水下安全閥的相關(guān)分析

楊 平

（1.河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北任丘 062552；2.河北省井控及井口設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新中心，河北任丘 062552）

在整個(gè)水下采油系統(tǒng)中，水下安全閥主要是一種設(shè)置于主管道上的安全裝置。該裝置的主要功能是：當(dāng)井口出現(xiàn)緊急情況，或水下蓄能器組無法提供液壓動(dòng)力時(shí)，靠驅(qū)動(dòng)器彈簧力提升閥板，使得閥門處于關(guān)閉狀態(tài)截?cái)喙苈?，從而避免安全事故的發(fā)生。我國(guó)海洋采油法規(guī)規(guī)定：在油氣開采作業(yè)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(yè)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(guān)問題進(jìn)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(chǎn)系統(tǒng)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(zāi)等方面發(fā)揮著重要作用。具體如，在石油開采過程中，如果某處發(fā)生漏油泄氣事故，那么井的實(shí)際流量就會(huì)超過設(shè)定值，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到這一異常信號(hào)后，就會(huì)開啟水下安全閥的關(guān)閉程序?qū)⒕P(guān)閉，及時(shí)避免油氣泄漏造成海洋污染或是平臺(tái)火災(zāi)等負(fù)面事件的發(fā)生。且水下采油井的注入、生產(chǎn)、泄放、隔斷等功能的實(shí)現(xiàn)均需通過水下安全閥來完成。

1.2 水下安全閥特征特點(diǎn)

由于水下采油技術(shù)難度大、環(huán)境復(fù)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(dá)到非常高的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)安全閥的功能必須要完善且能穩(wěn)定發(fā)揮。如對(duì)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(dá)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(dá)到隔斷、注入等目的，就必須保證安全閥有十分強(qiáng)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(nèi)部油氣介質(zhì)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(yè)安全順利進(jìn)行。

除此之外，水下安全閥需要長(zhǎng)時(shí)期與海水、石油等接觸，這些物質(zhì)均會(huì)對(duì)安全閥的內(nèi)外部產(chǎn)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(shù)大大降低、使用壽命大幅縮短，同時(shí)讓海水、人員、設(shè)備等均受到巨大的安全威脅，讓采油作業(yè)無法順利進(jìn)行。因此需保證水下安全閥本體材質(zhì)、密封元件等不僅要耐內(nèi)部介質(zhì)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(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)單位在進(jìn)行水下安全閥設(shè)計(jì)或是試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)，必須基于故障安全原則進(jìn)行，即當(dāng)水下安全閥出現(xiàn)故障時(shí)，能夠維持安全狀態(tài)或向安全狀態(tài)轉(zhuǎn)移。

2 水下安全閥關(guān)鍵技術(shù)

2.1 水下安全閥設(shè)計(jì)總則

一般情況下，水下安全閥的設(shè)計(jì)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(chǎn)成本，提升石油生產(chǎn)效益，并降低因閥門維修而引起的意外事故發(fā)生幾率。但在實(shí)際使用過程中，由于水下安全閥所處的環(huán)境復(fù)雜，并長(zhǎng)期受到高壓、高溫、高腐蝕性介質(zhì)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?；诖?，在進(jìn)行水下安全閥的設(shè)計(jì)時(shí)，必須基于故障安全性原則，根據(jù)安全閥的實(shí)際工作環(huán)境采用相應(yīng)技術(shù)與材料做好水下安全閥的密封性、抗壓性、抗腐蝕性設(shè)計(jì)，以保證水下安全閥功能作用的充分發(fā)揮。

閥板、閥座是水下安全閥內(nèi)部的核心部件，該兩項(xiàng)部件的性能質(zhì)量將對(duì)閥門的密封性產(chǎn)生直接影響。如在水下安全閥作業(yè)過程中，閥門內(nèi)部的閥座以及閥板會(huì)受到高低溫、高壓、高腐蝕原油介質(zhì)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，將直接導(dǎo)致水下安全閥的各項(xiàng)性能、功能受到影響，導(dǎo)致水下安全閥的功能作用得不到發(fā)揮。因此在設(shè)計(jì)過程中必須采用對(duì)工藝、材料等提高重視。除此之外，由于水下安全閥長(zhǎng)期處于深海環(huán)境中，并且與井液接觸。因而在石油生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量含有二氧化碳、硫化氫等有害氣體以及原油都會(huì)對(duì)安全閥內(nèi)部的金屬部件產(chǎn)生腐蝕，導(dǎo)致安全閥可用年限縮短。針對(duì)這一情況，在安全閥設(shè)計(jì)階段就應(yīng)采用堆焊耐腐蝕合金、連接陽極進(jìn)行陰極保護(hù)、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(shù)

水下安全閥長(zhǎng)時(shí)間工作于高腐蝕、高壓、高溫等環(huán)境中，非常容易在內(nèi)外作用下出現(xiàn)破損、開裂等問題，導(dǎo)致安全閥的密封性降低，各項(xiàng)功能無法正常使用?；诖耍谠O(shè)計(jì)階段，就應(yīng)提前采取一系列密封技術(shù)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(fù)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(rùn)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(shù)，有效提升水下安全閥的密封性能。在設(shè)計(jì)時(shí)，可在閥座背部設(shè)計(jì)帶彈簧片的唇形密封，協(xié)助閥板與閥座實(shí)現(xiàn)低壓時(shí)的初始密封。同時(shí)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(shù)

在水下安全閥工作過程中，閥板與閥座發(fā)揮著重要作用。因此在進(jìn)行水下安全閥設(shè)計(jì)時(shí)，需要高度重視閥座與閥板的設(shè)計(jì)工作，要科學(xué)選擇適合的材料與表面加工技術(shù)，并進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以保證閥座與閥板的抗腐蝕性、密封性與穩(wěn)定性。如在進(jìn)行某款水下安全閥加工制造工藝的選擇與應(yīng)用上，可采用粉末等離子噴焊碳化鎢硬質(zhì)合金層的技術(shù)方法來提高構(gòu)件的韌性、強(qiáng)度以及耐蝕性，預(yù)防部件開裂。

2.4 水下安全閥防腐技術(shù)

水下安全閥不同部位會(huì)接觸到不同的腐蝕介質(zhì)，因此在進(jìn)行閥門設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)各類介質(zhì)的性質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)閥體的腐蝕程度來采取相關(guān)技術(shù)措施做針對(duì)性處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水下安全閥的有效保護(hù)。具體如，水下安全閥腔體內(nèi)部長(zhǎng)期與高腐蝕性流體接觸，這些流體會(huì)對(duì)腔體產(chǎn)生腐蝕、高壓沖擊等，容易使腔體內(nèi)部腐化或破損，導(dǎo)致水下安全閥無法正常使用。針對(duì)這一問題，在設(shè)計(jì)時(shí)可采用堆焊的方式對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行處理，以提升水下安全閥應(yīng)對(duì)沖蝕以及腐蝕的能力。而對(duì)于接觸海水的金屬部件，采用噴涂PTFE 耐腐蝕涂層來對(duì)金屬部件進(jìn)行保護(hù)，有效減少海水對(duì)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(shí)，首先需依據(jù)相關(guān)資料對(duì)介質(zhì)中的二氧化碳、硫化氫成分進(jìn)行檢測(cè)計(jì)算，掌握介質(zhì)對(duì)各部位的腐蝕程度，之后再針對(duì)相關(guān)部位進(jìn)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(hù)水下安全閥免遭海水腐蝕。設(shè)計(jì)人員首先根據(jù)具體情況準(zhǔn)確計(jì)算出犧牲陽極的數(shù)量，并確定出焊接位置，之后再依據(jù)DNV RP B401 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇適用的犧牲陽極材料，進(jìn)而保證整個(gè)操作科學(xué)有效。最后，為安全起見，在水下安全閥出廠前，需要規(guī)范檢測(cè)犧牲陽極與閥門之間的導(dǎo)電率，確保實(shí)際數(shù)值與設(shè)計(jì)數(shù)值相符后方能將設(shè)備投入使用。

3 結(jié)束語

綜上所述，水下安全閥是水下生產(chǎn)系統(tǒng)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(yōu)化水下安全閥的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造，進(jìn)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(zhì)量。盡管近年來我國(guó)水下生產(chǎn)事業(yè)不斷發(fā)展進(jìn)步，油氣產(chǎn)量逐年提高，但在水下設(shè)備的研究與開發(fā)方面還存在較多不足。為此建議相關(guān)單位要進(jìn)一步加大對(duì)水下裝備的研究與優(yōu)化，為我國(guó)石油事業(yè)的發(fā)展提供重要保障。