楊 平，崔津生，陳艷東

（1.河北華北石油榮盛機(jī)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）

水下閘閥是海洋鉆完井工程的關(guān)鍵部件，主要應(yīng)用于水下防噴器組的壓井節(jié)流管匯、水下采油樹以及水下應(yīng)急封井裝置等系統(tǒng)。以上這些系統(tǒng)均需要長(zhǎng)期在水下環(huán)境使用，水下閘閥作為系統(tǒng)油氣管道壓力控制的核心部件，需要持續(xù)承受內(nèi)部流體的高壓以及外部海水的壓力，還要在帶壓狀態(tài)下保持可靠的開啟關(guān)閉性能，因此對(duì)水下閘閥的開關(guān)及密封可靠性和壽命的要求極高。在水下閘閥投入使用前，應(yīng)對(duì)閥門所處環(huán)境和工況進(jìn)行模擬，建立合適的試驗(yàn)系統(tǒng)，開展性能試驗(yàn)研究，來驗(yàn)證水下閘閥的使用壽命及性能。

1 項(xiàng)目背景

2010年，墨西哥灣漏油事故，英國(guó)石油公司設(shè)計(jì)制造出世界上第一套水下應(yīng)急封井裝置，并成功應(yīng)用于事故搶險(xiǎn)救援。為保護(hù)我國(guó)海洋環(huán)境和深水鉆井作業(yè)安全，國(guó)家已開展研制水下應(yīng)急封井裝置的課題研究。水下閘閥作為應(yīng)急封井裝置通道壓力控制的關(guān)鍵部件，應(yīng)滿足以下技術(shù)參數(shù)要求。如表1所示：

表1 水下閘閥主要技術(shù)參數(shù)

針對(duì)水下閘閥技術(shù)參數(shù)要求，開展適用于應(yīng)急封井裝置的水下閘閥研制，建立PR2性能試驗(yàn)系統(tǒng)及高壓試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行水下閘閥的系列性能試驗(yàn)研究，來驗(yàn)證水下閘閥的使用性能。

2 性能試驗(yàn)

2.1 工廠驗(yàn)收試驗(yàn)（FAT）

水下閘閥的工廠驗(yàn)收試驗(yàn)（FAT）主要依據(jù)API Spec 6A標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)模擬其使用工況，對(duì)試驗(yàn)方案略微調(diào)整，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)FAT試驗(yàn)項(xiàng)目的要求有：水壓強(qiáng)度及密封試驗(yàn)；本體及閥座氣壓高壓試驗(yàn)；閥座低壓氣壓試驗(yàn)等。閥門采用的是單閥座密封結(jié)構(gòu)，主要密封件是帶彈簧支撐的U型密封圈，壓力越高，自密封性能越好，高壓密封試驗(yàn)項(xiàng)目順利完成。限于工況要求，低壓密封不好實(shí)現(xiàn)。

水下閘閥在應(yīng)急封井裝置中，均采用驅(qū)動(dòng)裝置水平但流道豎直的安裝方式。在這種工況下，閥板及閥座的重量較重，完全抵消了下側(cè)U型密封圈的彈簧預(yù)緊力，只能靠上側(cè)的U型密封圈彈簧預(yù)緊力來建立低壓試驗(yàn)時(shí)的初始密封。加工過程中嚴(yán)格控制閥體容腔尺寸及閥板、閥座的厚度尺寸，合理選擇裝配間隙，保證閥門低壓情況下的良好密封和操作性能。

2.2 PR2性能鑒定試驗(yàn)

通過對(duì)閘閥實(shí)際使用工況的模擬，來驗(yàn)證閘閥的使用及密封 性能，API Spec 6A附錄F對(duì)閘閥的PR2性能鑒定試驗(yàn)做了規(guī)定，試驗(yàn)要求如表2所示。其中在完成2、3、4各試驗(yàn)項(xiàng)目后，在各溫度（高溫、低溫和室溫）下完成5、6、7試驗(yàn)項(xiàng)目，驗(yàn)證在各自溫度下循環(huán)試驗(yàn)后閘閥仍具有良好的密封性能。如表2所示。

表2 水下閘閥PR2性能鑒定試驗(yàn)要求

從試驗(yàn)要求可以看到，PR2性能鑒定試驗(yàn)的關(guān)鍵是試驗(yàn)設(shè)備和控制系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)要求，配置可正反轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)及減速箱，實(shí)現(xiàn)閘閥的平穩(wěn)開關(guān)；配置可放置閘閥及支撐臺(tái)架的高低溫箱及恒溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高溫、低溫的動(dòng)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)；同時(shí)配置各種壓力、溫度、扭矩及位移傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備各種參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

整個(gè)PR2性能鑒定試驗(yàn)過程大多是在高壓、極限溫度下進(jìn)行，為保證安全實(shí)現(xiàn)全方位試驗(yàn)的無人現(xiàn)場(chǎng)，建立了PR2試驗(yàn)控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集、顯示、試驗(yàn)設(shè)定及操作控制均在遠(yuǎn)程控制臺(tái)完成。硬件方面，通過控制器、變頻器、編碼器和壓力、溫度、扭矩、位移傳感器的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及精確控制。軟件方面，控制界面合理布局，壓力、溫度、扭矩等試驗(yàn)數(shù)據(jù)都可在控制臺(tái)實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)通過編程，將壓力、溫度及扭矩值曲線繪制在以時(shí)間為橫軸的同一個(gè)坐標(biāo)圖，如圖1所示，試驗(yàn)過程更為直觀。

圖1 水下閘閥PR2性能鑒定試驗(yàn)系統(tǒng)

2.3 高壓試驗(yàn)

為鑒定水下閘閥在額定水深安裝條件下的性能，API Spec 17D附錄L對(duì)高壓試驗(yàn)做了規(guī)定。要求水下閘閥在持續(xù)承受外部壓力的同時(shí)，完成閘閥額定工作壓力下開啟/關(guān)閉的200次循環(huán)。對(duì)公司水下防噴器組控制系統(tǒng)深水模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行升級(jí)改造，形成水下閘閥的高壓試驗(yàn)系統(tǒng)。閘閥在持續(xù)承受外壓的工況下完成200次帶壓開關(guān)循環(huán)，完成所有的高壓功能循環(huán)試驗(yàn)后，進(jìn)行本體及閥座的靜水壓密封試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)收。

2.4 耐久性循環(huán)試驗(yàn)

為評(píng)價(jià)水下閘閥長(zhǎng)期磨損特性，API Spec 17D標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水下閘閥的耐久性循環(huán)試驗(yàn)（壽命試驗(yàn)）做出了規(guī)定，要求水下閘閥在額定工作壓力下開啟/關(guān)閉600次循環(huán)。試驗(yàn)可在任何溫度下進(jìn)行，因此PR2性能鑒定試驗(yàn)及高壓試驗(yàn)中的各200次帶壓開關(guān)循環(huán)可累積到耐久性循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)中。剩余200次開關(guān)循環(huán)，借助PR2試驗(yàn)系統(tǒng)在室溫下完成。最后對(duì)閘閥本體及閥座進(jìn)行靜水壓密封試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)收。

3 結(jié)束語

1）通過設(shè)計(jì)、加工及裝配工藝優(yōu)化，滿足閘閥特定工況下的FAT試驗(yàn)要求。

2）建立了PR2性能鑒定試驗(yàn)系統(tǒng)，完成水下閘閥的PR2性能鑒定試驗(yàn)及耐久性循環(huán)試驗(yàn)，驗(yàn)證了水下閘閥在常溫及極限溫度下長(zhǎng)期磨損，仍然具有良好的密封和使用性能。

3）改造原有深水模擬試驗(yàn)裝置，形成水下閘閥高壓試驗(yàn)系統(tǒng)，完成高壓試驗(yàn)，驗(yàn)證了水下閘閥在額定水深安裝工況下良好的使用性能。

4）后期根據(jù)水下閘閥其他工況要求，還可進(jìn)行其他適用工況下的性能試驗(yàn)研究。