万春燕，樊春明，贾向锋，刘文霄，孙传轩，刘兴铎

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西 宝鸡 721002)

海洋水下采油树是水下油气生产系统的核心设备，用于建立油气井内流体与海水隔离的屏障，控制井内压力，调节油气产量，实现油气的可控采收[1]。闸阀及驱动器与油管悬挂器、堵塞器和井下安全阀等关键部件共同组成水下采油树控制系统的压力和油气产出的多重安全屏障[2]。水下闸阀设置于水下采油树的生产流道和环控流道上，阀门工作时需要同时承受外部海水压力和内部流体的高压，一旦阀门发生泄漏，会对海洋生态环境造成极大的、不可逆的破坏，因此水下采油树闸阀需具备耐高压性、密封可靠性、开关稳定性及耐久性等性能要求[3]。由于井内油气介质温度可达100 ℃以上，压力高达69 MPa，因此，水下闸阀及驱动器在出厂前需模拟海洋油气生产过程工况，进行壳体强度试验、密封试验、开关功能试验等工厂验收试验和动态试验、高低温试验、温度压力循环试验等性能鉴定试验，验证产品强度、功能和性能。由于水下采油树用闸阀及驱动器结构复杂、试验条件苛刻、试验难度极大，目前，国内未见成熟产品及其工程化应用[4]，公开发表的文献中也未见自主研发的水下采油树闸阀及驱动器开展系统试验的完整报道，江汉机械研究所研制的陆地井口装置和采油树PR2 性能鉴定试验系统可实现机械扭矩式水上阀门的PR2试验[5]，杨平等人通过PR2性能鉴定试验系统进行了液压驱动的水下闸阀的性能试验[6]，张华等人分析了采油树系统结构强度和试验验证方法[7]，丁矿、龚令和王斌等人分别分析了水下采油树系统传热情况和水下闸阀整体结构及受力情况[8-10]。笔者对开发项目中样机的试验要求、试验设备及试验问题进行阐述，为今后其它水下闸阀及驱动器的试验提供参考。

1 闸阀及驱动器试验的要求

1.1 试验标准

水下闸阀和驱动器属于水下井口采油树的关键设备，设计、制造、检验和试验都应满足API 6A和API 17D等标准及规范要求。API 17D中分别给出了水下闸阀和驱动器的工厂验收试验项目、试验流程、试验介质和压力，以及验收准则。API 17D在设计确认试验中给出了水下闸阀和驱动器的最低设计试验要求，如压力循环试验200次，温度循环3次和耐久性循环试验累计总次数应不少于600次[11]。标准要求，凡与水下闸阀配套的液动型驱动器，需组装成套进行所有性能鉴定试验，并且在试验过程中所有零部件不允许拆装。同时，为了使闸阀和驱动器能够满足特殊的使用工况需求，除标准规定的最低试验程序外，阀门采购方可规定适用的附加性能鉴定试验内容，例如增加动态循环次数、提高试验压力、增加中间试验程序等。

1.2 工厂验收试验(FAT)

水下闸阀和驱动器需进行静水压试验、密封试验和通径试验等工厂验证试验，以证明每个完工的水下闸阀和驱动器的结构完整性和装配及制造是否正确。水下闸阀的阀体需同时承受内部介质压力和外部海水压力的关键承压件，其强度应能承受额定载荷，而不会产生影响其它任何性能要求的变形。因此，阀体需通过1.5倍额定工作压力的静水压强度试验，以验证闸阀和驱动器本体材料满足设计要求[12-13]。阀座是决定阀门质量和使用寿命的核心部件，也是试验过程的关注点，需完成静水压试验、低压试验和气密封试验，验证阀门分别满足用液体和气体作为试验介质，具备高压密封和低压密封的综合密封能力。为保证系统安全，避免泄漏事故发生，液控闸阀驱动器一般设计为故障关闭型结构，需照API 6A规范要求进行包括液缸和弹簧腔静水压，阀杆、阀盖和阀杆密封架的密封试验[14]，以及驱动器液动操作试验和手动操作试验。水下采油树用闸阀和液动故障关闭型驱动器的工厂验收试验要求如表1。

表1 水下采油树用闸阀和液动故障关闭型驱动器工厂验收试验要求

1.3 外压试验

水下闸阀和驱动器需进行外压试验，以验证水下闸阀和驱动器在承受一定工作水深的外部静水压(实际或模拟)的条件下，阀和驱动器结构完整性、装配及操作是否正常，性能可靠。该试验可在深水高压模拟试验舱中进行装置外部压力试验和驱动器液缸、闸阀本体内部压力试验，并可在外压和内压同时作用下进行密封性能、动作性能、受力状况、安全性和可靠性等进行综合性和系统性的评价。在做高压舱试验的期间，高压舱内的压力保持不变，直到完成最后1个试验项目。

1.4 PR2F性能鉴定试验

由于井内油气介质温度可达100 ℃以上，压力高达69 MPa，甚至更高，水下闸阀及驱动器需要接触高温、高压油气介质，且存在变压力、变温度的工况条件，对可靠性要求极高。API 6A规定了阀门PR2和PR2F两个等级的性能试验，PR2F性能试验旨在通过对阀门使用状况的模拟，验证阀门在复杂温压条件下的开关和密封性能。API 6A标准中规定的水下闸阀及驱动器PR2F试验内容包括力或扭矩测量，室温下的160次动态试验，最高额定温度下的20次动态试验、阀体气压试验、阀座气压试验、阀座低压保压试验，最低额定温度下的20次动态试验、阀体气压试验、阀座气压试验、阀座低压试验，阀体压力温度循环试验，室温下的阀体保压试验、阀座气压试验、阀体低压保压试验、阀座低压试验等。国外的FMC公司在该领域起步较早，为了验证产品设计寿命，在API 6A标准的基础上，还将PR2F性能鉴定试验中的阀门动态试验次数由200次提升至500次，进一步提高的产品的可靠性[15]。

1.5 耐久性循环试验

水下闸阀和驱动器是采油树系统的重要组成部分，主要用于生产主阀、生产翼阀等生产流道和环空主阀、环空翼阀的环空流道油气的通断控制，阀板和阀座位于采油树本体、生产模块本体或环空模块本体内，其驱动器通过法兰与各模块主体连接，要求水下闸阀和驱动器与水下采油树一样，具有20 a或更高的寿命。为了评价和验证水下闸阀长期往复开启/关闭的磨损和密封特性，需进行API 17D 标准规定的在额定工作压力下开启和关闭不少于600 次耐久性循环试验，动态试验程序如图1所示，其中包含PR2F性能鉴定试验中的动态试验200次、外压试验中动态试验200次和室温下动态试验200次。并且，在动态试验前后宜进行阀体、阀座密封试验，以检验动态试验后产品密封性能的完整性。

图1 API 17D 标准要求水下闸阀及驱动器动态试验程序

2 试验设备

2.1 外压高压试验舱

宝鸡石油机械有限责任公司(以下简称宝石机械)研制的外压高压试验舱[16]主要由高压舱本体、35 MPa外部加压装置、140 MPa内部加压装置、70 MPa液控系统、数据采集系统、视频监控系统控制系统、安全防护等组成。高压试验舱技术参数如表2，试验装置如图2所示，它是目前国内石油装备行业内压力最高、容积最大的多功能、多用途的海洋石油装备试验装置。驱动器中的弹簧腔内充满油液，在实际工作中与液控系统的回油管线连接，油液可自由流动。但试验时，弹簧腔与液控系统隔断，油液无法流通，因此须增加1套蓄能器，保持弹簧腔内油液的输送与排放，图3为外压试验示意图。

表2 深水高压模拟试验舱技术参数

图3 水下闸阀及驱动器外压试验示意

2.3 PR2F高低温试验装置

水下闸阀及驱动器PR2F试验要求闸阀和驱动器组装在一起进行，且在试验过程中不允许拆卸或更换零组件，因此试验装置要求具备可同时容纳闸阀和驱动器的空间。宝石机械研制的PR2F高低温试验装置和远程操控平台，如图4所示。该装置具备调节和控制温度的能力，以提供最高温度、室温、最低温度的环境温度及保持功能。接口方面，对机械驱动的闸阀，试验装置内设有提供转矩的动力装置；对液压驱动的闸阀，具备液压、气压和电缆的管线和接口，保证控制液、试验介质和信号的输入或输出。该试验装置可满足水下闸阀及驱动器整机的PR2F性能试验要求。

图4 宝石机械研制的PR2F试验装置和远程操控平台

3 试验问题分析

试验是检验产品结构设计、加工制造及装配质量的有效方法，通过分析试验结果也可反向指导设计，保证设计质量。在进行水下闸阀及驱动器的密封试验或动态试验时，经常出现初始试验压力加压失败、保压过程试验压力超出要求范围等情况，导致试验不通过。

3.1 法兰连接密封

水下闸阀的驱动装置通过法兰和螺栓与闸阀本体相连，用BX金属密封垫环的挤压变形产生密封作用，有效密封和隔离生产流道与外环境，形成最外层保护屏障。因此，阀体的密封试验应先于阀座或阀杆密封试验，以排除后续试验中因BX垫环密封失效导致试验失败。在组装时，螺栓预紧力拧紧顺序不规范，预紧力不均匀，以及密封面清洁不足，都会引起BX金属垫环变形不均匀，导致密封失效。当出现法兰连接密封失效时，需检查清洁密封垫环和密封面，并对角安装连接螺栓，组装后重新进行密封试验。

3.2 阀杆密封

阀杆密封位于驱动器的阀盖内，是阀腔与弹簧腔的密封隔离屏障。阀杆密封靠近弹簧腔处一般设置有泄压阀，排除阀杆密封失效时来自阀腔内的高压，达到保护弹簧腔的作用。阀杆密封试验和阀体密封试验时，泄压阀处可连接密封泄漏检测装置，检测阀杆密封的完好性。动态试验过程中阀门需要反复带压开启，如阀杆受力不均匀,则产生阀杆密封件和阀杆偏磨的现象，如图5～6所示,从而导致阀杆密封失效。重新安装阀杆及密封件时，仔细检查阀杆与闸板装配后，闸板是否活动灵活。

图5 磨损的阀杆密封件

图6 偏磨的阀杆

3.3 闸板阀座密封

阀门关闭时，闸板阀座密封有2种情况。当压力较低时，闸板一侧所承受的推力较弱，两侧阀座在其密封件的作用下，对闸板进行有效支撑，使闸板与两侧阀座均接触，形成阀前密封。当压力较大时，闸板在压力作用下与来压侧阀座分离，压力液进入阀腔，闸阀后方阀座密封件起作用，形成阀后密封。在密封试验过程中，如出现高压密封试验通过，低压密封试验不通过的情况，可能是阀座密封件在承受交变载荷后产生塑性变形，在压力较低时，阀座密封件回弹力不足，使闸阀与阀座密封面分离，导致密封试验失败。拆解检查，如果排除阀座、阀体金属密封面的影响，且阀座密封件外观检查良好，则可能为上述原因，宜选择弹性系数更高的密封件材料。如果高压密封试验不通过，考虑在经过了常温、高温和低温等多次动态循环试验后，闸板阀座金属密封面划伤，或阀座密封件损伤(如图7所示)，需拆解后排查闸板及阀座金属密封面表面、阀座密封件，并及时更换新密封件(图8所示)。

图7 破损的阀座密封件

图8 更换新阀座密封件

3.4 动态试验阀腔内压力保持

在进行闸阀和驱动器的性能试验时，需要进行600次及以上的开关动态试验，阀门的单次开关试验流程要求闸板在完全关闭后，一侧泄压，另一侧在承受额定工作压力的情况下缓慢开启， 开启过程中要求闸板侧压力不低于50%的额定工作压力，直至阀门完全打开。在阀门开启过程中，阀腔体是密闭的腔体，腔体内总液量不变，当液体的压缩和腔体内体积变化的共同作用不能满足开启过程的压力的试验要求时，需要修改试验模型，扩大阀腔体的体积，以减少活塞杆的伸出和缩回引起腔体内体积变化产生的影响。

4 结语

1) 水下采油树用闸阀及驱动器的试验由一系列试验组成，通过解析相关标准内容，给出了工厂验收试验、外压试验、PR2F性能试验、耐久性循环试验、含砂冲蚀试验等试验要求和试验注意事项。

2) 结合产品试验过程中出现的问题，分析了法兰连接密封、阀杆密封、闸板阀座密封等典型的引起试验不通过的原因，并给出了指导反向设计的意见。

3) 试验方法及试验问题分析研究可为水下采油树用闸阀或驱动器设计和试验提供参考。