水下闸阀性能试验研究

2020-07-25崔津生陈艳东

化工设计通讯 2020年7期

杨平，崔津生，陈艳东

（1.河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北任丘 062552；2.河北省井控及井口设备技术创新中心，河北任丘 062552）

水下闸阀是海洋钻完井工程的关键部件，主要应用于水下防喷器组的压井节流管汇、水下采油树以及水下应急封井装置等系统。以上这些系统均需要长期在水下环境使用，水下闸阀作为系统油气管道压力控制的核心部件，需要持续承受内部流体的高压以及外部海水的压力，还要在带压状态下保持可靠的开启关闭性能，因此对水下闸阀的开关及密封可靠性和寿命的要求极高。在水下闸阀投入使用前，应对阀门所处环境和工况进行模拟，建立合适的试验系统，开展性能试验研究，来验证水下闸阀的使用寿命及性能。

1 项目背景

2010年，墨西哥湾漏油事故，英国石油公司设计制造出世界上第一套水下应急封井装置，并成功应用于事故抢险救援。为保护我国海洋环境和深水钻井作业安全，国家已开展研制水下应急封井装置的课题研究。水下闸阀作为应急封井装置通道压力控制的关键部件，应满足以下技术参数要求。如表1所示：

表1 水下闸阀主要技术参数

针对水下闸阀技术参数要求，开展适用于应急封井装置的水下闸阀研制，建立PR2性能试验系统及高压试验系统，进行水下闸阀的系列性能试验研究，来验证水下闸阀的使用性能。

2 性能试验

2.1 工厂验收试验（FAT）

水下闸阀的工厂验收试验（FAT）主要依据API Spec 6A标准，同时模拟其使用工况，对试验方案略微调整，标准对FAT试验项目的要求有：水压强度及密封试验；本体及阀座气压高压试验；阀座低压气压试验等。阀门采用的是单阀座密封结构，主要密封件是带弹簧支撑的U型密封圈，压力越高，自密封性能越好，高压密封试验项目顺利完成。限于工况要求，低压密封不好实现。

水下闸阀在应急封井装置中，均采用驱动装置水平但流道竖直的安装方式。在这种工况下，阀板及阀座的重量较重，完全抵消了下侧U型密封圈的弹簧预紧力，只能靠上侧的U型密封圈弹簧预紧力来建立低压试验时的初始密封。加工过程中严格控制阀体容腔尺寸及阀板、阀座的厚度尺寸，合理选择装配间隙，保证阀门低压情况下的良好密封和操作性能。

2.2 PR2性能鉴定试验

通过对闸阀实际使用工况的模拟，来验证闸阀的使用及密封性能，API Spec 6A附录F对闸阀的PR2性能鉴定试验做了规定，试验要求如表2所示。其中在完成2、3、4各试验项目后，在各温度（高温、低温和室温）下完成5、6、7试验项目，验证在各自温度下循环试验后闸阀仍具有良好的密封性能。如表2所示。

表2 水下闸阀PR2性能鉴定试验要求

从试验要求可以看到，PR2性能鉴定试验的关键是试验设备和控制系统。为实现试验要求，配置可正反转的液压马达及减速箱，实现闸阀的平稳开关；配置可放置闸阀及支撑台架的高低温箱及恒温系统，实现高温、低温的动态循环试验；同时配置各种压力、温度、扭矩及位移传感器，实现对设备各种参数的实时监控。

整个PR2性能鉴定试验过程大多是在高压、极限温度下进行，为保证安全实现全方位试验的无人现场，建立了PR2试验控制系统，数据采集、显示、试验设定及操作控制均在远程控制台完成。硬件方面，通过控制器、变频器、编码器和压力、温度、扭矩、位移传感器的协同工作，实现各种数据的实时显示及精确控制。软件方面，控制界面合理布局，压力、温度、扭矩等试验数据都可在控制台实时显示。同时通过编程，将压力、温度及扭矩值曲线绘制在以时间为横轴的同一个坐标图，如图1所示，试验过程更为直观。

图1 水下闸阀PR2性能鉴定试验系统

2.3 高压试验

为鉴定水下闸阀在额定水深安装条件下的性能，API Spec 17D附录L对高压试验做了规定。要求水下闸阀在持续承受外部压力的同时，完成闸阀额定工作压力下开启/关闭的200次循环。对公司水下防喷器组控制系统深水模拟试验装置进行升级改造，形成水下闸阀的高压试验系统。闸阀在持续承受外压的工况下完成200次带压开关循环，完成所有的高压功能循环试验后，进行本体及阀座的静水压密封试验进行验收。

2.4 耐久性循环试验

为评价水下闸阀长期磨损特性，API Spec 17D标准对水下闸阀的耐久性循环试验（寿命试验）做出了规定，要求水下闸阀在额定工作压力下开启/关闭600次循环。试验可在任何温度下进行，因此PR2性能鉴定试验及高压试验中的各200次带压开关循环可累积到耐久性循环试验次数中。剩余200次开关循环，借助PR2试验系统在室温下完成。最后对闸阀本体及阀座进行静水压密封试验进行验收。