水下管匯閥門的選型和材料要求

，， ，，

(海洋石油工程股份有限公司, 天津塘沽 300451)

在油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)中，水下管匯是常見的水下設(shè)施，其規(guī)模大，接口多，常集成各類水下閥門。水下閥門在國外應(yīng)用較為成熟，而國內(nèi)研究和應(yīng)用剛剛起步。作為水下管匯內(nèi)部最重要的隔離設(shè)備和功能單元，水下閥門運(yùn)行可靠與否直接關(guān)系管匯及整個(gè)油氣田的生產(chǎn)和系統(tǒng)的安全。本文通過技術(shù)攻關(guān)并結(jié)合實(shí)際水下工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對水下管匯閥門的選型和材料技術(shù)進(jìn)行研究，總結(jié)形成水下管匯閥門的選型設(shè)計(jì)流程以及水下閥門材料的技術(shù)指標(biāo)要求，以期供水下管匯的設(shè)計(jì)、設(shè)備選型以及水下生產(chǎn)設(shè)施的共性技術(shù)的研究參考。

1 水下管匯閥門規(guī)范要求和選型

水下管匯中最常用的閥門為球閥、閘閥和單向閥，管匯吸力錨基礎(chǔ)上還會(huì)采用蝶閥。閥門的主要作用是隔離水下設(shè)備和管道系統(tǒng)，防止回流、調(diào)節(jié)和排泄壓力。水下閥門工作壓力最高至137.8 MPa(20 000 psi)，工作溫度范圍為-60～182 ℃。適用介質(zhì)為水、原油、天然氣、化學(xué)藥劑(如乙二醇)等。操作方式主要有手輪操作、ROV操作和液壓執(zhí)行器操作。典型水下球閥的圖片見圖1。

水下管匯閥門所遵循的標(biāo)準(zhǔn)一般有API6DSS[1]、API 6A[2]和API 17D[3]。

圖1 帶ROV操作接口的水下球閥

API 6DSS是專門針對海底管道閥門的標(biāo)準(zhǔn)，其基于API 6D規(guī)范，并加入了水下閥門的相關(guān)要求。API 6DSS規(guī)定了球閥、止回閥和閘閥在設(shè)計(jì)、制造、測試和文件方面的要求，并提供了建議，使其適用于滿足石油和天然氣工業(yè)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO13623或類似要求的水下管線系統(tǒng)。適用閥門尺寸范圍為2″至60″，壓力等級為ANSI 150LB至2500LB。閥門分為全通徑和縮徑兩種。球閥有3種閥體形式：頂裝式、三片式和焊接閥體式。止回閥分為旋啟式縮口式、旋啟式全通徑式、對夾式單閥瓣長形和對夾式雙閥瓣長形。閥門的端面連接形式有焊接式和法蘭連接式。

API 6A是針對井口和采油樹裝置的規(guī)范，包括的具體設(shè)備如下：井口裝置、連接裝置及附件、套管懸掛器和油管懸掛器、閥門和節(jié)流器、單件連接裝置[法蘭式、螺紋式、其它端部連接裝置(O.E.C)和焊接式]、其它裝置。API 17D是專門針對水下井口和采油樹設(shè)備的規(guī)范。API 6A和API 17D對設(shè)備，包括閥門，定義了不同技術(shù)要求的產(chǎn)品規(guī)范級別(PSL)，每一個(gè)產(chǎn)品規(guī)范級別，有著不同的材料、試驗(yàn)要求。

管匯主管一般有清管要求，球閥相對于閘閥更宜于進(jìn)行清管操作。另外從閥門尺寸結(jié)構(gòu)方面，球閥開啟一次只需閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)1/4圈，而閘閥由于結(jié)構(gòu)限制，啟閉一次需要較長時(shí)間，且大尺寸閘閥需要更大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。且隨著金屬密封技術(shù)的不斷發(fā)展，水下球閥在海底管道輸送系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。綜合考慮口徑和清管因素，水下管匯主管閥門宜選擇球閥。

對于水下管匯閥門，應(yīng)首先考慮閥門與管道焊接來減少泄露途徑。由于最初設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮到管線閥門的要求，API 6A和17D閘閥有兩個(gè)方面的限制。①它們使用高強(qiáng)度，低合金鋼閥體，要求應(yīng)力釋放，這可能導(dǎo)致內(nèi)襯的扭曲和損壞，因此其測試要求比API 6D嚴(yán)格;②API 6A和17D閘閥依靠非常平整且平行的袋形底座來進(jìn)行有效的密封，由于焊接可能造成閥體的扭曲，所以水下焊接端閥門需要帶一定長度的直管短節(jié)，短節(jié)長度一般為200 mm或更長。

API 6A、17D和API6D在壓力測試方面有所不同，對一個(gè)API 6A、17D閘閥進(jìn)行低壓測試時(shí)壓力為5%～10%的工作壓力，而API 6D的低壓測試指標(biāo)為551.2 kPa(80 psi)氣壓測試。

表1 典型API 6A閥門和管道尺寸

水下管匯閥門的主體特性一般有兩種，使用特性和結(jié)構(gòu)特性。使用特性確定了閥門的主要使用性能和使用范圍，屬于閥門使用特性的有閥門的類別(隔離閥門、安全閥門等)、產(chǎn)品類型(球閥、閘閥等)、閥門主要零件(閥體、閥蓋、閥桿、閥瓣、密封面)的材料、閥門傳動(dòng)方式等。 結(jié)構(gòu)特性確定閥門的安裝、操作、回收等方法的一些結(jié)構(gòu)特性，屬于結(jié)構(gòu)特性的有閥門的結(jié)構(gòu)長度和總體高度、與管道的連接形式(法蘭連接、焊接端、卡箍連接等)、密封面的形式(堆焊、噴焊、鍍層、閥體本體等)、球體結(jié)構(gòu)形式(固定球、浮動(dòng)球)、閥門操作形式、ROV接口形式、總體重量、執(zhí)行器的可回收性等。

基于以上分析和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)水下管匯閥門選型設(shè)計(jì)流程見圖2。

圖2 水下管匯閥門選型設(shè)計(jì)流程

2 水下管匯閥門材料要求

水下管匯閥門的材料選擇一般依據(jù)規(guī)范API 6A和API 6DSS要求。材料的選擇應(yīng)綜合考慮材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率、硬度、沖擊韌度及抗腐蝕能力等機(jī)械材料性能，使用中應(yīng)滿足海水環(huán)境、介質(zhì)條件、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度及可靠性的要求。

水下閥門所有材料應(yīng)滿足油、氣田全生命周期的試壓、清管、生產(chǎn)、停輸?shù)雀鞣N不同工況的要求。

如在工作過程中有滑動(dòng)接觸，應(yīng)選擇有硬度差的部件以防止擦傷，要求所有奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼、鎳基合金應(yīng)滿足NORSOK標(biāo)準(zhǔn)的M-650和ISO 9001認(rèn)證的要求。

閥門組件的化學(xué)成分和制造應(yīng)按照ASTM規(guī)定，不允許對鑄造或鍛造部件進(jìn)行補(bǔ)焊。一般不得使用等效材料進(jìn)行材料替換。

水下管匯閥門的材料等級應(yīng)不小于API 6A的EE等級，承壓和控壓部件的材料應(yīng)滿足CO2環(huán)境要求。接觸流體和化學(xué)藥劑的閥門部件應(yīng)由滿足工況條件的材料組成。螺栓材料應(yīng)依據(jù)ASTM A320 L7、L43，并進(jìn)行PTFE涂層。所有非金屬密封件應(yīng)為減壓防爆材料。

2.1 碳鋼

水下管匯閥門用碳鋼鍛件材料的最低等級應(yīng)為ASTM A694 Grade F60、ASTM A694 Grade F65或ASTM A350 LF2。碳鋼鑄件材料的最低等級應(yīng)為ASTM A352 Grade LCC 和 MDS C12。鍛件的最大碳含量一般為0.20%的成品分析，最大碳當(dāng)量值(CEV)一般為0.42%，其中CEV= C +Mn/ 6 +(CR +Mo+ V)/ 5+(Cu+Ni)/15%。鑄件的最大碳含量一般為0.20%的成品分析，最大碳當(dāng)量值(CEV)一般為0.45%。鑄件或鍛件的最大含硫量不超過0.020 %。碳鋼和低合金鋼部件的硬度最大一般不能超過250 HV10。對于ASTM A694 F60、F65材料應(yīng)依照ASTM A370進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)。

2.2 22% Cr雙相不銹鋼

水下管匯閥門用22%Cr 雙相不銹鋼鍛件的最低等級為ASTM A182 Grade F51。22%Cr 雙相不銹鋼鑄件的最低等級為ASTM A995 Grade 4A(UNS J92205)。鍛件或鑄件應(yīng)進(jìn)行固溶退火然后迅速水淬。耐點(diǎn)蝕當(dāng)量數(shù)(PREN )應(yīng)不小于35，應(yīng)在最大設(shè)計(jì)溫度下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。最小屈服強(qiáng)度和最小抗拉強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)22% Cr雙相不銹鋼在高溫下的強(qiáng)度降低進(jìn)行調(diào)整(見文獻(xiàn)[5]的圖5-1)。本體金屬硬度最大不超過286 HV10 。應(yīng)依照ASTM A370進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)。

鐵素體含量應(yīng)根據(jù)ASTM E562測定，并須在35%～55%范圍內(nèi)。焊縫金屬和熱影響區(qū)金屬的鐵素體含量范圍應(yīng)在35%～65%之間。應(yīng)根據(jù)ASTM G48方法A進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。

2.3 25% Cr雙相不銹鋼

水下管匯閥門用25% Cr 雙相不銹鋼鍛件的最低等級為ASTM A182 Grade F55。鍛件應(yīng)進(jìn)行固溶退火然后迅速水淬。耐點(diǎn)蝕當(dāng)量數(shù)(PREN )應(yīng)不小于40 ，應(yīng)在最大設(shè)計(jì)溫度下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。最小屈服強(qiáng)度和最小抗拉強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)25% Cr雙相不銹鋼在高溫下的強(qiáng)度降低進(jìn)行調(diào)整。本體金屬硬度最大不得超過330 HV10 。應(yīng)依照ASTM A370進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)。

鐵素體含量應(yīng)根據(jù)ASTM E562測定，并須在35%～55%范圍內(nèi)。焊縫金屬和熱影響區(qū)金屬的鐵素體含量范圍應(yīng)在35%～65%之間 ，根據(jù)ASTM G48方法A進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。

2.4 鎳基合金

水下管匯閥門用鎳基合金鍛件的最低等級為ASTM B637。鍛件應(yīng)經(jīng)過退火或固溶處理，并進(jìn)行沉淀硬化。

2.5 非金屬密封材料

所有非金屬密封材料，在閥門中永久使用的聚合物和彈性密封和閥座密封材料(即暴露于工藝介質(zhì)的材料，保壓材料等)，應(yīng)符合NORSOK M-630要求的材料特性、材料證書、老化要求和氣體急速失壓測試要求?？赡芙佑|到的碳?xì)浠衔锏膹椥悦芊饧?yīng)為減壓防爆材料且應(yīng)適用于最低設(shè)計(jì)溫度。外部密封件應(yīng)采用環(huán)保材料。

2.6 材質(zhì)證書

水下管匯閥門閥體、閥蓋、內(nèi)件以及其他承壓部件，包括螺栓和介質(zhì)濕潤部件應(yīng)提供BS EN10204 類型 3.2的材質(zhì)證書。其他部件例如補(bǔ)償系統(tǒng)應(yīng)提供BS EN10204 類型 3.1的材質(zhì)證書。對于其他的螺栓應(yīng)提供BS EN10204 類型2.2的材質(zhì)證書。對于操作器或執(zhí)行器承壓部件應(yīng)提供BS EN10204類型3.1的材質(zhì)證書。

3 結(jié)論

1)目前國內(nèi)尚無文獻(xiàn)對水下閥門選型設(shè)計(jì)流程進(jìn)行系統(tǒng)梳理，有些研究工作集中在水下球閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和主體材料選擇方面，未描述閥門材料的性能指標(biāo)要求。本文結(jié)合水下管匯的功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和水下閥門相關(guān)規(guī)范要求，對水下管匯閥門的技術(shù)要求進(jìn)行總結(jié)，梳理形成了水下管匯閥門選型設(shè)計(jì)流程。同時(shí)對水下管匯閥門組成材料的技術(shù)要求和參數(shù)進(jìn)行研究，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)形成了水下管匯閥門常用材料的技術(shù)性能指標(biāo)要求。

2)水下管匯閥門所遵循的標(biāo)準(zhǔn)一般為API 6DSS、API 6A和API 17D，管匯主管閥門由于清管需要，且尺寸較大，一般選用水下球閥，而管匯支管閥門一般選擇閘閥。

3)水下閥門材料的選擇應(yīng)綜合考慮材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率、硬度、沖擊韌度及抗腐蝕能力等機(jī)械材料性能，使用中應(yīng)滿足海水環(huán)境、介質(zhì)條件、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度及可靠性的要求。

[1] API 6DSS Specification for subsea pipeline valves[S].2010.

[2] API 6A Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment[S].2010.

[3] API 17D Specification for Subsea Wellhead and Christmas Tree Equipment[S].2005.

[4] DNV OS-F101 Submarine Pipeline Systems[S].2008.

[5] 祝曉丹,王國富.淺談水下球閥的選用[J].中國造船,2012，53(A02)：423-428.