水下采油樹用閘閥和驅(qū)動器試驗(yàn)技術(shù)研究

萬春燕，樊春明，賈向鋒，劉文霄，孫傳軒，劉興鐸

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002)

海洋水下采油樹是水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的核心設(shè)備，用于建立油氣井內(nèi)流體與海水隔離的屏障，控制井內(nèi)壓力，調(diào)節(jié)油氣產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)油氣的可控采收[1]。閘閥及驅(qū)動器與油管懸掛器、堵塞器和井下安全閥等關(guān)鍵部件共同組成水下采油樹控制系統(tǒng)的壓力和油氣產(chǎn)出的多重安全屏障[2]。水下閘閥設(shè)置于水下采油樹的生產(chǎn)流道和環(huán)控流道上，閥門工作時需要同時承受外部海水壓力和內(nèi)部流體的高壓，一旦閥門發(fā)生泄漏，會對海洋生態(tài)環(huán)境造成極大的、不可逆的破壞，因此水下采油樹閘閥需具備耐高壓性、密封可靠性、開關(guān)穩(wěn)定性及耐久性等性能要求[3]。由于井內(nèi)油氣介質(zhì)溫度可達(dá)100 ℃以上，壓力高達(dá)69 MPa，因此，水下閘閥及驅(qū)動器在出廠前需模擬海洋油氣生產(chǎn)過程工況，進(jìn)行殼體強(qiáng)度試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、開關(guān)功能試驗(yàn)等工廠驗(yàn)收試驗(yàn)和動態(tài)試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)、溫度壓力循環(huán)試驗(yàn)等性能鑒定試驗(yàn)，驗(yàn)證產(chǎn)品強(qiáng)度、功能和性能。由于水下采油樹用閘閥及驅(qū)動器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、試驗(yàn)條件苛刻、試驗(yàn)難度極大，目前，國內(nèi)未見成熟產(chǎn)品及其工程化應(yīng)用[4]，公開發(fā)表的文獻(xiàn)中也未見自主研發(fā)的水下采油樹閘閥及驅(qū)動器開展系統(tǒng)試驗(yàn)的完整報道，江漢機(jī)械研究所研制的陸地井口裝置和采油樹PR2 性能鑒定試驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械扭矩式水上閥門的PR2試驗(yàn)[5]，楊平等人通過PR2性能鑒定試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了液壓驅(qū)動的水下閘閥的性能試驗(yàn)[6]，張華等人分析了采油樹系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和試驗(yàn)驗(yàn)證方法[7]，丁礦、龔令和王斌等人分別分析了水下采油樹系統(tǒng)傳熱情況和水下閘閥整體結(jié)構(gòu)及受力情況[8-10]。筆者對開發(fā)項(xiàng)目中樣機(jī)的試驗(yàn)要求、試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)問題進(jìn)行闡述，為今后其它水下閘閥及驅(qū)動器的試驗(yàn)提供參考。

1 閘閥及驅(qū)動器試驗(yàn)的要求

1.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

水下閘閥和驅(qū)動器屬于水下井口采油樹的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和試驗(yàn)都應(yīng)滿足API 6A和API 17D等標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求。API 17D中分別給出了水下閘閥和驅(qū)動器的工廠驗(yàn)收試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)流程、試驗(yàn)介質(zhì)和壓力，以及驗(yàn)收準(zhǔn)則。API 17D在設(shè)計(jì)確認(rèn)試驗(yàn)中給出了水下閘閥和驅(qū)動器的最低設(shè)計(jì)試驗(yàn)要求，如壓力循環(huán)試驗(yàn)200次，溫度循環(huán)3次和耐久性循環(huán)試驗(yàn)累計(jì)總次數(shù)應(yīng)不少于600次[11]。標(biāo)準(zhǔn)要求，凡與水下閘閥配套的液動型驅(qū)動器，需組裝成套進(jìn)行所有性能鑒定試驗(yàn)，并且在試驗(yàn)過程中所有零部件不允許拆裝。同時，為了使閘閥和驅(qū)動器能夠滿足特殊的使用工況需求，除標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低試驗(yàn)程序外，閥門采購方可規(guī)定適用的附加性能鑒定試驗(yàn)內(nèi)容，例如增加動態(tài)循環(huán)次數(shù)、提高試驗(yàn)壓力、增加中間試驗(yàn)程序等。

1.2 工廠驗(yàn)收試驗(yàn)(FAT)

水下閘閥和驅(qū)動器需進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)、密封試驗(yàn)和通徑試驗(yàn)等工廠驗(yàn)證試驗(yàn)，以證明每個完工的水下閘閥和驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)完整性和裝配及制造是否正確。水下閘閥的閥體需同時承受內(nèi)部介質(zhì)壓力和外部海水壓力的關(guān)鍵承壓件，其強(qiáng)度應(yīng)能承受額定載荷，而不會產(chǎn)生影響其它任何性能要求的變形。因此，閥體需通過1.5倍額定工作壓力的靜水壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以驗(yàn)證閘閥和驅(qū)動器本體材料滿足設(shè)計(jì)要求[12-13]。閥座是決定閥門質(zhì)量和使用壽命的核心部件，也是試驗(yàn)過程的關(guān)注點(diǎn)，需完成靜水壓試驗(yàn)、低壓試驗(yàn)和氣密封試驗(yàn)，驗(yàn)證閥門分別滿足用液體和氣體作為試驗(yàn)介質(zhì)，具備高壓密封和低壓密封的綜合密封能力。為保證系統(tǒng)安全，避免泄漏事故發(fā)生，液控閘閥驅(qū)動器一般設(shè)計(jì)為故障關(guān)閉型結(jié)構(gòu)，需照API 6A規(guī)范要求進(jìn)行包括液缸和彈簧腔靜水壓，閥桿、閥蓋和閥桿密封架的密封試驗(yàn)[14]，以及驅(qū)動器液動操作試驗(yàn)和手動操作試驗(yàn)。水下采油樹用閘閥和液動故障關(guān)閉型驅(qū)動器的工廠驗(yàn)收試驗(yàn)要求如表1。

表1 水下采油樹用閘閥和液動故障關(guān)閉型驅(qū)動器工廠驗(yàn)收試驗(yàn)要求

1.3 外壓試驗(yàn)

水下閘閥和驅(qū)動器需進(jìn)行外壓試驗(yàn)，以驗(yàn)證水下閘閥和驅(qū)動器在承受一定工作水深的外部靜水壓(實(shí)際或模擬)的條件下，閥和驅(qū)動器結(jié)構(gòu)完整性、裝配及操作是否正常，性能可靠。該試驗(yàn)可在深水高壓模擬試驗(yàn)艙中進(jìn)行裝置外部壓力試驗(yàn)和驅(qū)動器液缸、閘閥本體內(nèi)部壓力試驗(yàn)，并可在外壓和內(nèi)壓同時作用下進(jìn)行密封性能、動作性能、受力狀況、安全性和可靠性等進(jìn)行綜合性和系統(tǒng)性的評價。在做高壓艙試驗(yàn)的期間，高壓艙內(nèi)的壓力保持不變，直到完成最后1個試驗(yàn)項(xiàng)目。

1.4 PR2F性能鑒定試驗(yàn)

由于井內(nèi)油氣介質(zhì)溫度可達(dá)100 ℃以上，壓力高達(dá)69 MPa，甚至更高，水下閘閥及驅(qū)動器需要接觸高溫、高壓油氣介質(zhì)，且存在變壓力、變溫度的工況條件，對可靠性要求極高。API 6A規(guī)定了閥門PR2和PR2F兩個等級的性能試驗(yàn)，PR2F性能試驗(yàn)旨在通過對閥門使用狀況的模擬，驗(yàn)證閥門在復(fù)雜溫壓條件下的開關(guān)和密封性能。API 6A標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的水下閘閥及驅(qū)動器PR2F試驗(yàn)內(nèi)容包括力或扭矩測量，室溫下的160次動態(tài)試驗(yàn)，最高額定溫度下的20次動態(tài)試驗(yàn)、閥體氣壓試驗(yàn)、閥座氣壓試驗(yàn)、閥座低壓保壓試驗(yàn)，最低額定溫度下的20次動態(tài)試驗(yàn)、閥體氣壓試驗(yàn)、閥座氣壓試驗(yàn)、閥座低壓試驗(yàn)，閥體壓力溫度循環(huán)試驗(yàn)，室溫下的閥體保壓試驗(yàn)、閥座氣壓試驗(yàn)、閥體低壓保壓試驗(yàn)、閥座低壓試驗(yàn)等。國外的FMC公司在該領(lǐng)域起步較早，為了驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)壽命，在API 6A標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，還將PR2F性能鑒定試驗(yàn)中的閥門動態(tài)試驗(yàn)次數(shù)由200次提升至500次，進(jìn)一步提高的產(chǎn)品的可靠性[15]。

1.5 耐久性循環(huán)試驗(yàn)

水下閘閥和驅(qū)動器是采油樹系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于生產(chǎn)主閥、生產(chǎn)翼閥等生產(chǎn)流道和環(huán)空主閥、環(huán)空翼閥的環(huán)空流道油氣的通斷控制，閥板和閥座位于采油樹本體、生產(chǎn)模塊本體或環(huán)空模塊本體內(nèi)，其驅(qū)動器通過法蘭與各模塊主體連接，要求水下閘閥和驅(qū)動器與水下采油樹一樣，具有20 a或更高的壽命。為了評價和驗(yàn)證水下閘閥長期往復(fù)開啟/關(guān)閉的磨損和密封特性，需進(jìn)行API 17D 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的在額定工作壓力下開啟和關(guān)閉不少于600 次耐久性循環(huán)試驗(yàn)，動態(tài)試驗(yàn)程序如圖1所示，其中包含PR2F性能鑒定試驗(yàn)中的動態(tài)試驗(yàn)200次、外壓試驗(yàn)中動態(tài)試驗(yàn)200次和室溫下動態(tài)試驗(yàn)200次。并且，在動態(tài)試驗(yàn)前后宜進(jìn)行閥體、閥座密封試驗(yàn)，以檢驗(yàn)動態(tài)試驗(yàn)后產(chǎn)品密封性能的完整性。

圖1 API 17D 標(biāo)準(zhǔn)要求水下閘閥及驅(qū)動器動態(tài)試驗(yàn)程序

2 試驗(yàn)設(shè)備

2.1 外壓高壓試驗(yàn)艙

寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司(以下簡稱寶石機(jī)械)研制的外壓高壓試驗(yàn)艙[16]主要由高壓艙本體、35 MPa外部加壓裝置、140 MPa內(nèi)部加壓裝置、70 MPa液控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)控制系統(tǒng)、安全防護(hù)等組成。高壓試驗(yàn)艙技術(shù)參數(shù)如表2，試驗(yàn)裝置如圖2所示，它是目前國內(nèi)石油裝備行業(yè)內(nèi)壓力最高、容積最大的多功能、多用途的海洋石油裝備試驗(yàn)裝置。驅(qū)動器中的彈簧腔內(nèi)充滿油液，在實(shí)際工作中與液控系統(tǒng)的回油管線連接，油液可自由流動。但試驗(yàn)時，彈簧腔與液控系統(tǒng)隔斷，油液無法流通，因此須增加1套蓄能器，保持彈簧腔內(nèi)油液的輸送與排放，圖3為外壓試驗(yàn)示意圖。

表2 深水高壓模擬試驗(yàn)艙技術(shù)參數(shù)

圖3 水下閘閥及驅(qū)動器外壓試驗(yàn)示意

2.3 PR2F高低溫試驗(yàn)裝置

水下閘閥及驅(qū)動器PR2F試驗(yàn)要求閘閥和驅(qū)動器組裝在一起進(jìn)行，且在試驗(yàn)過程中不允許拆卸或更換零組件，因此試驗(yàn)裝置要求具備可同時容納閘閥和驅(qū)動器的空間。寶石機(jī)械研制的PR2F高低溫試驗(yàn)裝置和遠(yuǎn)程操控平臺，如圖4所示。該裝置具備調(diào)節(jié)和控制溫度的能力，以提供最高溫度、室溫、最低溫度的環(huán)境溫度及保持功能。接口方面，對機(jī)械驅(qū)動的閘閥，試驗(yàn)裝置內(nèi)設(shè)有提供轉(zhuǎn)矩的動力裝置；對液壓驅(qū)動的閘閥，具備液壓、氣壓和電纜的管線和接口，保證控制液、試驗(yàn)介質(zhì)和信號的輸入或輸出。該試驗(yàn)裝置可滿足水下閘閥及驅(qū)動器整機(jī)的PR2F性能試驗(yàn)要求。

圖4 寶石機(jī)械研制的PR2F試驗(yàn)裝置和遠(yuǎn)程操控平臺

3 試驗(yàn)問題分析

試驗(yàn)是檢驗(yàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造及裝配質(zhì)量的有效方法，通過分析試驗(yàn)結(jié)果也可反向指導(dǎo)設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。在進(jìn)行水下閘閥及驅(qū)動器的密封試驗(yàn)或動態(tài)試驗(yàn)時，經(jīng)常出現(xiàn)初始試驗(yàn)壓力加壓失敗、保壓過程試驗(yàn)壓力超出要求范圍等情況，導(dǎo)致試驗(yàn)不通過。

3.1 法蘭連接密封

水下閘閥的驅(qū)動裝置通過法蘭和螺栓與閘閥本體相連，用BX金屬密封墊環(huán)的擠壓變形產(chǎn)生密封作用，有效密封和隔離生產(chǎn)流道與外環(huán)境，形成最外層保護(hù)屏障。因此，閥體的密封試驗(yàn)應(yīng)先于閥座或閥桿密封試驗(yàn)，以排除后續(xù)試驗(yàn)中因BX墊環(huán)密封失效導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。在組裝時，螺栓預(yù)緊力擰緊順序不規(guī)范，預(yù)緊力不均勻，以及密封面清潔不足，都會引起B(yǎng)X金屬墊環(huán)變形不均勻，導(dǎo)致密封失效。當(dāng)出現(xiàn)法蘭連接密封失效時，需檢查清潔密封墊環(huán)和密封面，并對角安裝連接螺栓，組裝后重新進(jìn)行密封試驗(yàn)。

3.2 閥桿密封

閥桿密封位于驅(qū)動器的閥蓋內(nèi)，是閥腔與彈簧腔的密封隔離屏障。閥桿密封靠近彈簧腔處一般設(shè)置有泄壓閥，排除閥桿密封失效時來自閥腔內(nèi)的高壓，達(dá)到保護(hù)彈簧腔的作用。閥桿密封試驗(yàn)和閥體密封試驗(yàn)時，泄壓閥處可連接密封泄漏檢測裝置，檢測閥桿密封的完好性。動態(tài)試驗(yàn)過程中閥門需要反復(fù)帶壓開啟，如閥桿受力不均勻,則產(chǎn)生閥桿密封件和閥桿偏磨的現(xiàn)象，如圖5～6所示,從而導(dǎo)致閥桿密封失效。重新安裝閥桿及密封件時，仔細(xì)檢查閥桿與閘板裝配后，閘板是否活動靈活。

圖5 磨損的閥桿密封件

圖6 偏磨的閥桿

3.3 閘板閥座密封

閥門關(guān)閉時，閘板閥座密封有2種情況。當(dāng)壓力較低時，閘板一側(cè)所承受的推力較弱，兩側(cè)閥座在其密封件的作用下，對閘板進(jìn)行有效支撐，使閘板與兩側(cè)閥座均接觸，形成閥前密封。當(dāng)壓力較大時，閘板在壓力作用下與來壓側(cè)閥座分離，壓力液進(jìn)入閥腔，閘閥后方閥座密封件起作用，形成閥后密封。在密封試驗(yàn)過程中，如出現(xiàn)高壓密封試驗(yàn)通過，低壓密封試驗(yàn)不通過的情況，可能是閥座密封件在承受交變載荷后產(chǎn)生塑性變形，在壓力較低時，閥座密封件回彈力不足，使閘閥與閥座密封面分離，導(dǎo)致密封試驗(yàn)失敗。拆解檢查，如果排除閥座、閥體金屬密封面的影響，且閥座密封件外觀檢查良好，則可能為上述原因，宜選擇彈性系數(shù)更高的密封件材料。如果高壓密封試驗(yàn)不通過，考慮在經(jīng)過了常溫、高溫和低溫等多次動態(tài)循環(huán)試驗(yàn)后，閘板閥座金屬密封面劃傷，或閥座密封件損傷(如圖7所示)，需拆解后排查閘板及閥座金屬密封面表面、閥座密封件，并及時更換新密封件(圖8所示)。

圖7 破損的閥座密封件

圖8 更換新閥座密封件

3.4 動態(tài)試驗(yàn)閥腔內(nèi)壓力保持

在進(jìn)行閘閥和驅(qū)動器的性能試驗(yàn)時，需要進(jìn)行600次及以上的開關(guān)動態(tài)試驗(yàn)，閥門的單次開關(guān)試驗(yàn)流程要求閘板在完全關(guān)閉后，一側(cè)泄壓，另一側(cè)在承受額定工作壓力的情況下緩慢開啟， 開啟過程中要求閘板側(cè)壓力不低于50%的額定工作壓力，直至閥門完全打開。在閥門開啟過程中，閥腔體是密閉的腔體，腔體內(nèi)總液量不變，當(dāng)液體的壓縮和腔體內(nèi)體積變化的共同作用不能滿足開啟過程的壓力的試驗(yàn)要求時，需要修改試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，擴(kuò)大閥腔體的體積，以減少活塞桿的伸出和縮回引起腔體內(nèi)體積變化產(chǎn)生的影響。

4 結(jié)語

1) 水下采油樹用閘閥及驅(qū)動器的試驗(yàn)由一系列試驗(yàn)組成，通過解析相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，給出了工廠驗(yàn)收試驗(yàn)、外壓試驗(yàn)、PR2F性能試驗(yàn)、耐久性循環(huán)試驗(yàn)、含砂沖蝕試驗(yàn)等試驗(yàn)要求和試驗(yàn)注意事項(xiàng)。

2) 結(jié)合產(chǎn)品試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題，分析了法蘭連接密封、閥桿密封、閘板閥座密封等典型的引起試驗(yàn)不通過的原因，并給出了指導(dǎo)反向設(shè)計(jì)的意見。

3) 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)問題分析研究可為水下采油樹用閘閥或驅(qū)動器設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供參考。