1.水下管匯閥門規范要求和選型
水下管匯中zui常用的閥門為球閥、閘閥和單 向閥，管匯吸力錨基礎上還會采用蝶閥。閥門的 主要作用是隔離水下設備和管道系統，防止回流、調節和排泄壓力。水下閥門工作壓力zui高至 137. 8 MPa( 20 000 psi) ，工作溫度范圍為 － 60 ～ 182 ℃。適用介質為水、原油、天然氣、化學藥劑 ( 如乙二醇) 等。操作方式主要有手輪操作、ROV 操作和液壓執行器操作。典型水下球閥的圖片見圖1。
水下管匯閥門所遵循的標準一般有API6DSS 、 API 6A 和 API 17D。
API 6DSS 是專門針對海底管道閥門的標準， 其基于 API 6D 規范，并加入了水下閥門的相關要 求。API 6DSS 規定了球閥、止回閥和閘閥在設計、制造、測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標準 ISO13623 或類似要求的水下管線系統。適用閥門尺寸范圍為 2″至 60″，壓力等級為 ANSI 150LB 至2500LB。閥門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、對夾式單閥瓣長形和對夾式雙閥瓣長形。閥門的端面 連接形式有焊接式和法蘭連接式。
API 6A 是針對井口和采油樹裝置的規范，包 括的具體設備如下: 井口裝置、連接裝置及附件、 套管懸掛器和油管懸掛器、閥門和節流器、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 是專門針 對水下井口和采油樹設備的規范。API 6A 和API 17D 對設備，包括閥門，定義了不同技術要求的產 品規范級別( PSL) ，每一個產品規范級別，有著不同的材料、試驗要求。
API 6A 規范中要求的采油樹閥一般為1 13/16″～9″的閘閥。人們zui初進行海底油氣田開發時采 用的水下設備為海底井口設備，如水下采油樹等，這些設備上的閥門遵循 API 17D，其基于井口與 采油樹裝置規范 API6A，并加入了水下應用方面 的要求，事實上所有的水下采油樹閥門均為1 13/16 ″～9″的閘閥。由于需要考慮上游采油樹的油嘴或 者閥門可能出現的失效問題，水下管匯處的閥門 通常需要和采油樹上閥門的壓力等級保持一致，因此人們會邏輯性地選擇閘閥作為采油樹下游水 下管匯支管的閥門。相對于 API 6D/API 6DSS 閥 門來說， API 6A/17D 閘閥在井口裝置和水下采油 樹應用方面有著更為良好和穩定的使用記錄。所 以依據國內外工程經驗，水下管匯支管閥門應視為井口生產系統的一部分，宜選擇閘閥( API 6A/ API 17D) 。
管匯主管一般有清管要求，球閥相對于閘閥 更宜于進行清管操作。另外從閥門尺寸結構方 面，球閥開啟一次只需閥桿轉動1/4 圈，而閘閥由 于結構限制，啟閉一次需要較長時間，且大尺寸閘 閥需要更大的執行機構。且隨著金屬密封技術的 不斷發展，水下球閥在海底管道輸送系統中得到越來越廣泛的應用。綜合考慮口徑和清管因素， 水下管匯主管閥門宜選擇球閥。
對于水下管匯閥門，應首先考慮閥門與管道 焊接來減少泄露途徑。由于zui初設計時沒有考慮 到管線閥門的要求， API 6A 和17D 閘閥有兩個方 面的限制:
①它們使用高強度，低合金鋼閥體，要 求應力釋放，這可能導致內襯的扭曲和損壞，因此其測試要求比 API 6D 嚴格;
②API 6A 和 17D 閘閥依靠非常平整且平行的袋形底座來進行有效的 密封，由于焊接可能造成閥體的扭曲，所以水下焊 接端閥門需要帶一定長度的直管短節，短節長度 一般為200 mm 或更長。
API 6A、17D 和 API6D 在壓力測試方面有所 不同，對一個 API 6A、 17D 閘閥進行低壓測試時 壓力為5% ～10%的工作壓力，而 API 6D 的低壓 測試指標為551. 2 kPa( 80 psi) 氣壓測試。
API 6A閥的尺寸是由標稱直徑（內徑）決定，而管匯管道以及下游管道的尺寸是由外徑決定的，所以可能出現閥門尺寸與管線尺寸不匹配的 情況，例如一個8″的管可能與一個孔徑為6 3/8 ″的 閥匹配。正確地選擇閥門尺寸需要知道管道的等 級和壁厚參數。表 1 比較了一些具有代表性的 API 6A 閥門和大壁厚管道的尺寸。
表1 典型API 6A 閥門和管道尺寸
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。
水下管匯閥門的主體特性一般有兩種，使用 特性和結構特性。使用特性確定了閥門的主要使 用性能和使用范圍，屬于閥門使用特性的有閥門的類別( 隔離閥門、安全閥門等) 、產品類型( 球 閥、閘閥等) 、閥門主要零件( 閥體、閥蓋、閥桿、閥瓣、密封面) 的材料、閥門傳動方式等。結構特性 確定閥門的安裝、操作、回收等方法的一些結構特 性，屬于結構特性的有閥門的結構長度和總體高度、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) 、球體結構形式( 固定球、浮動球) 、閥門 操作形式、 ROV 接口形式、總體重量、執行器的可 回收性等。
基于以上分析和實際工程經驗，總結水下管 匯閥門選型設計流程見圖2。
2.水下管匯閥門材料要求
水下管匯閥門的材料選擇一般依據規范 API 6A 和 API 6DSS 要求。材料的選擇應綜合考慮材 料的抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率、硬度、沖擊 韌度及抗腐蝕能力等機械材料性能，使用中應滿足海水環境、介質條件、設計壓力、設計溫度及可 靠性的要求。
水下閥門所有材料應滿足油、氣田全生命周期 的試壓、清管、生產、停輸等各種不同工況的要求。
如在工作過程中有滑動接觸，應選擇有硬度 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、鎳基合金應滿足 NOＲSOK 標準的 M －650 和 ISO 9001 認證的要求。
閥門組件的化學成分和制造應按照 ASTM 規 定，不允許對鑄造或鍛造部件進行補焊。一般不得使用等效材料進行材料替換。
水下管匯閥門的材料等級應不小于 API 6A 的 EE 等級，承壓和控壓部件的材料應滿足 CO2 環境要求。接觸流體和化學藥劑的閥門部件應由滿足工況條件的材料組成。螺栓材料應依據 ASTM A320 L7、 L43，并進行 PTFE 涂層。所有非 金屬密封件應為減壓防爆材料。
2.1 碳鋼
水下管匯閥門用碳鋼鍛件材料的zui低等級應 為 ASTM A694 Grade F60、 ASTM A694 Grade F65 或 ASTM A350 LF2。碳鋼鑄件材料的zui低等級應為 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大碳當量值( CEV )一般為0.45%。鑄件或鍛件的zui大含硫量不超過0.020 %。碳鋼和低合金鋼部件的硬度zui大 一般不能超過 250 HV10。對于 ASTM A694 F60、 F65 材料應依照 ASTM A370 進行夏比沖擊試驗。
2.2 22% Cr 雙相不銹鋼
水下管匯閥門用 22% Cr 雙相不銹鋼鍛件的 zui低等級為 ASTM A182 Grade F51。22%Cr 雙相 不銹鋼鑄件的zui低等級為 ASTM A995 Grade 4A ( UNS J92205) 。鍛件或鑄件應進行固溶退火然 后迅速水淬。耐點蝕當量數( PREN ) 應不小于35， 應在zui大設計溫度下進行拉伸試驗。zui小屈服強度和zui小抗拉強度應根據22% Cr 雙相不銹鋼在 高溫下的強度降低進行調整。本體金屬硬度zui大不超過286 HV10 。應依 照 ASTM A370 進行夏比沖擊試驗。
鐵素體含量應根據 ASTM E562 測定，并須在 35% ～55%范圍內。焊縫金屬和熱影響區金屬的 鐵素體含量范圍應在 35% ～ 65% 之間。應根據 ASTM G48 方法 A 進行腐蝕試驗。
2.3 25% Cr 雙相不銹鋼
水下管匯閥門用 25% Cr 雙相不銹鋼鍛件的 zui低等級為 ASTM A182 Grade F55。鍛件應進行 固溶退火然后迅速水淬。耐點蝕當量數(PREN) 應不小于 40 ，應在zui大設計溫度下進行拉伸試 驗。zui小屈服強度和zui小抗拉強度應根據25% Cr 雙相不銹鋼在高溫下的強度降低進行調整。 本體金屬硬度zui大不得超過 330HV10 。應依照 ASTM A370 進行夏比沖擊試驗。
鐵素體含量應根據 ASTM E562 測定，并須在 35% ～55%范圍內。焊縫金屬和熱影響區金屬的 鐵素體含量范圍應在35% ～ 65% 之間 ，根據ASTM G48 方法 A 進行腐蝕試驗。
2.4 鎳基合金
水下管匯閥門用鎳基合金鍛件的zui低等級為 ASTM B637。鍛件應經過退火或固溶處理，并進行沉淀硬化。
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( 即暴露于工藝介質的材料，保壓材料等) ，應符合 NOＲSOK M －630 要求的材料特性、材料證書、老化要求和氣 體急速失壓測試要求。可能接觸到的碳氫化合物的彈性密封件應為減壓防爆材料且應適用于zui低 設計溫度。外部密封件應采用環保材料。
2.6 材質證書
水下管匯閥門閥體、閥蓋、內件以及其他承壓 部件，包括螺栓和介質濕潤部件應提供 BSEN10204 類型 3.2 的材質證書。其他部件例如補償系統應提供 BS EN10204 類型 3.1 的材質證 書。對于其他的螺栓應提供 BS EN10204 類型 2.2 的材質證書。對于操作器或執行器承壓部件 應提供 BS EN10204 類型3.1 的材質證書。
3 結論
1) 目前國內尚無文獻對水下閥門選型設計 流程進行系統梳理，有些研究工作集中在水下球閥的結構特點和主體材料選擇方面，未描述閥門材料的性能指標要求。本文結合水下管匯的功能 結構特點和水下閥門相關規范要求，對水下管匯 閥門的技術要求進行總結，梳理形成了水下管匯 閥門選型設計流程。同時對水下管匯閥門組成材料的技術要求和參數進行研究，結合實際工程經 驗形成了水下管匯閥門常用材料的技術性能指標 要求。
2) 水下管匯閥門所遵循的標準一般為API 6DSS、 API 6A 和 API 17D，管匯主管閥門由于清管需要，且尺寸較大，一般選用水下球閥，而管匯 支管閥門一般選擇閘閥。
3) 水下閥門材料的選擇應綜合考慮材料的 抗拉強度、屈服強度、斷面收縮率、硬度、沖擊韌度及抗腐蝕能力等機械材料性能，使用中應滿足海 水環境、介質條件、設計壓力、設計溫度及可靠性 的要求。
