深海水下閘閥和驅(qū)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(qū)動器是水下采油樹、出油管線、水下管匯系統(tǒng)等水下生產(chǎn)系統(tǒng)裝備中不可或缺的設(shè)備，其密封的可靠性是影響使用性能和壽命的關(guān)鍵，同時也是該類閥門及驅(qū)動器國產(chǎn)化研究的重點。基于對國內(nèi)外水下閘閥及驅(qū)動器的技術(shù)特點和應(yīng)用情況的分析，結(jié)合該部件國產(chǎn)化研制的情況，圍繞水下閘閥和驅(qū)動器密封性能研究這一關(guān)鍵技術(shù)問題，從密封結(jié)構(gòu)設(shè)計、密封性能分析、密封可靠性驗證方法研究、產(chǎn)品樣機密封試驗驗證過程和問題處理等內(nèi)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(chuàng)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(huán)的受力和變形趨勢，得出了該類密封圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，通過PR2F性能試驗驗證了設(shè)計的可行性，指出影響產(chǎn)品密封性能的主要因素，解決了水下閘閥和驅(qū)動器國產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)問題。研究結(jié)果可為提升該產(chǎn)品性能和國產(chǎn)化開發(fā)提供技術(shù)指導。

關(guān)鍵詞：深水油氣開發(fā)；水下閘閥；驅(qū)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(fā)面臨著海洋裝備國產(chǎn)化工業(yè)基礎(chǔ)弱、研究時間短、技術(shù)成熟度低等諸多難題。其中，水下閘閥及驅(qū)動器作為水下油氣輸送、油氣井內(nèi)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(tǒng)等水下生產(chǎn)系統(tǒng)裝置的不可或缺設(shè)備［1］，用于流道內(nèi)油氣的通斷控制，可靠性要求高。國外水下閘閥及驅(qū)動器與水下采油樹同步發(fā)展，技術(shù)成熟度較高，市場長期被FMC、Cameron、Drill Quip、Aker Solutions等歐美的供應(yīng)商壟斷［2］。上述公司通過長期的工程應(yīng)用和技術(shù)研究，在優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和提高可靠性等方面積累了豐富的經(jīng)驗。例如，F(xiàn)MC公司早在1997年就完成了新型水下閘閥及驅(qū)動器M3000型的設(shè)計改造，并廣泛應(yīng)用于各生產(chǎn)項目，同時，增加PR2F驗證試驗次數(shù)以提高產(chǎn)品性能［3-4］。國內(nèi)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(yè)和高校開展了基礎(chǔ)知識、樣機研制、性能試驗以及工程應(yīng)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(zhì)和復雜的工況下，使得水下閘閥更容易發(fā)生故障［9］。據(jù)陳欽偉等［10］對某作業(yè)公司各平臺上報采油樹故障的統(tǒng)計，平板閘閥發(fā)生故障的比列高達48.72%，明顯高于節(jié)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?？梢钥闯?，水下閘閥及驅(qū)動器性能的可靠性將直接影響水下設(shè)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(guān)鍵件受各種因素的影響，國外產(chǎn)品不能正常供貨，且國內(nèi)沒有定型或可替代產(chǎn)品，成為該部件國產(chǎn)化過程“卡脖子”的關(guān)鍵技術(shù)。因此在水下閘閥和驅(qū)動器國產(chǎn)化進程和推向市場的初期，急需結(jié)合國產(chǎn)化基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀、制造技術(shù)水平和開發(fā)經(jīng)驗，對其密封的要求、結(jié)構(gòu)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(chǎn)化產(chǎn)品質(zhì)量和提高產(chǎn)品性能提供指導。

1 密封設(shè)計

1.1 密封要求

驅(qū)動器的密封結(jié)構(gòu)為常規(guī)的活塞密封形式，工作介質(zhì)常為清潔度較高的水基液，且工作環(huán)境比較友好，其設(shè)計難度較低，目前國內(nèi)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(zhì)，水下閘閥的密封設(shè)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(nèi)壁、閥座、閘板和密封件等內(nèi)部構(gòu)件造成的腐蝕和磨損。當閥門關(guān)閉時，介質(zhì)通過閥門進口端進入閥腔，為了防止介質(zhì)泄漏，維護生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)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(jié)構(gòu)及原理

為了達到密封外部海水和內(nèi)部高低壓油氣介質(zhì)的目的，同時借鑒類似成熟產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗，將水下閘閥的密封系統(tǒng)設(shè)計為如圖1所示的4種密封結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)簡單，載荷情況明確，在國內(nèi)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(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)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(xiàn)閥門開關(guān)動作，當閥門關(guān)閉時，如進口端壓力較低，C形金屬密封環(huán)支撐閥座，使閘閥與雙側(cè)閥座接觸，形成雙向密封；當壓力繼續(xù)升高，推動閘板與一側(cè)閥座接觸，C形金屬密封環(huán)進一步擠壓，形成“閥后密封”。

2 密封性能分析

2.1 密封系統(tǒng)

系統(tǒng)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(yīng)盡量減少流體泄漏，使系統(tǒng)泄漏量小于環(huán)保、安全以及經(jīng)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(xù)性結(jié)構(gòu)的金屬或非金屬，它們的受力變形較為規(guī)律，其密封可靠性可從提高密封面質(zhì)量和設(shè)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(jié)構(gòu)，工作時相互作用和影響，尤其是C形金屬密封環(huán)屬不規(guī)則薄壁件，在實際生產(chǎn)過程中，流體介質(zhì)進入C形金屬密封環(huán)內(nèi)表面后，所受介質(zhì)壓力不斷增大，接觸關(guān)系也從它對閥座的支撐轉(zhuǎn)變?yōu)殚y座對它的擠壓，與閥體接觸區(qū)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(huán)與閥體間接觸面的密封能力驗證，將接觸區(qū)域劃分為節(jié)點1到節(jié)點12之間的11個寬度為0.1 mm的四邊形網(wǎng)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(jié)點上的接觸壓力近似看作節(jié)點附近接觸面上的接觸壓力。

2.3 C形金屬密封環(huán)受力分析

對C形金屬密封環(huán)內(nèi)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(jié)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(chǎn)生溫度場和熱應(yīng)力，影響接觸壓力和Mises應(yīng)力，對C形金屬密封環(huán)內(nèi)部從0～121 ℃分4級施加溫度載荷，得到不同介質(zhì)溫度對應(yīng)的C形金屬密封環(huán)接觸面上各節(jié)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(huán)在不同工況下的Mises應(yīng)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(zhì)壓力69 MPa的生產(chǎn)工況，受介質(zhì)壓力69 MPa、介質(zhì)溫度121 ℃的生產(chǎn)工況。

2.4 結(jié)果比較

從圖4可以看出，隨著介質(zhì)壓力載荷的增加，C形金屬密封環(huán)的密封面接觸壓力和應(yīng)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(huán)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(wěn)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(zhì)壓力從0～69 MPa增加的過程中，接觸壓力增加了800 MPa；介質(zhì)溫度從0～121 ℃增加的過程中，最大Mises應(yīng)力增加了125 MPa，從接觸壓力的角度看，在介質(zhì)壓力和溫度的共同影響下，C形金屬密封環(huán)的密封效果會更好；介質(zhì)壓力69 MPa和121 ℃溫度載荷的共同作用時，最大Mises應(yīng)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(yīng)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(qū)動器的工廠驗收試驗項目、流程、試驗介質(zhì)和壓力，以及驗收準則等［13］。水下閘閥及驅(qū)動器產(chǎn)品規(guī)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(qū)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(yīng)密封件的可靠性，排除后續(xù)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(yīng)更換為產(chǎn)品密封件。閥門的密封試驗和氣密封試驗是要求閥門開關(guān)動作后，分別在閘板單側(cè)分級加壓至額度工作壓力，密封試驗檢驗規(guī)則要求在保壓期內(nèi)，閥座另一側(cè)不應(yīng)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(guān)閉的磨損和密封特性，需進行API SPEC 17D標準規(guī)定的水下閘閥和驅(qū)動器的最低設(shè)計試驗要求。即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［11］，包含PR2F性能鑒定試驗中的動態(tài)試驗200次、外壓動態(tài)試驗200次和室溫下動態(tài)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(qū)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(huán)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(zhuǎn)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(tài)，可在最高溫度和最低溫度的閥門和驅(qū)動器總成動態(tài)循環(huán)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(guān)閉后，在69 MPa的試驗壓力保持階段，在閥座出口段出現(xiàn)了清水滲漏的情況（見圖8）。試驗后檢查發(fā)現(xiàn)C形金屬密封環(huán)已壓潰，且密封面有劃痕，非金屬密封件對應(yīng)位置出現(xiàn)撕裂。分析原因為：組裝過程中C形金屬密封環(huán)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(huán)局部支撐力不足，引起高壓短時間內(nèi)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(guān)動態(tài)試驗和氣密封試驗，其中在進行多次開關(guān)動態(tài)試驗后的氣密封試驗時，出現(xiàn)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(chǎn)生的氣泡。產(chǎn)品拆解后通過復驗尺寸密封件檢查，發(fā)現(xiàn)閘板、閥座密封面質(zhì)量良好，而閥桿已變形。分析原因為閥門反復帶壓開關(guān)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(yōu)化結(jié)構(gòu)，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(tài)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(guān)循環(huán)動態(tài)試驗的試驗曲線。

4 影響密封性能的因素

4.1 密封件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

水下閘閥和驅(qū)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定，始終保持工作可靠位置。例如在滿足閥門開關(guān)行程的情況下，閥桿長度越短，工作穩(wěn)定性越好；合理的密封間隙設(shè)計有助于密封件工作過程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(zhì)量

雖然樣機研制后進行試驗的時間較20 a設(shè)計使用壽命短很多，表面腐蝕影響不能完全展現(xiàn)，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(zhì)接觸的零件需選用不銹鋼材質(zhì)；另外，在密封墊環(huán)槽和閥腔內(nèi)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(zhì)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(qū)動器出廠試驗和型式試驗的試驗內(nèi)容和驗收準則，但是在新產(chǎn)品研發(fā)時，需提前預判影響產(chǎn)品質(zhì)量和性能的因素，設(shè)置試驗流程時做出相應(yīng)調(diào)整，在滿足上述標準要求的前提下，增加驗證產(chǎn)品材料性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工和裝配質(zhì)量的試驗項目，實現(xiàn)全方位監(jiān)測產(chǎn)品過程表現(xiàn)，掌握完整的試驗信息和數(shù)據(jù)，為后續(xù)優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提升質(zhì)量和系列化開發(fā)奠定堅實基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

（1）深海水下閘閥和驅(qū)動器是水下采油樹、水下管匯系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。該產(chǎn)品國外技術(shù)成熟度高，國內(nèi)多家單位開展了相關(guān)研究，為適應(yīng)復雜工作環(huán)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(chǎn)品樣機研制和工程應(yīng)用的重點。

（2）針對水下閘閥的密封結(jié)構(gòu)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(huán)在不同壓力、溫度載荷，以及預緊、測試和生產(chǎn)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(yīng)力變化趨勢。

（3）水下閘閥和驅(qū)動器完成了工廠驗收試驗和型式試驗，結(jié)合產(chǎn)品試驗過程中出現(xiàn)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(chǎn)品性能和國產(chǎn)化開發(fā)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(yè)于四川大學機械設(shè)計專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)從事海洋石油工程裝備技術(shù)研究工作。地址：（610052）四川省成都市。電話：（028）68967615。Email：wancy2011 @163.com。