抗H2S腐蝕的HH-PSL3G-PR2級氣密封閘閥研制

2013-11-18 孫曉迎長江大學機械工程學院

　　為了開發高含硫的天然氣藏，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計、選材、制造和檢驗等方面的要求。重點介紹了該閘閥的結構及設計要點、閥體及閥蓋內腔堆焊工藝、關鍵部位加工及密封件采購難點，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、采氣等井場設備造成嚴重的腐蝕，還會危及人生安全。HH 級是API　6A (ISO　10423)標準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 含量達到10% ～20%，CO2含量達到8%～15%。在酸性高腐蝕條件下，要求設備不僅具有良好的耐磨、耐沖刷和密封性能，還要具有抗H2S應力腐蝕和氫脆導致開裂的能力。閘閥作為井口裝置和采油(氣)樹中數量最大、使用最多的部件，擔負著控制流體和整個采油(氣)井的開啟、關閉等重要任務，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備上，閘閥材料等級為HH 級；產品規格等級為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，隨著近年普光、龍崗、大灣、元壩等天然氣田的相繼發現和開發，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計要點、制造工藝難點，為該類閘閥的國產化提供參考。

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，其對油氣田設備的腐蝕方式主要有電化學腐蝕和硫化物的腐蝕破裂。H2S腐蝕會造成鉆具發生氫脆斷裂而無法壓井，被迫完鉆；另外，腐蝕可導致油氣井泄露和管道爆裂，從而引發安全事故，對人員、設備及環境構成極大危害。

　　目前，國內外對高含硫氣田腐蝕問題的研究已經形成較為統一的認識，即H2S造成包括耐蝕合金在內的各類材料氫致開裂和硫化物應力腐蝕開裂；CO2可以使環境體系進一步酸化，并誘發嚴重的局部腐蝕；硫元素沉積使得原本極為耐蝕的鎳基合金也可能遭受嚴重的局部腐蝕，并惡化局部環境；氯離子是腐蝕產物膜和鈍化膜的破壞者，高溫下誘發氯化物應力腐蝕開裂。當H2S、CO2、硫元素、氯離子等多種因素共存時，在耦合作用下，各自腐蝕動力學過程的交互影響使得腐蝕問題變得更為復雜，需進一步系統研究(包括靜態腐蝕評價和動態腐蝕評價)。

　　1.2、性能要求

　　1)　性能達到PR2級要求，實現高、低壓條件下的可靠氣體密封。

　　2)　閘閥內件、過流表面具有較強的抗H2S應力腐蝕和氫致開裂的能力。

　　3)　具有較高的強度和剛度，耐磨耐沖刷，保證在現場使用條件下安全運行。

　　4)　閘閥應為防火安全型，且滿足API6FA的要求。

　　1.3、設計和制造要求

　　1)　設計

　　結構、尺寸按API6A標準PSL3GPR2級別設計，并結合現場使用工況和客戶要求。防火要求按API　6FA 標準；各部位尤其是閥桿-閥蓋和閥體-閥座關鍵部位的密封設計需安全可靠；另外，應考慮盡量降低操作轉矩，以便于在緊急情況下能夠迅速關斷或開啟閘閥。

　　2)　選材

　　按HH 級材料等級要求進行選材，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度要求，并適當提高安全系數；密封件材料需考慮抗硫措施，確保不會發生泄漏；非金屬部件應為防爆型，具有抗爆裂分解性能。

　　3)　制造

　　閥體內腔和端部法蘭密封槽處需堆焊Inconel625耐蝕合金材料，并進行無損探傷檢測合格；禁止任何區域的補焊行為；采用數控機床或加工中心等高精度加工設備，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、降低開關轉矩；裝配、檢測合格后表面采取有效的防腐措施。

　　4)　檢測和質保

　　按PSL3G級別要求制定產品質量控制計劃，由客戶或第三方確定控制和驗證點，對各檢驗步驟和結果均應進行記錄并出具書面檢驗報告；主要零部件的材料化學成分分析、力學性能測試、無損檢測及尺寸檢驗應100%進行并提供報告；閘閥整機需通過API　6A標準規定的PR2各程序密封試驗及160次開關循環試驗；另外，還需提供閥體材料的抗硫要求(工程經驗評定或HIC、SSC試驗評定)。

2、結構設計要點

　　HH-PSL3G-PR2級氣密封閘閥是在普通平板暗桿閘閥基礎上改進而來，為了達到PSL3G產品級別要求和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構，實現對介質的可靠密封，從而有效避免因氣體泄漏對人員、設備和環境造成危害的風險。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，介紹結構設計要點。

　　2.1、關鍵部位的密封形式

　　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，閥桿密封(如圖1)和閥座密封需采用高質量彈簧蓄能圈(建議從國外進口)。尤其是閥座密封，采用FCM 的內、外雙密封圈設計，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，同時系統壓力也會輔助密封。通過彈簧彈力和系統壓力，無論在高壓和低壓下，都可以實現有效密封。該密封形式已被廣泛應用于對耐久性、抗化學腐蝕性和極限溫度下工作要求極高的場合。

閥桿密封