高溫閘閥設(shè)計與閘閥高溫試驗研究

崔津生，高明磊

（1.河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北任丘 062552；2.河北省井控及井口設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新中心，河北任丘 062552）

隨著中國經(jīng)濟的高速穩(wěn)步發(fā)展，能源需求日益增長，石油行業(yè)為保證國家戰(zhàn)略需要，實現(xiàn)了高速發(fā)展，陸上石油、海洋石油的油氣產(chǎn)能不斷增加，2020年中國成為全球第四大石油開采國，國內(nèi)石油油氣當(dāng)量首次突破2億t，天然氣產(chǎn)量超過1300億m3，但這依然不能滿足國內(nèi)能源需求，還需要大量進口，因此，加快石油、天然氣的開發(fā)已成為我國的重要發(fā)展戰(zhàn)略。

近年來，隨著我國高壓氣田的不斷開發(fā)，高壓、超深氣井成倍增長，高端采氣井口的需求與日俱增。目前我國70MPa以上抗硫化氫、耐高壓、耐高溫的采氣井口裝置主要依賴進口，進口產(chǎn)品交貨期長、成本高。

國內(nèi)企業(yè)開發(fā)中低端井口設(shè)備的較多，涉足高端市場的只有少數(shù)幾個廠家。產(chǎn)品在現(xiàn)場使用中質(zhì)量穩(wěn)定性差，使用壽命短。

1 項目背景

隨著油氣開發(fā)的日益廣泛，國內(nèi)鉆探公司大量到國外進行油氣田開發(fā)，中石油在中亞國家的開發(fā)項目中，井內(nèi)地層溫度達到160℃以上，井口溫度在120℃以上；為保證油氣穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，需要使用最高溫度滿足180℃的耐高溫井口產(chǎn)品。

目前，API 6A標(biāo)準(zhǔn)對采氣井口的常規(guī)溫度要求在-60~ 121℃范圍內(nèi)，在API 6A標(biāo)準(zhǔn)中的附錄G《高溫下裝置的設(shè)計和額定值的確定》中對高溫（X級-180℃、Y級-345℃）閥門的設(shè)計提出了性能、材料要求。目前，國外的CAMERON、FMC、WOM公司已經(jīng)開發(fā)出高溫閥門。

國內(nèi)高溫閥門的研制處于起步階段，高溫閥門的工業(yè)化應(yīng)用還沒有開始，開發(fā)高溫閥門，可以滿足石油開發(fā)的市場需求，填補國內(nèi)產(chǎn)品空白。

高溫閥門的產(chǎn)品開發(fā)主要由高溫閥設(shè)計、高溫閥試驗裝置和高溫閥試驗三部分組成。

2 高溫閥設(shè)計

高溫閥結(jié)構(gòu)采用平板閘閥結(jié)構(gòu)，承壓件閥體、閥蓋采用低合金鋼，控壓件閥桿、閥板、閥座采用馬氏體不銹鋼（根據(jù)不同的材料級別；承壓件閥體、閥蓋及控壓件閥桿、閥板、閥座可選用低合金鋼、馬氏體不銹鋼或耐蝕合金；閥門連接形式采用API 6A標(biāo)準(zhǔn)法蘭。

2.1 承壓件設(shè)計

依據(jù)API 6A附錄G的要求，如表1 所示，選取在高溫條件下材料降低系數(shù)Yγ。

表1 高溫下材料降低系數(shù)的選用

再按API 6X的計算方法，對承壓件在高溫狀態(tài)下的應(yīng)力進行設(shè)計校核。最后應(yīng)用有限元分析的方法，分別對高溫狀態(tài)下承壓件在不同工況下的應(yīng)力和位移進行驗證。

2.2 非金屬閥桿密封設(shè)計

采用耐腐蝕合金彈簧和特種復(fù)合材料密封組合PTFE+ Elgiloy，適用于高低溫、高壓、高腐蝕環(huán)境，抗H2S、CO2氣體，最高耐熱溫度為200℃。

2.3 倒密封設(shè)計

當(dāng)平行閘閥中閥桿密封件出現(xiàn)漏失或其他零件出現(xiàn)損壞時，可松開閥帽，旋轉(zhuǎn)閥桿使閥桿與閥蓋接觸，形成金屬密封帶，封住井壓，此時可以拆下閥桿密封圈，帶壓更換，從而保證生產(chǎn)的連續(xù)性。

2.4 應(yīng)用T型螺紋連接閥桿、閥板

增加閥桿、閥板間的配合間隙，閥桿可通過位置校正，減少閥桿與閥板之間的抗力，這種浮動式閥板的設(shè)計，不但可以降低裝配的難度，還可以達到減小開關(guān)閥門阻力的效果。

2.5 閥板和閥座間為金屬對金屬密封

閥板、閥座間采用高硬度、耐磨耐腐蝕合金，保證密封表面的高耐磨性和耐高溫、抗H2S、CO2氣體性能。

2.6 閥座和閥體間采用非金屬密封

密封件內(nèi)裝耐腐蝕合金彈簧，這一結(jié)構(gòu)保證了閥座與閥板緊密貼合，提供低壓預(yù)緊力，可在200℃高溫環(huán)境下保持良好的密封性能。

3 閘閥高溫試驗裝置

3.1 高溫恒溫箱的設(shè)計

高溫恒溫箱設(shè)計主要依據(jù)API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn) 附錄G的要求，調(diào)研國內(nèi)外各大油田采氣井口的高溫閥的市場需求，對試驗閥門的規(guī)格、耐受溫度等技術(shù)參數(shù)進行確定，高溫恒溫箱的主要技術(shù)參數(shù)為：

爐膛尺寸1 800mm×1 600mm×1 200mm；額定最高溫度：400℃；控溫精度±1℃；加熱功率35kW；額定電壓380/220V。

高溫恒溫箱結(jié)構(gòu)設(shè)計是以閥門在高溫箱內(nèi)進行試驗的要求考慮的，主要針對適用閥門規(guī)格，試驗時閥門的吊裝、固定、連接、試壓管線的走向、承載能力、耐高溫性能和測溫要求決定的。

3.2 高溫恒溫箱的技術(shù)特點

高溫恒溫箱主要由爐殼、內(nèi)膽、電熱元件、爐門及密封、風(fēng)機系統(tǒng)、PID智能儀表、交流接觸器控制加熱等組成，如圖1所示。其主要技術(shù)特點：

圖1 400℃高溫恒溫箱

（1）外殼由冷軋鋼板折彎焊接而成，內(nèi)膽采用304、1.2mm不銹鋼板折彎焊接而成。箱體外殼由型鋼組成。

（2）爐襯：在殼體及內(nèi)膽間保溫層填充使用耐火硅酸鋁棉做隔熱層，保溫性好。

（3）電熱元件：電熱元件采用不銹鋼加熱管，低表面負荷，長壽命設(shè)計，熱效率高，節(jié)能環(huán)保。

（4）爐門及密封：密封爐門，爐門四周鑲有軟石棉密封條，采用連桿壓緊，雙密封條壓緊設(shè)計。

（5）底部設(shè)計：爐底部固定槽鋼用14a標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格材料，槽鋼上按圖紙要求加工螺栓固定槽，上頂部雙開門，側(cè)面開有工藝門，便于操作（具體尺寸按需方設(shè)計圖紙制作）。

（6）溫度控制系統(tǒng)：采用智能化儀表顯示控溫，交流接觸器控制加熱，加熱部分可分兩加熱。

（7）保護功能：超流保護、超溫保護報警、時間控制、電機缺相保護。

4 閘閥型式試驗

4.1 試驗程序

依據(jù)API Spec 6A附錄F的要求制定本次高溫性能試驗試驗程序，如表2所示；閘閥承受的最高溫度為180℃，最低溫度-46℃，額定工作壓力為103.5MPa，在常溫、高溫、低溫動態(tài)試驗和壓力/溫度循環(huán)試驗后進行常溫密封驗證試驗和扭矩測量。

表2 平行閘閥PR2性能鑒定試驗要求

主要試驗項目：

4.2 閘閥的高溫試驗

閘閥的高溫試驗按照高溫閥門試驗程序進行，試驗結(jié)果達到設(shè)計要求。試驗完成后對閥門進行解體檢查，對關(guān)鍵部件進行表面探傷。試驗驗證閘閥在180℃的高溫條件下密封性能達到API 6A標(biāo)準(zhǔn)的要求，如圖2、圖3所示。

圖2 高溫恒溫箱升溫

圖3 高溫20次帶壓開關(guān)試驗

5 結(jié)束語

1）經(jīng)過試驗驗證，高溫閥門的密封性能、承壓能力、耐高溫性均滿足設(shè)計要求，可在180℃的高溫下使用，本產(chǎn)品滿足了國內(nèi)外用戶的使用需求。

目前，隨著油田開發(fā)水平的不斷提高，國內(nèi)外很多高產(chǎn)油田都需要使用溫度超過120℃的高溫閥門，國外此類產(chǎn)品價格高，交貨周期長，耐高溫閥門是油田對井口設(shè)備的特殊要求，是油氣開發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備。

2）高溫恒溫箱（400℃）經(jīng)過驗收和閘閥的高溫試驗，設(shè)備達到設(shè)計要求，可以滿足對高溫閥門試驗需要。

3）閘閥的高溫試驗經(jīng)過高溫下帶壓開關(guān)、閥體氣密封、閥座氣密封、閥座低壓密封和室溫下的密封確認試驗，確定閘閥可以滿足在180℃高溫井液流動狀態(tài)下安全使用，后續(xù)可根據(jù)市場需求對高溫閥門持續(xù)改進提高。