中海石油（中国）有限公司湛江分公司
摘要：随着我国能源形势的不断紧张和环境问题的突出，各种高难度天然气大气田开发越来越大多。对于高温高压气田的开发工艺管道上安装的阀门要求提出高的要求，其中大口径API 6A的球阀开始在工艺管线上出现，大口径API 6A的球阀在工艺管道中使用的意义就显现出来。在中国南海某海上气田开发中首次应用的大口径超级双相钢API6A关断阀，对于以后的海上油气田开发中管线管道的设计和制造有一定的借鉴和指导意义。
关键词：API 6A球阀；关断阀；大口径球阀；海上平台。
Abstract：With the continuous tension of China's energy situation and the prominent environmental problems，the development of various kinds of difficult gas fields is increasing. High requirements are put forward for valves installed on the development process pipeline of high temperature and high pressure gas field，and the ball valve of large diameter API 6A begins to appear on the process pipeline，the use of large diameter API 6A ball valves in the process pipeline is significant. The large-diameter super duplex steel API6A shutoff valve，which was first applied in the development of an offshore gas field in the south China sea，has certain reference and guiding significance for the design and manufacture of pipelines in the future offshore oil and gas field development.
Key words：API 6A ball valve；Shut off valve；Large diameter ball valve；Offshore platforms.
引言
在海洋石油开发过程中，由于球阀的优越的密封性能，紧凑的空间结构，能实现快速切断，在工艺系统得以被广泛应用。对于高温高压的油气田开发，工艺系统输送的介质为高温高压介质，工艺管道上需配置耐高温高压的API 6A球阀，然后大口径的API 6A球阀的制造还存在一定的难度，球阀制造厂家还处于摸索和试制阶段。
1API 6A大口径超双钢球阀介绍
近几年来，随着我国深海石油的项目开发，我国高压球阀产品的研究和开发受到越来越多用户和国内大型阀门厂家的重视，其技术性能也有很大的突破。与国产低压球阀在国际市场上拥较高市场占有率相比，我国国产高压球阀的国际声誉较低，究其原因是设计制造水平上仍然和国际主流生产企业有着一定差距。这就充分说明了国产高压球阀还有较大的上升空间。在目前生产研发过程中取得突破性成果的基础上，我国高压球阀生产企业更应该注重解决API 6A阀门生产制造中出现的各种技术难题，进一步提高国内阀门制造企业本身的技术实力，使得国产API 6A高压球阀制造技术跻身国际先进水平的同时，国内API 6A高压球阀制造企业也能有较好的知名度。
2本项目情况
2.1本项目高压球阀特点
本项目高压球阀为南中国海某高温高压整装气田的气动关断球阀，设计标准为API6A，关闭时间小于5秒，阀门公称通径13-5/8”，流道缩径，公称压力10000psi，主体材料为A182 F53超级双向钢，产品的规范等级PSL3G，性能等级PR2。
阀门的功能特点：
（1）阀门具有双阻断泄放功能，进口端阀座和出口端阀座能独立密封阻断来自上游侧的压力；阀腔压力可以通过自泄压阀座泄放到低压侧，同时阀体中腔设有泄放阀，能实现阀腔压力手动泄放。
（2）自泄压式阀座，阀座通过圆柱弹簧加载，确保低压气密封。
（3）阀门体、盖密封采用唇形密封圈和防火石墨缠绕垫双重密封，阀杆密封使用唇形密封圈组件和石墨双重密封，具有耐高压及防火功能。
（4）阀杆防吹出结构：在阀腔内压作用下，阀杆有向外运动趋势，通过阀杆轴肩和推力垫将向外的轴向推力传递到压盖和阀体。
（5）防静电功能，在球体与阀杆之间、阀杆与压盖之间都设置有防静电用的弹簧和小球，使球体与阀杆、阀杆与阀体之间时时保持导电连续性。
（6）阀门在69Mpa高压气密封试验条件下，达到无可见泄漏。
2.2关断阀设计选型
API 6A大口径关断阀结构总图如图1所示。关断球阀为三片式侧装固定球阀，主要由阀体、阀盖、球、阀座、阀杆、支撑板、压盖、顶法兰、支架、执行器、密封圈、弹簧、螺柱、螺母等零件组成。
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为保证阀门的密封性能和执行器开关功能，应对阀门的密封比压，阀杆扭矩，阀杆的传动链的MAST进行计算和校核。
2.2.1密封比压
阀座密封结构为双向密封结构，密封比压q为
q=p（1.1DMW-DCH-0.1DMN）/4
（D MW-DMN）R×cosa
qMF<q<[q]，为合格。
式中DMW阀座密封面与球体接触外径，mm
DMN-阀座密封面与球体接触内径，mm
DCH-后端阀座与阀体配合套筒外径，mm
R-球体半径，mm
α-密封中线与通道轴线之间的夹角
q-密封面计算比压，MPa
qMF-密封面必须比压，MPa
[q]-密封面许用比压，MPa
P-介质工作压力，MPa
2.2.2 阀杆扭矩计算
M=Mm+Mr+Mu+Mc
式中：M 为全压差下启闭扭矩（Nm）；
Mm为阀座密封圈对球体摩擦力矩（Nm）；
Mr为填料与阀杆间摩擦力矩（Nm）；
Mu为止推垫的摩擦力矩（Nm）；
Mc为轴承的摩擦力矩（N m）。
2.2.3阀杆传动链MAST计算
按照设计的要求，阀杆截面积最小值在阀杆顶部与执行装置连接处，即对该直径d处进行校核，同时考虑阀杆和键块剪切，阀杆和球体挤压强度。
τN =Mm/WR[τN]
式中Mm一气动执行装置的最大输出扭矩或阀门最大开启扭MQG的2倍，Nm
[τN]一材料的许用应力，MPa
WR一断面d0的扭转截面系数
2.2.4执行器的选型
关断阀是工艺流程（图二执行器原理图）环节一种重要的安全设备，当发生紧急情况时，通过接收中控信号，按设计需要及时动作，切断危险源，防止事故扩大保障人员和设备安全。阀门要求快速关断，关闭时间小于设计值（比阀门尺寸数小），气动执行器选用拨叉式结构，并带有部分行程功能，阀门要实现现场和远程控制功能，阀门、执行器和电磁阀要有SIL.3认证。
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2.3制造难度
本项目高压球阀根据管内介质特性确定为超级双相钢，根据生产制造中发生的实际情况分析，此材料在锻造和加工过程中易于开裂和受力变形，欧洲知名阀门制造企业对于此高压球阀制造3次，均以失败而告终。
2.3.1.材料的选择
本项目的主体材料选用超级双向钢F53：F53超级双相不锈钢要求点腐蚀指数（PRE）高于40；根据ASTM E562检测双相不锈钢中的铁素体含量在35-55%范围之内；在-46℃摄氏度低温进行冲击试验，冲击值单个不低于40J，平均不低于54J；双相不锈钢根据ASTM G48在50℃进行点腐蚀试验，24小时后放大20倍，失重小于4.0g/m。
双相不锈钢由奥氏体相和铁素体相组成，综合了铁素体钢和奥氏体钢优良的性能。奥氏体相的存在，降低了高铬不锈钢的脆性，防止晶粒长大的倾向，提高了韧性和可焊性；铁素体相的存在，提高了奥氏体不锈钢的室温强度，尤其是屈服强度和导热系数，降低了线膨胀系数和焊接热裂倾向，同时大大提高钢的耐应力腐蚀开裂性能，改善耐点蚀性能。但是双相不锈钢又保留了奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的缺点。铁素体相含铬量较多，使铁素体相的脆性倾向增加，奥氏体相在950℃以下缓冷，容易出现σ相脆性组织；铁素体相和奥氏体相的变形能力不同，因此其冷热加工性能较差。铁素体的抗拉强度在室温时比奥氏体的高，但在高温时却比奥氏体的低。奥氏体-铁素体双相不锈钢的热塑性比奥氏体不锈钢的低，因此锻造性能差。此外在约950℃以下保温或缓冷，尤其会析出σ相等脆性组织，从而降低钢的塑性，导致形变困难。因此，较高的始锻温度，较低的终锻温度以及较大的一次锻造形变量，都会使工件在锻造过程产生开裂，因此要严格控制工件的始锻温度和热处理温度和时间。
2.3.2 阀门加工和装配
超级双向钢材料的硬度较高，高压大口径阀门体盖和阀座及阀杆主密封均采用Lip seal唇形密封圈，唇形密封圈选用RPTFE夹套，Elgiloy弹簧，具有优良的耐腐蚀性能，由于弹簧的预紧和流体压力将唇边压在金属密封面，可以产生非常优异的密封效果。但是唇形密封对密封面的表面光洁度提出很高的要求，密封区域的粗糙度达到0.2~0.4；同时对零件的形位公差和同轴度及整阀的装配精度提出了较高的要求。唇型密封圈密封区域在精加工后进行表面抛光处理，严格控制密封区域的表面粗糙度，阀座、阀盖上考虑导向角和圆角过渡，以防止装配损坏密封圈。
2.3.3球体加工精度控制
大口径高压球阀中最为关键的零部件是球体，球体的加工精度和研磨质量直接影响阀门密封性能，公称压力为10000psi且要求进行PSL3G高压气密封试验时，加工精度要求更高。在设计时适当增加球体直径，选用机械强度高的材料，充分考虑球体变形，必要时进行应力强化并做表面硬化处理。同时在设计之初应用有限元分析，对球体变形进行理论分析，用以优化和改进设计，减少球体在高压下大变形对密封的影响。
3 结 语
大口径高压API6A超级双向钢球阀在南中国海某高温高压整装气田的开发和应用，加快了国产高压球阀替代进口高压球阀的进程，为我国进一步进行深海高压油气田开发提供了技术储备。在当今日益激烈的国际竞争格局中，国际贸易制裁随时可能发生，只有发展自主民族品牌，不断创新，提高企业的设计制造工艺水平，才能有效应对国外高压阀门产品价格垄断或卡脖子事件的发生，同时为我国海洋石油大开发提供良好的民族工作基础，将助力中国石油开发走向更高尖端的领域！
参考文献：
[1]井口装置和采油树设备规范 API标准翻译出版委员会 主编 高圣平
[2]材料力学 主编 潘丽娜 刘东星
[3]阀门制造工艺 主编 苏志东 尹玉洁 张清双 化学工业出版社