深海水下閘閥和驅動器密封可靠性研究

萬春燕 萬波 曾喬 李中華 雷廣進 康永田

摘要：深海水下閘閥和驅動器是水下采油樹、出油管線、水下管匯系統等水下生產系統裝備中不可或缺的設備，其密封的可靠性是影響使用性能和壽命的關鍵，同時也是該類閥門及驅動器國產化研究的重點。基于對國內外水下閘閥及驅動器的技術特點和應用情況的分析，結合該部件國產化研制的情況，圍繞水下閘閥和驅動器密封性能研究這一關鍵技術問題，從密封結構設計、密封性能分析、密封可靠性驗證方法研究、產品樣機密封試驗驗證過程和問題處理等內容進行了全面的分析和研究。針對故障率較高的閘閥密封，創建了閥座密封分析模型，對比分析了不同工況下C形金屬密封環的受力和變形趨勢，得出了該類密封圈結構優化方案，通過PR2F性能試驗驗證了設計的可行性，指出影響產品密封性能的主要因素，解決了水下閘閥和驅動器國產化關鍵技術問題。研究結果可為提升該產品性能和國產化開發提供技術指導。

關鍵詞：深水油氣開發；水下閘閥；驅動器；密封性能；可靠性；深海

Deepsea underwater gate valve and actuator are indispensable devices in subsea production system such as subsea Christmas tree， flow line and subsea manifold system.Their sealing reliability is crucial to their service performance and life， and is also the focus of research on localization of such devices.Based on the analysis of technical characteristics and application of underwater gate valves and actuators， combined with the localized development of the devices， focusing on the key technical problem of sealing performance research of underwater gate valves and actuators， complete analysis and study were conducted from the aspects of seal structure design， sealing performance analysis， sealing reliability verification method research， product prototype leakage test verification process and problem handling.Moreover， a valve seat seal analysis model was built for the gate valve seal with high failure rate， the force and deformation trend of Cshaped metal seal ring under different working conditions were compared and analyzed， and the structure optimization scheme of this type of seal ring was obtained.Finally， the PR2F performance test was conducted to verify the feasibility of the design， the main factors affecting the sealing performance of the products were pointed out， and the key technical problems of localization of underwater gate valves and actuators were solved.The study results provide technical guidance for the performance improvement and localized development of the products.

deepwater oil and gas development;underwater gate valve；actuator；sealing performance；reliability；deepsea

0 引 言

我國深海海域蘊藏著豐富的油氣資源，但深水油氣開發面臨著海洋裝備國產化工業基礎弱、研究時間短、技術成熟度低等諸多難題。其中，水下閘閥及驅動器作為水下油氣輸送、油氣井內流體壓力可控的連接裝置，是水下采油樹、出油管線、水下管匯系統等水下生產系統裝置的不可或缺設備［1］，用于流道內油氣的通斷控制，可靠性要求高。國外水下閘閥及驅動器與水下采油樹同步發展，技術成熟度較高，市場長期被FMC、Cameron、Drill Quip、Aker Solutions等歐美的供應商壟斷［2］。上述公司通過長期的工程應用和技術研究，在優化產品結構和提高可靠性等方面積累了豐富的經驗。例如，FMC公司早在1997年就完成了新型水下閘閥及驅動器M3000型的設計改造，并廣泛應用于各生產項目，同時，增加PR2F驗證試驗次數以提高產品性能［3-4］。國內方面，寶雞石油機械有限責任公司、哈爾濱工程大學、中國船舶重工集團公司第七十二研究所和南海某氣田公司等企業和高校開展了基礎知識、樣機研制、性能試驗以及工程應用等研究，取得階段性進展［5-8］。

由于水下閘閥需要頻繁的啟閉，長期處于含硫油氣、砂石等工作介質和復雜的工況下，使得水下閘閥更容易發生故障［9］。據陳欽偉等［10］對某作業公司各平臺上報采油樹故障的統計，平板閘閥發生故障的比列高達48.72%，明顯高于節流閥、井下安全閥、密封鋼圈等其他部件，且密封失效是水下閘閥故障的主要原因。可以看出，水下閘閥及驅動器性能的可靠性將直接影響水下設備的運行狀況和使用壽命，特別是閘板、閥座以及閥座密封等關鍵件受各種因素的影響，國外產品不能正常供貨，且國內沒有定型或可替代產品，成為該部件國產化過程“卡脖子”的關鍵技術。因此在水下閘閥和驅動器國產化進程和推向市場的初期，急需結合國產化基礎研究現狀、制造技術水平和開發經驗，對其密封的要求、結構原理、性能分析及驗證方法進行研究，梳理識別影響密封性能的主要因素，提出切實可行的實施方案，為保障國產化產品質量和提高產品性能提供指導。

1 密封設計

1.1 密封要求

驅動器的密封結構為常規的活塞密封形式，工作介質常為清潔度較高的水基液，且工作環境比較友好，其設計難度較低，目前國內已成熟掌握，此處不再贅述。為滿足69 MPa的額定工作壓力和-18～121 ℃的額定工作溫度范圍要求，以及油氣、天然氣水合物、砂石和化學藥劑等密封介質，水下閘閥的密封設計和試驗時不僅要考慮壓力場、溫度場對水下閘閥使用造成的影響，還需考慮含H2S氣體、氣液固多相流對閥腔內壁、閥座、閘板和密封件等內部構件造成的腐蝕和磨損。當閥門關閉時，介質通過閥門進口端進入閥腔，為了防止介質泄漏，維護生產系統的穩定性，出口端閥座與閘板及閥體間的密封是本研究的重點。

1.2 密封結構及原理

為了達到密封外部海水和內部高低壓油氣介質的目的，同時借鑒類似成熟產品的設計經驗，將水下閘閥的密封系統設計為如圖1所示的4種密封結構，分別是填料式的閥桿密封、API標準BX型密封鋼圈［11］、金屬對金屬的閘板密封和冗余密封組合的閥座密封。其中閥桿密封及BX型密封鋼圈結構簡單，載荷情況明確，在國內外均已趨于成熟，可直接選用或按需定制；而閘板密封和閥座密封載荷多變，受力過程復雜，尚無定型產品，其結構型式和密封性能還需研究及驗證。閘板浮動安裝于2個閥座中間，可隨閥桿移動，實現閥門開關動作，當閥門關閉時，如進口端壓力較低，C形金屬密封環支撐閥座，使閘閥與雙側閥座接觸，形成雙向密封；當壓力繼續升高，推動閘板與一側閥座接觸，C形金屬密封環進一步擠壓，形成“閥后密封”。

2 密封性能分析

2.1 密封系統

系統的泄漏率是衡量密封性能的主要指標，通常情況下，密封面之間不能達到零泄漏，但應盡量減少流體泄漏，使系統泄漏量小于環保、安全以及經濟性決定的最大允許泄漏指標。對泄漏率的分析常采用平行接觸式機械密封泄漏模型，該模型提出影響泄漏的因素有密封間隙、密封寬度、縫隙壓力以及滑動速度等［12］。上述4組密封中，閘板密封、閥蓋密封和閥桿密封的密封材料是具有連續性結構的金屬或非金屬，它們的受力變形較為規律，其密封可靠性可從提高密封面質量和設計合理的密封間隙得以保證。而閥座密封為金屬密封和非金屬密封的組合密封結構，工作時相互作用和影響，尤其是C形金屬密封環屬不規則薄壁件，在實際生產過程中，流體介質進入C形金屬密封環內表面后，所受介質壓力不斷增大，接觸關系也從它對閥座的支撐轉變為閥座對它的擠壓，與閥體接觸區域的不斷變化可能會引起密封間隙、密封寬度的變化，影響水下閘閥密封效果。

2.2 建立閥座分析模型

建立簡化后的密封幾何模型如圖2所示。該模型為平面軸對稱形式，分析圍繞在不同壓力、不同溫度和不同工況下C形金屬密封環與閥體間接觸面的密封能力驗證，將接觸區域劃分為節點1到節點12之間的11個寬度為0.1 mm的四邊形網格。圖3所示為接觸寬度示意圖。模型中將閥體固定，初始對閘板施加位移載荷0.3 mm，分析時將各節點上的接觸壓力近似看作節點附近接觸面上的接觸壓力。

2.3 C形金屬密封環受力分析

對C形金屬密封環內部從13.8～68.9 MPa分5級施加壓力載荷，得到不同壓力載荷下接觸面上各節點的接觸壓力變化曲線，如圖4所示。溫度也會在密封圈上產生溫度場和熱應力，影響接觸壓力和Mises應力，對C形金屬密封環內部從0～121 ℃分4級施加溫度載荷，得到不同介質溫度對應的C形金屬密封環接觸面上各節點的接觸壓力變化曲線，如圖5所示。圖6為C形金屬密封環在不同工況下的Mises應力分布云圖，分別是安裝預緊工況，103.5 MPa靜水壓力測試工況，只受介質壓力69 MPa的生產工況，受介質壓力69 MPa、介質溫度121 ℃的生產工況。

2.4 結果比較

從圖4可以看出，隨著介質壓力載荷的增加，C形金屬密封環的密封面接觸壓力和應力也隨之增大，但接觸寬度基本不變，這種密封件起到了自密封的作用，有益于密封。從圖5可以看出，考慮溫度載荷后，C形金屬密封環最大接觸壓力也有所增加，但是接觸寬度在不斷變化，密封性能有不穩定趨勢。從圖6可以看出，在初始預緊時，密封面接觸壓力較小，介質壓力從0～69 MPa增加的過程中，接觸壓力增加了800 MPa；介質溫度從0～121 ℃增加的過程中，最大Mises應力增加了125 MPa，從接觸壓力的角度看，在介質壓力和溫度的共同影響下，C形金屬密封環的密封效果會更好；介質壓力69 MPa和121 ℃溫度載荷的共同作用時，最大Mises應力為142.5 MPa，雖然滿足強度判定準則，密封不會失效，但在閥門唇部端面接觸處存在著一定的應力集中，可合理地進行改進。

3 密封性能驗證

3.1 工廠驗證試驗

API SPEC 17D中給出了水下閘閥和驅動器的工廠驗收試驗項目、流程、試驗介質和壓力，以及驗收準則等［13］。水下閘閥及驅動器產品規范級別均為PSL3G，工廠驗收試驗的項目包括靜水壓試驗、密封試驗、氣密封試驗和功能試驗等。靜水壓強度試驗一方面驗證驅動器液缸和閥體承壓完成性，另一方面檢驗密封外部海水的相應密封件的可靠性，排除后續試驗時該類密封件不合格的影響；其試驗壓力是工作壓力的1.5倍，密封件為工裝密封件，完成該試驗后應更換為產品密封件。閥門的密封試驗和氣密封試驗是要求閥門開關動作后，分別在閘板單側分級加壓至額度工作壓力，密封試驗檢驗規則要求在保壓期內，閥座另一側不應有可見泄漏或氣泡。

3.2 型式試驗

為了評價和驗證水下閘閥長期往復開啟、關閉的磨損和密封特性，需進行API SPEC 17D標準規定的水下閘閥和驅動器的最低設計試驗要求。即在額定工作壓力下開啟和關閉不少于600 次耐久性循環試驗［11］，包含PR2F性能鑒定試驗中的動態試驗200次、外壓動態試驗200次和室溫下動態試驗200次。其中，PR2F性能試驗的試驗項目如表1所示，多達24項。API SPEC 17D標準要求閘閥PR2F試驗時需驅動器配合進行，且裝配體在完成所有試驗項目后方可拆解。壓力溫度循環試驗程序（見圖7中f段至q段曲線），需進行共計6次的壓力或溫度的轉換和保壓，每次保壓時間至少60 min。為了階段性掌握試驗過程中閥門的工作狀態，可在最高溫度和最低溫度的閥門和驅動器總成動態循環試驗的前后增加常溫的密封試驗和氣密封試驗。

3.3 驗證過程及密封失效分析

在進行閥座的密封試驗時，閘板關閉后，在69 MPa的試驗壓力保持階段，在閥座出口段出現了清水滲漏的情況（見圖8）。試驗后檢查發現C形金屬密封環已壓潰，且密封面有劃痕，非金屬密封件對應位置出現撕裂。分析原因為：組裝過程中C形金屬密封環被異物劃傷引起密封失效；同時，高壓試驗時C形金屬密封環局部支撐力不足，引起高壓短時間內通過，造成非金屬密封撕裂。

在PR2F試驗前，分階段進行了常溫下的開關動態試驗和氣密封試驗，其中在進行多次開關動態試驗后的氣密封試驗時，出現了閥桿密封失效的情況。圖9所示為在密封試驗增壓過程中用肥皂泡檢驗泄漏時產生的氣泡。產品拆解后通過復驗尺寸密封件檢查，發現閘板、閥座密封面質量良好，而閥桿已變形。分析原因為閥門反復帶壓開關過程中的閥桿受力不均勻，導致了閥桿被動與密封件偏磨，從而引起密封失效。通過優化結構，在閥桿靠近閥座的位置增加軸承，同時確認新安裝的閥桿和閘板活動靈活。最終，閥門順利通過了PR2F性能試驗，試驗效果良好，其中2個極限溫度下的動態試驗和氣密封試驗的保壓過程中，壓降幾乎為0。圖10所示為121 ℃高溫下20次開關循環動態試驗的試驗曲線。

4 影響密封性能的因素

4.1 密封件結構穩定性

水下閘閥和驅動器在使用過程中，閥門頻繁開啟，同時受溫度、壓力的影響，因此要求各密封件在樣機組裝完成后結構穩定，始終保持工作可靠位置。例如在滿足閥門開關行程的情況下，閥桿長度越短，工作穩定性越好；合理的密封間隙設計有助于密封件工作過程結構的穩定，非金屬密封件較金屬密封件具有更好的回彈力；對金屬密封件表面進行鍍銀處理和局部強度硬化，可增加密封接觸面，提高其密封性能。

4.2 密封面質量

雖然樣機研制后進行試驗的時間較20 a設計使用壽命短很多，表面腐蝕影響不能完全展現，但是為了滿足與油氣接觸的表面HH材料級別的長效防腐的要求，閥桿、閥座和閘板等與密封介質接觸的零件需選用不銹鋼材質；另外，在密封墊環槽和閥腔內堆焊了耐蝕合金。保證所有金屬密封面的表面粗糙度近乎鏡面的加工質量，在密封面上噴焊碳化鈷或碳化鎢，可極大提高閘板和閥座密封面的耐磨性和密封可靠性。

4.3 試驗驗證流程

雖然ISO 13628、GB/T 21412、API SPEC 17D和API 6A系列標準給出了水下閘閥及驅動器出廠試驗和型式試驗的試驗內容和驗收準則，但是在新產品研發時，需提前預判影響產品質量和性能的因素，設置試驗流程時做出相應調整，在滿足上述標準要求的前提下，增加驗證產品材料性能、結構設計、加工和裝配質量的試驗項目，實現全方位監測產品過程表現，掌握完整的試驗信息和數據，為后續優化產品結構、提升質量和系列化開發奠定堅實基礎。

5 結 論

（1）深海水下閘閥和驅動器是水下采油樹、水下管匯系統的關鍵部件之一。該產品國外技術成熟度高，國內多家單位開展了相關研究，為適應復雜工作環境和滿足閘閥頻繁啟閉及可靠密封功能，水下閘閥的密封可靠性成為該產品樣機研制和工程應用的重點。

（2）針對水下閘閥的密封結構和密封原理，建立了有限元分析模型，重點分析了C形金屬密封環在不同壓力、溫度載荷，以及預緊、測試和生產工況下的受力和密封情況，得出密封面接觸寬度、接觸壓力和Mises應力變化趨勢。

（3）水下閘閥和驅動器完成了工廠驗收試驗和型式試驗，結合產品試驗過程中出現的問題，分析了閥桿密封試驗和閥座氣密封試驗時密封失效的原因，梳理出影響密封性能的因素，為提升產品性能和國產化開發提供參考。

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第一萬春燕，女，高級工程師，生于1983年，2011年畢業于四川大學機械設計專業，獲碩士學位，現從事海洋石油工程裝備技術研究工作。地址：（610052）四川省成都市。電話：（028）68967615。Email：wancy2011 @163.com。