抗H2S腐蝕的HH-PSL3G-PR2級氣密封閘閥研制

2013-11-18 孫曉迎長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

　　為了開發(fā)高含硫的天然氣藏，需解決完井井口裝置及采氣樹中閘閥的腐蝕和高壓氣密封問題。研制了抗H2S腐蝕的HH-PSL3G-PR2級氣密封閘閥。介紹了高含硫氣田的腐蝕危害及對閘閥設(shè)計、選材、制造和檢驗(yàn)等方面的要求。重點(diǎn)介紹了該閘閥的結(jié)構(gòu)及設(shè)計要點(diǎn)、閥體及閥蓋內(nèi)腔堆焊工藝、關(guān)鍵部位加工及密封件采購難點(diǎn)，并提出解決辦法。

　　高含硫的天然氣會對完井井口裝置和采油、采氣等井場設(shè)備造成嚴(yán)重的腐蝕，還會危及人生安全。HH 級是API　6A (ISO　10423)標(biāo)準(zhǔn)中材料級別要求最高的級別，代表酸性高腐蝕的惡劣工況，其中H2S 含量達(dá)到10% ～20%，CO2含量達(dá)到8%～15%。在酸性高腐蝕條件下，要求設(shè)備不僅具有良好的耐磨、耐沖刷和密封性能，還要具有抗H2S應(yīng)力腐蝕和氫脆導(dǎo)致開裂的能力。閘閥作為井口裝置和采油(氣)樹中數(shù)量最大、使用最多的部件，擔(dān)負(fù)著控制流體和整個采油(氣)井的開啟、關(guān)閉等重要任務(wù)，在高含硫氣井上使用時，其性能要求更高。HH-PSL3G-PR2級氣密封閘閥主要用于酸性高含硫天然氣田中的完井井口裝置和采氣樹設(shè)備上，閘閥材料等級為HH 級；產(chǎn)品規(guī)格等級為PSL3G；性能級別為PR2。酸性高含硫天然氣田主要分布在我國的四川地區(qū)，隨著近年普光、龍崗、大灣、元壩等天然氣田的相繼發(fā)現(xiàn)和開發(fā)，對滿足高含硫酸性氣田用的閘閥需求量也越來越大，但目前此類氣田選用的HH-PSL3G-PR2級氣密封閘閥大多采用國外產(chǎn)品，不僅價格昂貴、供貨周期長，維修和使用成本也特別高。本文分析了該閘閥的設(shè)計要點(diǎn)、制造工藝難點(diǎn)，為該類閘閥的國產(chǎn)化提供參考。

1、高含硫天然氣開采對閘閥的要求

　　1.1、腐蝕危害和機(jī)理

　　酸性高的天然氣田一般具有高H2S、高CO2、高溫、高壓的“四高”復(fù)雜惡劣條件，其中，H2S氣體的影響最大。H2S及其水溶液對金屬具有強(qiáng)烈的腐蝕作用，尤其是溶液中含有CO2或O2時，腐蝕速度更快，其對油氣田設(shè)備的腐蝕方式主要有電化學(xué)腐蝕和硫化物的腐蝕破裂。H2S腐蝕會造成鉆具發(fā)生氫脆斷裂而無法壓井，被迫完鉆；另外，腐蝕可導(dǎo)致油氣井泄露和管道爆裂，從而引發(fā)安全事故，對人員、設(shè)備及環(huán)境構(gòu)成極大危害。

　　目前，國內(nèi)外對高含硫氣田腐蝕問題的研究已經(jīng)形成較為統(tǒng)一的認(rèn)識，即H2S造成包括耐蝕合金在內(nèi)的各類材料氫致開裂和硫化物應(yīng)力腐蝕開裂；CO2可以使環(huán)境體系進(jìn)一步酸化，并誘發(fā)嚴(yán)重的局部腐蝕；硫元素沉積使得原本極為耐蝕的鎳基合金也可能遭受嚴(yán)重的局部腐蝕，并惡化局部環(huán)境；氯離子是腐蝕產(chǎn)物膜和鈍化膜的破壞者，高溫下誘發(fā)氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。當(dāng)H2S、CO2、硫元素、氯離子等多種因素共存時，在耦合作用下，各自腐蝕動力學(xué)過程的交互影響使得腐蝕問題變得更為復(fù)雜，需進(jìn)一步系統(tǒng)研究(包括靜態(tài)腐蝕評價和動態(tài)腐蝕評價)。

　　1.2、性能要求

　　1)　性能達(dá)到PR2級要求，實(shí)現(xiàn)高、低壓條件下的可靠氣體密封。

　　2)　閘閥內(nèi)件、過流表面具有較強(qiáng)的抗H2S應(yīng)力腐蝕和氫致開裂的能力。

　　3)　具有較高的強(qiáng)度和剛度，耐磨耐沖刷，保證在現(xiàn)場使用條件下安全運(yùn)行。

　　4)　閘閥應(yīng)為防火安全型，且滿足API6FA的要求。

　　1.3、設(shè)計和制造要求

　　1)　設(shè)計

　　結(jié)構(gòu)、尺寸按API6A標(biāo)準(zhǔn)PSL3GPR2級別設(shè)計，并結(jié)合現(xiàn)場使用工況和客戶要求。防火要求按API　6FA 標(biāo)準(zhǔn)；各部位尤其是閥桿-閥蓋和閥體-閥座關(guān)鍵部位的密封設(shè)計需安全可靠；另外，應(yīng)考慮盡量降低操作轉(zhuǎn)矩，以便于在緊急情況下能夠迅速關(guān)斷或開啟閘閥。

　　2)　選材

　　按HH 級材料等級要求進(jìn)行選材，滿足NACEMR0175/ISO　15156要求；“五大件”及其他承壓件的材料選擇必須保證強(qiáng)度要求，并適當(dāng)提高安全系數(shù)；密封件材料需考慮抗硫措施，確保不會發(fā)生泄漏；非金屬部件應(yīng)為防爆型，具有抗爆裂分解性能。

　　3)　制造

　　閥體內(nèi)腔和端部法蘭密封槽處需堆焊Inconel625耐蝕合金材料，并進(jìn)行無損探傷檢測合格；禁止任何區(qū)域的補(bǔ)焊行為；采用數(shù)控機(jī)床或加工中心等高精度加工設(shè)備，保證零件密封表面和配合表面的尺寸精度和表面粗糙度，從而保證閘閥裝配后的密封性能，并減少摩擦阻力、降低開關(guān)轉(zhuǎn)矩；裝配、檢測合格后表面采取有效的防腐措施。

　　4)　檢測和質(zhì)保

　　按PSL3G級別要求制定產(chǎn)品質(zhì)量控制計劃，由客戶或第三方確定控制和驗(yàn)證點(diǎn)，對各檢驗(yàn)步驟和結(jié)果均應(yīng)進(jìn)行記錄并出具書面檢驗(yàn)報告；主要零部件的材料化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、無損檢測及尺寸檢驗(yàn)應(yīng)100%進(jìn)行并提供報告；閘閥整機(jī)需通過API　6A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的PR2各程序密封試驗(yàn)及160次開關(guān)循環(huán)試驗(yàn)；另外，還需提供閥體材料的抗硫要求(工程經(jīng)驗(yàn)評定或HIC、SSC試驗(yàn)評定)。

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)

　　HH-PSL3G-PR2級氣密封閘閥是在普通平板暗桿閘閥基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，為了達(dá)到PSL3G產(chǎn)品級別要求和PR2性能級別要求，通過采用閥座雙密封、體-蓋密封、閥桿倒密封、閥桿填料密封等多級密封結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對介質(zhì)的可靠密封，從而有效避免因氣體泄漏對人員、設(shè)備和環(huán)境造成危害的風(fēng)險。以通徑52.39mm(2英寸)、密封壓力68.94 MPa(10000psi)的HH-PSL3G-PR2級氣密封閘閥為例，介紹結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)。

　　2.1、關(guān)鍵部位的密封形式

　　2.1.1、閥桿密封和閥座密封

　　為了確保閘閥能密封68.94MPa(10000psi)的高壓氣體或氣-液混合介質(zhì)，閥桿密封(如圖1)和閥座密封需采用高質(zhì)量彈簧蓄能圈(建議從國外進(jìn)口)。尤其是閥座密封，采用FCM 的內(nèi)、外雙密封圈設(shè)計，密封效果更好，如圖2。彈簧蓄能圈是帶有聚合材料夾套的壓力輔助裝置，其中特別裝備了1個耐腐蝕的金屬蓄能彈簧，彈簧可以給密封夾套提供永久彈力，并彌補(bǔ)材料磨損及配合零件的偏移或偏心帶來的密封間隙，同時系統(tǒng)壓力也會輔助密封。通過彈簧彈力和系統(tǒng)壓力，無論在高壓和低壓下，都可以實(shí)現(xiàn)有效密封。該密封形式已被廣泛應(yīng)用于對耐久性、抗化學(xué)腐蝕性和極限溫度下工作要求極高的場合。

閥桿密封