淺談高壓閥門(mén)的PR2級性能鑒定試驗
PR2級閥門(mén)主要用于PR2級井口裝置和采油樹(shù)設備上，控制采油作用中流體的開(kāi)閉，是井口裝置和采油樹(shù)核心部件之一，而高壓PR2級井口裝置和采油樹(shù)設備因其具有較高的設計、制造和試驗要求一直是國內石油設備制造企業(yè)的軟肋，尤其是PR2性能鑒定試驗，試驗步驟多、工況條件惡劣，對閥門(mén)密封和可靠性要求非常高，試驗通過(guò)難度大。本文對相同結構、不同設計參數的兩個(gè)手動(dòng)平板閘閥試驗過(guò)程和結果進(jìn)行了分析，試驗結果表明現有閥門(mén)結構、材料的選擇、密封件的選擇基本合理；最后分析了閥門(mén)PR2性能鑒定試驗成敗的原因，并給出了改進(jìn)方向的建議。
閘閥是井口裝置和采油樹(shù)設備中啟閉流體的關(guān)鍵部件，數量大、規格多，其性能安全可靠至關(guān)重要，一旦閥門(mén)失效，輕則油(氣)井鉆井或生產(chǎn)暫停，造成重大經(jīng)濟損失，重則可能會(huì )造成人員傷亡事故。
我國的石油裝備的需求和出口還處在增長(cháng)階段，但國內外用戶(hù)對產(chǎn)品的安全性、可靠性的要求不斷提高，性能級別更高的產(chǎn)品需求越來(lái)越多。如殼牌公司要求，給其提供的閥門(mén)必須滿(mǎn)足PR2要求；國內的一些西部油氣田和海洋油田也都對產(chǎn)品提出了PR2性能要求。閥門(mén)設計和制造是否符合PR2級的性能要求，必須通過(guò)API6A標準規定的一系列性能鑒定試驗程序來(lái)加以驗證。
1、閥門(mén)的PR2級性能鑒定試驗的要求
閥門(mén)先要按照API6A(ISO10423)/GB22513標準(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“標準”)規定進(jìn)行壓力測試，測試合格后再按照標準規定進(jìn)行PR2性能試驗。具體試驗程序如下：
(1)室溫下160次帶壓開(kāi)、關(guān)循環(huán)試驗；
(2)最高溫度下的20次帶壓開(kāi)、關(guān)循環(huán)試驗；
(3)最低溫度下的20次帶壓開(kāi)、關(guān)循環(huán)試驗；
(4)閥體的溫度循環(huán)及各階段的高、低壓的保壓試驗；
(5)各個(gè)試驗過(guò)程中閥門(mén)的扭矩試驗。
2、閥門(mén)設計的參數及設計特點(diǎn)
2.1、設計參數
2.2、手動(dòng)平板閘閥的設計結構特點(diǎn)
2.2.1、主要結構如圖1
1閥體 2閘板 3閥桿 4閥桿螺母 5閥蓋 6隔環(huán) 7填料壓蓋 8手輪 9閥桿套10銷(xiāo) 11軸承蓋 12閥桿填料 13密封環(huán) 14 閥座內密封圈 15閥座外密封圈 16閥座
圖1 手動(dòng)平板閘閥
2.2.2、結構特點(diǎn)
a.閘閥采用單閘板、單閥座和暗桿結構；
b.閥桿套處采用推力軸承設計降低扭矩；
c.閘板和閥座采用浮動(dòng)式設計；
d.閥門(mén)雙向密封設計，使用壽命延長(cháng)；
e.體蓋密封采用金屬錐形密封環(huán)；
f.閥座與閘板采用金屬密封；
g.閥座與閥體采用金屬與蓄能圈復合密封；
h.閥桿采用倒密封設計，可帶壓更換閥桿填料。
2.3、PR2級和PR1級閘閥在設計、性能鑒定試驗方面的差別：
PR1級性能試驗，標準強制性規定做常溫3個(gè)循環(huán)試驗，其它高、低溫等試驗只要提供客觀(guān)證據即可，顯然，PR2級閥門(mén)的要求要比PR1高得多。PR2級閥門(mén)相對PR1級閥門(mén)的設計結構大體相同，區別如下：
(1)所有密封面的光潔度提高一個(gè)等級；
(2)所有密封面的探傷全部提高到PSL3級驗收；
(3)閥座密封采用內外兩個(gè)蓄能圈(PR1只有一個(gè)蓄能圈)；
(4)閘板、閥座表面全部采用硬質(zhì)合金噴涂硬化表面(PR1有氮化、堆焊、噴焊和噴涂等)；
(5)推力軸承全部采用承載力強的滾針推力軸承(PR1級采用的為滾球推力軸承)。
3、閥門(mén)PR2性能鑒定試驗情況分析
兩個(gè)不同設計參數閥門(mén)的性能鑒定試驗在國家油氣田井口設備質(zhì)量監督檢驗中心江漢機械研究所進(jìn)行，試驗不包含非金屬密封件的試驗，其中2-1/16“10000Psi閘閥共進(jìn)行了兩次試驗，第一次在低溫循環(huán)時(shí)填料泄漏導致試驗失敗。經(jīng)整改后，重新進(jìn)行PR2試驗，第二次順利通過(guò)。2-1/16“15000Psi閘閥則一次性順利通過(guò)。
3.1、PR2試驗和整改情況
2-1/16“10000Psi閘閥第一次試驗低溫失敗的具體情況為：當溫度在-30°C時(shí)閥門(mén)運行正常，但隨著(zhù)溫度的降低，泄漏量開(kāi)始增大；經(jīng)拆檢發(fā)現閥桿填料無(wú)損壞，但閥座密封圈全部損壞，閘板和閥座密封面有輕微劃傷，其它零部件全部正常；但通過(guò)試壓曲線(xiàn)及記錄發(fā)現閥門(mén)扭矩偏大，特別是低溫時(shí)，扭矩是常溫的2倍左右達到221N•M，超過(guò)了設計的200N•M。第二次試驗時(shí)對一些關(guān)鍵部件進(jìn)行了整改，最后試驗順利通過(guò)。經(jīng)拆檢，填料、密封圈無(wú)損壞，閘板、閥座無(wú)劃傷，所有零件磨損在正常范圍內。根據第一次的失敗情況，筆者對設計選材進(jìn)行了整改，整改前后的設計及選用材料對比如下表：
圖2、圖3為在2-1/16“15000psi閘閥低溫循環(huán)試驗的記錄摘錄，其完全采用了2-1/16“10000psi閘閥的設計與選材，結果順利通過(guò)PR2性能鑒定試驗，再次驗證了2-1/16“10000psi閘閥的設計和整改是有效的。
圖2 井口裝置和采油樹(shù)性能鑒定記錄表
圖3 閘閥低溫循環(huán)試驗實(shí)時(shí)壓力圖
3.2、試驗成敗的原因分析
通過(guò)以上三次的PR2性能鑒定試驗，基本找到試驗失敗的原因，具體問(wèn)題及分析如下：
(1)閥桿密封件低溫泄漏，是因為選用的密封件達不到最低溫度要求；
(2)閥座密封圈的損壞，說(shuō)明閥座密封圈抵抗不了溫度變化和密封壓力的雙重作用；
(3)閘板、閥座的輕微劃傷，說(shuō)明閘板、閥座的表面處理硬座選擇不合理，在常溫、高溫和低溫多次循環(huán)后，造成表面輕微劃傷；
(4)扭矩太大，說(shuō)明閥桿和閥桿螺母的摩擦系數過(guò)大，填料與閥桿之間摩擦系數過(guò)大，減磨措施不良。
4、結論及建議
通過(guò)此次兩個(gè)閥門(mén)的試驗，系統了解了閥門(mén)PR2性能鑒定試驗的詳細過(guò)程和要求，也從試驗的成敗中收獲了許多，在此給出結論和建議，供參考借鑒。
(1)閥門(mén)設計及制造須達到氣密封級別，密封達到零泄漏；閥門(mén)的各零部件的質(zhì)量必須嚴格控制，特別注意密封件和傳動(dòng)部件的質(zhì)量性能；在設計中要充分考慮承壓件及密封結構的熱脹冷縮的變形量，控制好相關(guān)配合尺寸，避免發(fā)生干涉和浮動(dòng)件卡死現象；密封件和傳動(dòng)件的耐磨性和減磨措施需進(jìn)行考慮，保證閥在高、低溫條件下的操作扭矩符合要求。
(2)非金屬密封件的選擇非常重要，現國內幾乎還沒(méi)有能夠滿(mǎn)足PR2試驗的非金屬密封件廠(chǎng)家，基本靠從國外進(jìn)口。在選用非金屬密封件時(shí)，應盡量選擇有良好使用口碑的廠(chǎng)家，材料需滿(mǎn)足工作壓力和溫度的要求。
(3)國內的PR2性能鑒定機構和研究院所，還沒(méi)有相關(guān)非金屬密封件的熱化學(xué)性能的檢測能力，希望各檢測機構和研究所完善試驗設備，具備非金屬密封件的性能鑒定能力。另外，密封件的生產(chǎn)廠(chǎng)家需積極開(kāi)發(fā)，使產(chǎn)品滿(mǎn)足PR2性能級別要求，早日實(shí)現高性能非金屬密封件的國產(chǎn)化。
