和閥蓋均完成了密封試驗，而且閥座還需進行試驗壓力為額定工作壓力的5%～10%低壓密封試驗。此外，PSL3G的閥門還要進行閥座和閥體氣密性試驗(見圖10)，以檢驗設備對氣體介質的密封性。

圖10 閥門氣密性試驗照片Fig.10 Gas tight test of valve

3.2 型式試驗

首先，水下閘閥和驅動器在高壓模擬試驗艙中進行了外部壓力試驗。試驗過程中通過驅動器連接的液壓管線加壓進行閥門的開關操作，通過試驗模擬了在2 000 m工作水深處承受外部水壓為20.2 MPa環境下，閘閥和驅動器在外壓和內壓同時作用時液壓管線及接頭的正確性，蓄能器預設存儲壓力的合理性，以及驅動器活塞運動時閥桿密封、閘板閥座金屬密封的密封有效性，驗證了其操作性能和可靠性。

其次，在完成常溫下160次動態開關試驗的基礎上，閥門和驅動器總成還進行了其余PR2F性能鑒定試驗(在121 ℃和-18 ℃溫度下的20次開關動態試驗，其中-18 ℃溫度下壓力循環曲線和在溫控箱內的低溫試驗情況如圖11所示)，以及極限溫度下動態試驗后的閥體氣壓試驗、閥座氣壓試驗、閥座低壓保壓試驗和壓力溫度循環試驗。

圖11 -18 ℃溫度下閘閥和驅動器開關循環動態試驗Fig.11 Cyclic dynamic test of gate valve and actuator switch at -18 ℃ temperature

4 國產化建議

(1)在完成結構設計和樣機研制的基礎上，需通過性能驗證試驗，結合新材料和新工藝進行結構優化、原材料升級替代和改進設計。

(2)配套能力不足，關鍵接頭和密封存在供應鏈短缺和價格高昂的問題，可尋求技術外包和聯合研發等方式進行國產化替代；加工試驗配套能力也不足，如耐蝕合金堆焊和焊后加工、外表面防腐涂層處理等技術難度大、耗時長、成本高，不利于產業化；試驗配套急需搭建專用場地，用于關鍵性能試驗驗證，以提高產品性能和安全可靠性。

(3)用戶需求與研制樣機在結構和性能參數上匹配度較低，如要工程化應用還需進行技術升級和轉換。應尋求機會推廣性能可靠的單元部件，通過配套局部，了解現役產品技術水平和要求，提升系統研制能力，為水下采油樹整機國產化研制和工程化應用提供技術參考。

5 結 論

(1)本文所述水下采油樹閘閥及驅動器設計依據為API 6A和API 17D標準，驅動器為液壓失效彈簧復位型結構，通過液壓推動閘板開啟和關閉閥門，設置有ROV操作接口。閘板與閥座間為金屬對金屬密封，密封面噴涂碳化鈷或碳化鎢以提高密封耐磨性能和密封可靠性。

(2)寶石機械研制了2 000 m水深、壓力69 MPa的水下閘閥和驅動器，并在中國船級社監督下通過了工廠驗收試驗、外壓試驗和PR2F性能試驗等型式試驗，掌握了設計、制造和試驗的關鍵技術，完成了該部件的國產化研制。

(3)對產品設計、制造和試驗進行了研究和總結，并從技術升級、配套環境和預期市場三方面進行分析并提出國產化研制建議。