热采平行闸阀闸板密封现状及技术难点分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)新疆油田公司 作者:申玉壮

  在稠油热采井口装置中,介质的温度达到370℃,压力达到21MPa,常温平行闸阀的密封结构和密封材料已无法满足使用要求。从密封结构、密封机理和受力角度3个方面对现有热采平行闸阀的现状进行了分析和比较,并对高温工况下密封的难点和未来研究方向进行了分析,供从事热采井口闸阀和相关产品的设计、制造人员参考。

  闸阀作为井口装置和采油树的主要部件,其密封的可靠性和稳定性直接决定了井控质量的水平。平行闸阀因具有开关力矩小、密封可靠性高、制造维护方便等诸多优势,在常温井口和采油树上获得了广泛的应用,并具有逐步取代楔形闸阀的优势。特别是对于35MPa以上的高压井口闸阀,浮动式平板闸阀更突显出自压密封的优势,然而在稠油热采领域使用的热采井口装置,其工作温度达到370℃,压力达到21MPa,虽然强度上采取标准推荐的降压处理方式能够满足高温工况的要求,但由于高温的原因使得已有的密封结构已无法满足工况要求,若要在此工况下继续使用平行闸阀,必然要对其密封结构做出变动。国内外均对此做了大量的技术工作和试验,也陆续设计了多种能够满足稠油热采工况的平行闸阀并投入批量应用。本文就此类闸阀的结构和密封技术难点进行了分析,供从事热采井口闸阀和相关产品的设计、制造人员参考。

1、现状

  热采井口平行闸阀从闸板结构上主要有撑开式双闸板(如图1)和单闸板(如图2)2种结构型式;从阀座是否具备移动能力上又分为固定式阀座和浮动式阀座2种结构型式。撑开式双闸板闸阀配备固定式阀座,属于双面强制密封结构。单闸板热采平行闸阀配备浮动式阀座,主要是解决出口端密封的问题,虽然浮动式阀座按照密封机理来讲存在进口端密封、出口端密封和进出口双向密封3种密封方式,但这3种密封方式在常温平行闸阀中容易实现,在高温工况下由于密封材料的原因尚无法实现阀座与阀体的径向密封,只能采取阀座与阀体端面密封的方式实现出口端的密封。撑开式双闸板结构应用范围相对较广,应用效果也相对较好,在辽河油田、胜利油田的稠油热采井口中获得了批量应用。关于单闸板热采平行闸阀的报道较多,但真正大批量应用于油田现场且具有很好应用效果的较少,只有小范围的使用且处于试验和验证阶段,究其主要原因在于密封件的结构、性能和重复密封的可靠性尚不十分理想。

撑开式双闸板

图1 撑开式双闸板

单闸板

图2 单闸板

3、技术难点分析

  比较2种结构的闸板,通过上述计算和密封机理分析,各自存在优越性和局限性,如何在保持优越性的前提下避免局限性的存在,是当前要解决的技术难题,同时也是未来的发展方向。

  对于撑开式双闸板结构,由于初始的密封比压是通过阀杆的轴向推力施加,因此能够保证足够的密封比压以确保工作过程的密封可靠性和稳定性,但是产生初始密封比压所需的阀杆推力导致闸阀启闭力矩较大,且在闸阀关闭的终点达到最大;另外,强制的双向密封无法完全避免闸板在高温工况下卡死的可能性;再者,关闭和开启的终点依据行程挡块产生位移约束,如何保证开启后的全通径尺寸而减少介质的压力损失也对各配合件的制造精度提出了更高的要求。如何最大限度降低启闭转矩和避免被卡死的可能是该结构闸阀目前尚存在的技术难题。

  对于单闸板结构,初始比压由波形弹簧提供,工作过程中的密封比压由介质压力和弹簧共同提供,阀杆的受力仅为闸板与阀座表面的摩擦力。在产生初始密封比压方面,单闸板产生初始密封比压所需的阀杆力为零,因此,此类闸阀开启轻巧、灵活;另外,闸板可根据压力的变化浮动,从而避免了闸板被卡死的可能性。但是,此类闸板密封结构由于只能保证出口端的密封,因此介质可通过进口端阀座与闸板间的缝隙进入阀腔,给后期闸阀的维护带来诸多不便。另外,该种结构的闸阀只能单向使用,压力源必须处于进口端才能密封。然而稠油开采工艺中,需要通过闸阀和井口向地层注入高温高压蒸汽,在注汽过程中压力的来源在地面,而注汽作业完成后的焖井过程,压力源又转向了井筒,所以热采井口闸阀应当具有双向密封的功能,如果使用该结构的平行闸阀,则不能保证很好的密封和使用效果。如何在保证开启轻巧、灵活的基础上满足双向密封的功能和可靠性是该结构闸阀目前尚存在的技术难题。

4、结论及建议

  热采井口平行闸阀虽可以满足低压工况的要求,但相对于常温平行闸阀在密封能力和操作灵活角度均存在较大差距,存在较大的研究空间。如何使平行闸阀能够完全满足热采工况的要求,对今后此类闸阀的研究提出以下建议:

  1) 受弹性密封材料的限制,目前尚无法在阀座径向与阀体密封,只能依靠阀座端面与阀体的密封,在这种前提下,研究和设计一种既可以实现端面密封又可以使阀座在压力变化过程中浮动的闸板、阀座密封结构将可以弥补上述2种结构的不足,综合两者的优点,使热采闸阀在保持密封可靠性的前提下达到开启灵活、轻巧的目的。

  2) 随着弹性高温密封材料的发展与进步,新型高温密封材料的各项性能已逐步接近热采工况的要求,从材料角度出发,研究一种新型弹性高温密封材料亦可使热采平行闸阀的各项性能得以改善。

  3) 由于原油中含有硫化氢、二氧化碳等腐蚀性气体,特别是在火驱采油工艺过程中,如何提高密封件特别是密封表面的防腐能力也是迫切需要研究和解决的问题

  4) 全金属密封是闸阀未来的发展方向,如何在闸阀的密封部位采用全金属密封的方式,对闸阀的质量和性能将产生质的飞跃。

  5) 大幅提高密封部位的制造质量,包括尺寸精度和表面粗糙度,也会对平行闸阀的密封性能产生很大的影响。

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