水下液控化學(xué)藥劑注入閥關(guān)鍵技術(shù)研究

齊效文，許洋，范海濤(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

0 引言

水下生產(chǎn)系統(tǒng)是海油氣資源開發(fā)中的一項(xiàng)核心裝備，而水下液控閥門是水下生產(chǎn)系統(tǒng)裝備中最核心的部件，其工程化應(yīng)用水平直接影響到水下生產(chǎn)系統(tǒng)裝備的安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性。

水下閥門涉及到機(jī)械加工技術(shù)、密封技術(shù)、液壓技術(shù)、水下工程作業(yè)技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，集合了機(jī)械制造、海洋工程以及水下工程等多門學(xué)科技術(shù)，技術(shù)難度大。多年來全球市場(chǎng)一直被少數(shù)幾家歐美公司所占據(jù)，形成了市場(chǎng)壟斷和技術(shù)壁壘，因此研究國(guó)產(chǎn)化結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、費(fèi)用低廉的水下液控閥門具有重要意義。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 水下液控化學(xué)藥劑注入閥技術(shù)研究

(1)閥門的密封技術(shù)研究；

(2)主要部件材料及防腐技術(shù)研究；

(3)閥門關(guān)鍵件及關(guān)鍵工序的加工制造、裝配工藝研究。

1.2 水下閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)研究

(1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)形式及結(jié)構(gòu)研究；

(2)液壓及機(jī)械操作研究；

(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)外置工具研究；

(4)可視位置指示裝置研究。

1.3 水下閥門及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能測(cè)試技術(shù)及測(cè)試裝備研究

(1)模擬水下機(jī)器人(ROV)操作測(cè)試；

(2)模擬環(huán)境水深(壓力艙測(cè)試)操作測(cè)試；

(3)高低溫壓力循環(huán)測(cè)試；

(4)高壓急速泄放測(cè)試；

(5)帶高壓振動(dòng)測(cè)試；

(6)砂漿沖損測(cè)試。

2 研究方案

為了確保所研制的水下閥門及執(zhí)行機(jī)構(gòu)樣機(jī)的可靠性，本課題將嚴(yán)格按照ISO 13628-4《水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作—水下井口裝置和采油樹設(shè)備》[1]規(guī)范要求進(jìn)行性能測(cè)試。

2.1 水下閥門密封技術(shù)研究

通過研究水下閥門閥桿與閥蓋、閥板閥座及閥體之間的結(jié)構(gòu)特性，針對(duì)水下閥門的使用工況，對(duì)影響密封的因素如壓力、溫度、硫化氫含量、二氧化碳含量等進(jìn)行分析，找出影響密封的關(guān)鍵因素，研發(fā)合適的密封形式及密封材料。

閥板與閥座采用接觸式金屬密封，并在閥座背面加裝唇形密封，使閥板閥座在初始低壓狀況下實(shí)現(xiàn)密封。低壓情況下，通過唇形密封的彈性將閥板閥座之間的間隙降低到零，實(shí)現(xiàn)初始密封，壓力升高后，閥板閥座金屬密封面貼合，實(shí)現(xiàn)金屬密封。

閥蓋與閥體之間采用穩(wěn)定的金屬密封鋼圈進(jìn)行密封，而閥蓋與閥桿則采用有彈性的閥桿密封組件，閥桿密封組件外部為高分子復(fù)合密封材料，內(nèi)部為合金彈簧片，能夠有效實(shí)現(xiàn)閥蓋與閥桿在不同壓力下的密封。

2.2 水下閥門材料及防腐技術(shù)研究

水下閥門材料在符合油氣的壓力、溫度、腐蝕性等要求的同時(shí)，不僅具備足夠的強(qiáng)度和剛度，而且要便于加工和焊接。

針對(duì)內(nèi)部流體高溫、高壓、高腐蝕性的特點(diǎn)，材料設(shè)計(jì)在考慮高溫高強(qiáng)度滿足要求的同時(shí)，通過降低有害元素含量添加合金元素增加材料的抗腐蝕能力。材料的抗硫化氫應(yīng)力斷裂性能主要與材料的晶界強(qiáng)度有關(guān)，材料設(shè)計(jì)中降低H、O、N 等有害元素的含量，加入Cr、Mo、Nb、Ti、Cu 等合金元素細(xì)化原始奧氏體晶粒度，超細(xì)晶粒原始奧氏體經(jīng)淬火后，形成超細(xì)晶粒鐵素體和分布良好的超細(xì)碳化物組織，具有極強(qiáng)的抗硫化物應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕及應(yīng)力腐蝕的能力，并對(duì)材料進(jìn)行高溫回火，消除殘余應(yīng)力。

閥體內(nèi)閥座密封位置、鋼圈密封位置要在與流體接觸的同時(shí)實(shí)現(xiàn)金屬密封，此類重要位置考慮進(jìn)行耐腐蝕合金堆焊，在不改變閥體原有強(qiáng)度的前提下，通過堆焊提高金屬密封面的抗腐蝕性能。

深海海水中氯離子含量約為17 868 mg/L，總礦化度約37 943 mg/L，為碳酸氫鈉水型，具有較強(qiáng)的腐蝕性能，因此水下閥門及執(zhí)行機(jī)構(gòu)與海水接觸部件表面需進(jìn)行防腐處理。通過以往的工程經(jīng)驗(yàn)，可以進(jìn)行柔性陶瓷處理、超薄復(fù)合聚氨酯噴涂表面處理及海洋油漆噴涂處理等。

柔性陶瓷技術(shù)為亞微米級(jí)陶瓷顆粒涂層技術(shù)，與金屬材料具有極強(qiáng)的附著力，涂層固化后形成陶瓷微粒囊狀殼，相互結(jié)合成為致密的固化膜。空心的囊狀陶瓷顆粒既起到保護(hù)基體的作用，又有很高的表面潤(rùn)滑性，還能夠防止基體材料表面結(jié)垢。高分子陶瓷顆粒增強(qiáng)了動(dòng)態(tài)化學(xué)性能和物理性能，使涂層耐腐蝕性能十分優(yōu)異，陶瓷本身的物理和化學(xué)性能也決定了它極適合于嚴(yán)重的沖蝕和腐蝕的環(huán)境。

2.3 水下閥門關(guān)鍵件及關(guān)鍵工序的加工制造、裝配工藝研究

根據(jù)閥體、閥板、閥座、閥桿、閥蓋、執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞等關(guān)鍵零件的加工制造工藝，選擇配套的機(jī)械加工設(shè)備，并研制專用加工工裝夾具進(jìn)行配合。

水下閥門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配精度要求高，如閥板閥座金屬密封面位置的安裝、閥桿密封的安裝、執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞密封的安裝等均有較高要求，編制裝配作業(yè)指導(dǎo)書，研究裝配工藝，研制裝配工裝。

2.4 水下閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)研究

水下閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)形式及結(jié)構(gòu)研究：主要在提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度、簡(jiǎn)化操作形式、承受外部高壓等方面進(jìn)行研究。結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)，消化和吸收相關(guān)技術(shù)，采用理論分析與中間試驗(yàn)相結(jié)合的方式確定水下閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)。

液壓及機(jī)械操作研究：水下閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部設(shè)計(jì)有液壓裝置，可通過對(duì)液壓裝置加壓，實(shí)現(xiàn)閥門開啟，閥門開啟時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)的螺旋彈簧處于壓縮狀態(tài)，在發(fā)生緊急狀況時(shí)，只需將壓力泄放，閥門便可在彈簧的回彈作用下實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)關(guān)閉。

水下閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅可通過內(nèi)部液壓裝置對(duì)閥門進(jìn)行操作，而且要求在內(nèi)部液壓裝置失效時(shí)，還可通過輔助工具進(jìn)行閥門開關(guān)操作。根據(jù)輔助工具與ROV 的接口形式，及執(zhí)行機(jī)構(gòu)與工具的接口形式，參照ISO 13628-8《水下生產(chǎn)系統(tǒng)ROV接口》〔1〕展開輔助工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝有位置指示器，位置指示器能夠清楚地顯示閥狀態(tài)(開/關(guān)和滿行程)，以便潛水員或潛水器觀察。在裝有遙控潛水器操作裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，應(yīng)該考慮從工作的潛水器觀察位置指示器的能見度。

2.5 水下閥門及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能測(cè)試技術(shù)及測(cè)試裝備研究

水下閥門及執(zhí)行機(jī)構(gòu)在使用工程中的影響因素，包括溫度及壓力變化、振動(dòng)載荷、熱應(yīng)力載荷、內(nèi)外部壓力載荷、砂礫沖損和腐蝕等，通過研究模擬水下機(jī)器人(ROV)操作測(cè)試、模擬環(huán)境水深(壓力艙測(cè)試)操作測(cè)試、高低溫壓力循環(huán)測(cè)試、高壓急速泄放測(cè)試、帶高壓振動(dòng)測(cè)試、砂漿沖損測(cè)試等關(guān)鍵測(cè)試技術(shù)，確保產(chǎn)品的可靠性測(cè)試項(xiàng)目。

高壓急速泄放測(cè)試：水下閥門在單側(cè)和閥腔帶壓的情況下，分別急速開閥和關(guān)閥，模擬現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中會(huì)出現(xiàn)的開關(guān)操作，驗(yàn)證閥板閥座金屬密封表面的耐磨性。

模擬環(huán)境水深(壓力艙測(cè)試)操作測(cè)試：通過等效水深的壓力艙測(cè)試，模擬水下閥門及執(zhí)行機(jī)構(gòu)在額定水深下的運(yùn)行狀況。已進(jìn)行過模擬500 m 水深壓力艙測(cè)試，只需進(jìn)行設(shè)備購(gòu)置即可實(shí)現(xiàn)1 500 m 水深壓力艙測(cè)試。

高低溫壓力循環(huán)測(cè)試：模擬水下閥門在使用過程中承受的高低溫環(huán)境，通過建造高低溫箱設(shè)備來實(shí)現(xiàn)模擬水下閥門所處溫度環(huán)境。高低溫箱溫度可調(diào)，能滿足閥門的最高和最低額定溫度，在閥門分別處于高溫和低溫環(huán)境中進(jìn)行壓力循環(huán)試驗(yàn)和內(nèi)部高低壓保壓試驗(yàn)，檢測(cè)水下閥門性能。

帶高壓振動(dòng)測(cè)試：水下閥門內(nèi)部油氣流動(dòng)產(chǎn)生的沖擊會(huì)造成閥門振動(dòng)，在閥門內(nèi)部帶高壓情況下進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，模擬閥門的真實(shí)使用環(huán)境，檢測(cè)閥門性能。

砂漿沖損測(cè)試：油田開采過程中尤其是油田開發(fā)后期，出砂越來越嚴(yán)重，因此保證閥門設(shè)備的抗砂漿沖損性能非常重要。根據(jù)ISO 10423 附錄I 的要求〔2〕，在試驗(yàn)室進(jìn)行合適的砂漿配比，通過砂漿循環(huán)設(shè)備使閥門反復(fù)經(jīng)受砂漿沖損，檢測(cè)閥門耐砂漿沖損性能。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)閥門的密封主要采用金屬密封，固定位置采用壓縮金屬密封形式，能夠?qū)崿F(xiàn)永久密封，需開啟關(guān)閉的運(yùn)動(dòng)位置采用金屬鏡面密封為主，彈性橡膠密封輔助的形式，能夠有效實(shí)現(xiàn)閥門在不同壓力下的密封。

(2)閥門內(nèi)部密封零件采用沉淀硬化鎳基合金，表面進(jìn)行等離子噴焊碳化鎢硬質(zhì)合金層，極大地提高了閥板閥座的耐腐蝕、抗磨損性能。

(3)閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時(shí)設(shè)計(jì)液控和機(jī)械控制，在液控失效情況下，可以通過水下機(jī)器人操作關(guān)閉閥門，并配備相應(yīng)的作業(yè)工具。

(4)閥門樣機(jī)須通過各種性能測(cè)試，在不同壓力、溫度、外部帶壓等條件下進(jìn)行測(cè)試，以確保閥門在極端情況下依然能夠正常工作。