1.水下管匯閥門(mén)規(guī)范要求和選型
水下管匯中zui常用的閥門(mén)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(mén)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(mén)工作壓力zui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(jiàn)圖1。
水下管匯閥門(mén)所遵循的標(biāo)準(zhǔn)一般有API6DSS 、 API 6A 和 API 17D。
API 6DSS 是專門(mén)針對(duì)海底管道閥門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)， 其基于 API 6D 規(guī)范，并加入了水下閥門(mén)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(cè)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)標(biāo)準(zhǔn) ISO13623 或類似要求的水下管線系統(tǒng)。適用閥門(mén)尺寸范圍為 2″至 60″，壓力等級(jí)為 ANSI 150LB 至2500LB。閥門(mén)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(duì)夾式單閥瓣長(zhǎng)形和對(duì)夾式雙閥瓣長(zhǎng)形。閥門(mén)的端面 連接形式有焊接式和法蘭連接式。
API 6A 是針對(duì)井口和采油樹(shù)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(mén)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(mén)針 對(duì)水下井口和采油樹(shù)設(shè)備的規(guī)范。API 6A 和API 17D 對(duì)設(shè)備，包括閥門(mén)，定義了不同技術(shù)要求的產(chǎn) 品規(guī)范級(jí)別( PSL) ，每一個(gè)產(chǎn)品規(guī)范級(jí)別，有著不同的材料、試驗(yàn)要求。
API 6A 規(guī)范中要求的采油樹(shù)閥一般為1 13/16″～9″的閘閥。人們zui初進(jìn)行海底油氣田開(kāi)發(fā)時(shí)采 用的水下設(shè)備為海底井口設(shè)備，如水下采油樹(shù)等，這些設(shè)備上的閥門(mén)遵循 API 17D，其基于井口與 采油樹(shù)裝置規(guī)范 API6A，并加入了水下應(yīng)用方面 的要求，事實(shí)上所有的水下采油樹(shù)閥門(mén)均為1 13/16 ″～9″的閘閥。由于需要考慮上游采油樹(shù)的油嘴或 者閥門(mén)可能出現(xiàn)的失效問(wèn)題，水下管匯處的閥門(mén) 通常需要和采油樹(shù)上閥門(mén)的壓力等級(jí)保持一致，因此人們會(huì)邏輯性地選擇閘閥作為采油樹(shù)下游水 下管匯支管的閥門(mén)。相對(duì)于 API 6D/API 6DSS 閥 門(mén)來(lái)說(shuō)， API 6A/17D 閘閥在井口裝置和水下采油 樹(shù)應(yīng)用方面有著更為良好和穩(wěn)定的使用記錄。所 以依據(jù)國(guó)內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)，水下管匯支管閥門(mén)應(yīng)視為井口生產(chǎn)系統(tǒng)的一部分，宜選擇閘閥( API 6A/ API 17D) 。
管匯主管一般有清管要求，球閥相對(duì)于閘閥 更宜于進(jìn)行清管操作。另外從閥門(mén)尺寸結(jié)構(gòu)方 面，球閥開(kāi)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(zhǎng)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(lái)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(mén)宜選擇球閥。
對(duì)于水下管匯閥門(mén)，應(yīng)首先考慮閥門(mén)與管道 焊接來(lái)減少泄露途徑。由于zui初設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮 到管線閥門(mén)的要求， API 6A 和17D 閘閥有兩個(gè)方 面的限制:
?、偎鼈兪褂酶邚?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(cè)試要求比 API 6D 嚴(yán)格;
?、贏PI 6A 和 17D 閘閥依靠非常平整且平行的袋形底座來(lái)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(mén)需要帶一定長(zhǎng)度的直管短節(jié)，短節(jié)長(zhǎng)度 一般為200 mm 或更長(zhǎng)。
API 6A、17D 和 API6D 在壓力測(cè)試方面有所 不同，對(duì)一個(gè) API 6A、 17D 閘閥進(jìn)行低壓測(cè)試時(shí) 壓力為5% ～10%的工作壓力，而 API 6D 的低壓 測(cè)試指標(biāo)為551. 2 kPa( 80 psi) 氣壓測(cè)試。
API 6A閥的尺寸是由標(biāo)稱直徑（內(nèi)徑）決定，而管匯管道以及下游管道的尺寸是由外徑?jīng)Q定的，所以可能出現(xiàn)閥門(mén)尺寸與管線尺寸不匹配的 情況，例如一個(gè)8″的管可能與一個(gè)孔徑為6 3/8 ″的 閥匹配。正確地選擇閥門(mén)尺寸需要知道管道的等 級(jí)和壁厚參數(shù)。表 1 比較了一些具有代表性的 API 6A 閥門(mén)和大壁厚管道的尺寸。
表1 典型API 6A 閥門(mén)和管道尺寸
如果水下管匯主管尺寸為 12″，且需要清管 操作，宜選用球閥; 支管尺寸為 8″，宜選用 7 1/16 ″ API 6A 閘閥。
水下管匯閥門(mén)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(mén)的主要使 用性能和使用范圍，屬于閥門(mén)使用特性的有閥門(mén)的類別( 隔離閥門(mén)、安全閥門(mén)等) 、產(chǎn)品類型( 球 閥、閘閥等) 、閥門(mén)主要零件( 閥體、閥蓋、閥桿、閥瓣、密封面) 的材料、閥門(mén)傳動(dòng)方式等。結(jié)構(gòu)特性 確定閥門(mén)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(mén)的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)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(mén) 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(mén)選型設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖2。
2.水下管匯閥門(mén)材料要求
水下管匯閥門(mén)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(mén)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(guò)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(mén)組件的化學(xué)成分和制造應(yīng)按照 ASTM 規(guī) 定，不允許對(duì)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(mén)的材料等級(jí)應(yīng)不小于 API 6A 的 EE 等級(jí)，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(mén)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(mén)用碳鋼鍛件材料的zui低等級(jí)應(yīng) 為 ASTM A694 Grade F60、 ASTM A694 Grade F65 或 ASTM A350 LF2。碳鋼鑄件材料的zui低等級(jí)應(yīng)為 ASTM A352 Grade LCC 和 MDS C12。鍛件的zui大碳含量一般為0.20%的成品分析，zui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 zui大碳含量一般為0.20%的成品分析，zui大碳當(dāng)量值( CEV )一般為0.45%。鑄件或鍛件的zui大含硫量不超過(guò)0.020 %。碳鋼和低合金鋼部件的硬度zui大 一般不能超過(guò) 250 HV10。對(duì)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(mén)用 22% Cr 雙相不銹鋼鍛件的 zui低等級(jí)為 ASTM A182 Grade F51。22%Cr 雙相 不銹鋼鑄件的zui低等級(jí)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zui大設(shè)計(jì)溫度下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。zui小屈服強(qiáng)度和zui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。本體金屬硬度zui大不超過(guò)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(cè)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(mén)用 25% Cr 雙相不銹鋼鍛件的 zui低等級(jí)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zui大設(shè)計(jì)溫度下進(jìn)行拉伸試 驗(yàn)。zui小屈服強(qiáng)度和zui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zui大不得超過(guò) 330HV10 。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(cè)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(mén)用鎳基合金鍛件的zui低等級(jí)為 ASTM B637。鍛件應(yīng)經(jīng)過(guò)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(mén)中*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(shū)、老化要求和氣 體急速失壓測(cè)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zui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(shū)
水下管匯閥門(mén)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(rùn)部件應(yīng)提供 BSEN10204 類型 3.2 的材質(zhì)證書(shū)。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(shū)。對(duì)于其他的螺栓應(yīng)提供 BS EN10204 類型 2.2 的材質(zhì)證書(shū)。對(duì)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(shū)。
3 結(jié)論
1) 目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)文獻(xiàn)對(duì)水下閥門(mén)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(mén)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(mén)相關(guān)規(guī)范要求，對(duì)水下管匯 閥門(mén)的技術(shù)要求進(jìn)行總結(jié)，梳理形成了水下管匯 閥門(mén)選型設(shè)計(jì)流程。同時(shí)對(duì)水下管匯閥門(mén)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(mén)常用材料的技術(shù)性能指標(biāo) 要求。
2) 水下管匯閥門(mén)所遵循的標(biāo)準(zhǔn)一般為API 6DSS、 API 6A 和 API 17D，管匯主管閥門(mén)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(mén)一般選擇閘閥。
3) 水下閥門(mén)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。
會(huì)員1.png)
