齐效文，许洋，范海涛(美钻能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

0 引言

水下生产系统是海油气资源开发中的一项核心装备，而水下液控阀门是水下生产系统装备中最核心的部件，其工程化应用水平直接影响到水下生产系统装备的安全性、可靠性及经济性。

水下阀门涉及到机械加工技术、密封技术、液压技术、水下工程作业技术等多项技术，集合了机械制造、海洋工程以及水下工程等多门学科技术，技术难度大。多年来全球市场一直被少数几家欧美公司所占据，形成了市场垄断和技术壁垒，因此研究国产化结构简单、操作简便、费用低廉的水下液控阀门具有重要意义。

1 研究内容

1.1 水下液控化学药剂注入阀技术研究

(1)阀门的密封技术研究；

(2)主要部件材料及防腐技术研究；

(3)阀门关键件及关键工序的加工制造、装配工艺研究。

1.2 水下阀门执行机构技术研究

(1)执行机构驱动形式及结构研究；

(2)液压及机械操作研究；

(3)执行机构外置工具研究；

(4)可视位置指示装置研究。

1.3 水下阀门及其执行机构性能测试技术及测试装备研究

(1)模拟水下机器人(ROV)操作测试；

(2)模拟环境水深(压力舱测试)操作测试；

(3)高低温压力循环测试；

(4)高压急速泄放测试；

(5)带高压振动测试；

(6)砂浆冲损测试。

2 研究方案

为了确保所研制的水下阀门及执行机构样机的可靠性，本课题将严格按照ISO 13628-4《水下生产系统的设计和操作—水下井口装置和采油树设备》[1]规范要求进行性能测试。

2.1 水下阀门密封技术研究

通过研究水下阀门阀杆与阀盖、阀板阀座及阀体之间的结构特性，针对水下阀门的使用工况，对影响密封的因素如压力、温度、硫化氢含量、二氧化碳含量等进行分析，找出影响密封的关键因素，研发合适的密封形式及密封材料。

阀板与阀座采用接触式金属密封，并在阀座背面加装唇形密封，使阀板阀座在初始低压状况下实现密封。低压情况下，通过唇形密封的弹性将阀板阀座之间的间隙降低到零，实现初始密封，压力升高后，阀板阀座金属密封面贴合，实现金属密封。

阀盖与阀体之间采用稳定的金属密封钢圈进行密封，而阀盖与阀杆则采用有弹性的阀杆密封组件，阀杆密封组件外部为高分子复合密封材料，内部为合金弹簧片，能够有效实现阀盖与阀杆在不同压力下的密封。

2.2 水下阀门材料及防腐技术研究

水下阀门材料在符合油气的压力、温度、腐蚀性等要求的同时，不仅具备足够的强度和刚度，而且要便于加工和焊接。

针对内部流体高温、高压、高腐蚀性的特点，材料设计在考虑高温高强度满足要求的同时，通过降低有害元素含量添加合金元素增加材料的抗腐蚀能力。材料的抗硫化氢应力断裂性能主要与材料的晶界强度有关，材料设计中降低H、O、N 等有害元素的含量，加入Cr、Mo、Nb、Ti、Cu 等合金元素细化原始奥氏体晶粒度，超细晶粒原始奥氏体经淬火后，形成超细晶粒铁素体和分布良好的超细碳化物组织，具有极强的抗硫化物应力腐蚀、晶间腐蚀及应力腐蚀的能力，并对材料进行高温回火，消除残余应力。

阀体内阀座密封位置、钢圈密封位置要在与流体接触的同时实现金属密封，此类重要位置考虑进行耐腐蚀合金堆焊，在不改变阀体原有强度的前提下，通过堆焊提高金属密封面的抗腐蚀性能。

深海海水中氯离子含量约为17 868 mg/L，总矿化度约37 943 mg/L，为碳酸氢钠水型，具有较强的腐蚀性能，因此水下阀门及执行机构与海水接触部件表面需进行防腐处理。通过以往的工程经验，可以进行柔性陶瓷处理、超薄复合聚氨酯喷涂表面处理及海洋油漆喷涂处理等。

柔性陶瓷技术为亚微米级陶瓷颗粒涂层技术，与金属材料具有极强的附着力，涂层固化后形成陶瓷微粒囊状壳，相互结合成为致密的固化膜。空心的囊状陶瓷颗粒既起到保护基体的作用，又有很高的表面润滑性，还能够防止基体材料表面结垢。高分子陶瓷颗粒增强了动态化学性能和物理性能，使涂层耐腐蚀性能十分优异，陶瓷本身的物理和化学性能也决定了它极适合于严重的冲蚀和腐蚀的环境。

2.3 水下阀门关键件及关键工序的加工制造、装配工艺研究

根据阀体、阀板、阀座、阀杆、阀盖、执行机构活塞等关键零件的加工制造工艺，选择配套的机械加工设备，并研制专用加工工装夹具进行配合。

水下阀门系统结构复杂，装配精度要求高，如阀板阀座金属密封面位置的安装、阀杆密封的安装、执行机构活塞密封的安装等均有较高要求，编制装配作业指导书，研究装配工艺，研制装配工装。

2.4 水下阀门执行机构技术研究

水下阀门执行机构驱动形式及结构研究：主要在提高执行机构响应速度、简化操作形式、承受外部高压等方面进行研究。结合现有的技术基础，消化和吸收相关技术，采用理论分析与中间试验相结合的方式确定水下阀门执行机构的总体结构。

液压及机械操作研究：水下阀门执行机构内部设计有液压装置，可通过对液压装置加压，实现阀门开启，阀门开启时，执行机构内的螺旋弹簧处于压缩状态，在发生紧急状况时，只需将压力泄放，阀门便可在弹簧的回弹作用下实现快速自动关闭。

水下阀门执行机构不仅可通过内部液压装置对阀门进行操作，而且要求在内部液压装置失效时，还可通过辅助工具进行阀门开关操作。根据辅助工具与ROV 的接口形式，及执行机构与工具的接口形式，参照ISO 13628-8《水下生产系统ROV接口》〔1〕展开辅助工具的结构设计。

执行机构安装有位置指示器，位置指示器能够清楚地显示阀状态(开/关和满行程)，以便潜水员或潜水器观察。在装有遥控潜水器操作装置的执行机构上，应该考虑从工作的潜水器观察位置指示器的能见度。

2.5 水下阀门及其执行机构性能测试技术及测试装备研究

水下阀门及执行机构在使用工程中的影响因素，包括温度及压力变化、振动载荷、热应力载荷、内外部压力载荷、砂砾冲损和腐蚀等，通过研究模拟水下机器人(ROV)操作测试、模拟环境水深(压力舱测试)操作测试、高低温压力循环测试、高压急速泄放测试、带高压振动测试、砂浆冲损测试等关键测试技术，确保产品的可靠性测试项目。

高压急速泄放测试：水下阀门在单侧和阀腔带压的情况下，分别急速开阀和关阀，模拟现场作业中会出现的开关操作，验证阀板阀座金属密封表面的耐磨性。

模拟环境水深(压力舱测试)操作测试：通过等效水深的压力舱测试，模拟水下阀门及执行机构在额定水深下的运行状况。已进行过模拟500 m 水深压力舱测试，只需进行设备购置即可实现1 500 m 水深压力舱测试。

高低温压力循环测试：模拟水下阀门在使用过程中承受的高低温环境，通过建造高低温箱设备来实现模拟水下阀门所处温度环境。高低温箱温度可调，能满足阀门的最高和最低额定温度，在阀门分别处于高温和低温环境中进行压力循环试验和内部高低压保压试验，检测水下阀门性能。

带高压振动测试：水下阀门内部油气流动产生的冲击会造成阀门振动，在阀门内部带高压情况下进行振动测试，模拟阀门的真实使用环境，检测阀门性能。

砂浆冲损测试：油田开采过程中尤其是油田开发后期，出砂越来越严重，因此保证阀门设备的抗砂浆冲损性能非常重要。根据ISO 10423 附录I 的要求〔2〕，在试验室进行合适的砂浆配比，通过砂浆循环设备使阀门反复经受砂浆冲损，检测阀门耐砂浆冲损性能。

3 结语

(1)阀门的密封主要采用金属密封，固定位置采用压缩金属密封形式，能够实现永久密封，需开启关闭的运动位置采用金属镜面密封为主，弹性橡胶密封辅助的形式，能够有效实现阀门在不同压力下的密封。

(2)阀门内部密封零件采用沉淀硬化镍基合金，表面进行等离子喷焊碳化钨硬质合金层，极大地提高了阀板阀座的耐腐蚀、抗磨损性能。

(3)阀门的执行机构同时设计液控和机械控制，在液控失效情况下，可以通过水下机器人操作关闭阀门，并配备相应的作业工具。

(4)阀门样机须通过各种性能测试，在不同压力、温度、外部带压等条件下进行测试，以确保阀门在极端情况下依然能够正常工作。