1.水下管汇阀门规范要求和选型
水下管汇中zui常用的阀门为球阀、闸阀和单 向阀，管汇吸力锚基础上还会采用蝶阀。阀门的 主要作用是隔离水下设备和管道系统，防止回流、调节和排泄压力。水下阀门工作压力zui高至 137. 8 MPa( 20 000 psi) ，工作温度范围为 － 60 ～ 182 ℃。适用介质为水、原油、天然气、化学药剂 ( 如乙二醇) 等。操作方式主要有手轮操作、ROV 操作和液压执行器操作。典型水下球阀的图片见图1。
水下管汇阀门所遵循的标准一般有API6DSS 、 API 6A 和 API 17D。
API 6DSS 是专门针对海底管道阀门的标准， 其基于 API 6D 规范，并加入了水下阀门的相关要 求。API 6DSS 规定了球阀、止回阀和闸阀在设计、制造、测试和文件方面的要求，并提供了建议， 使其适用于满足石油和天然气工业标准 ISO13623 或类似要求的水下管线系统。适用阀门尺寸范围为 2″至 60″，压力等级为 ANSI 150LB 至2500LB。阀门分为全通径和缩径两种。球阀 有3 种阀体形式: 顶装式、三片式和焊接阀体式。 止回阀分为旋启式缩口式、旋启式全通径式、对夹式单阀瓣长形和对夹式双阀瓣长形。阀门的端面 连接形式有焊接式和法兰连接式。
API 6A 是针对井口和采油树装置的规范，包 括的具体设备如下: 井口装置、连接装置及附件、 套管悬挂器和油管悬挂器、阀门和节流器、单件连 接装置［法兰式、螺纹式、其它端部连接装置( O． E． C) 和焊接式］、其它装置。API 17D 是专门针 对水下井口和采油树设备的规范。API 6A 和API 17D 对设备，包括阀门，定义了不同技术要求的产 品规范级别( PSL) ，每一个产品规范级别，有着不同的材料、试验要求。
API 6A 规范中要求的采油树阀一般为1 13/16″～9″的闸阀。人们zui初进行海底油气田开发时采 用的水下设备为海底井口设备，如水下采油树等，这些设备上的阀门遵循 API 17D，其基于井口与 采油树装置规范 API6A，并加入了水下应用方面 的要求，事实上所有的水下采油树阀门均为1 13/16 ″～9″的闸阀。由于需要考虑上游采油树的油嘴或 者阀门可能出现的失效问题，水下管汇处的阀门 通常需要和采油树上阀门的压力等级保持一致，因此人们会逻辑性地选择闸阀作为采油树下游水 下管汇支管的阀门。相对于 API 6D/API 6DSS 阀 门来说， API 6A/17D 闸阀在井口装置和水下采油 树应用方面有着更为良好和稳定的使用记录。所 以依据国内外工程经验，水下管汇支管阀门应视为井口生产系统的一部分，宜选择闸阀( API 6A/ API 17D) 。
管汇主管一般有清管要求，球阀相对于闸阀 更宜于进行清管操作。另外从阀门尺寸结构方 面，球阀开启一次只需阀杆转动1/4 圈，而闸阀由 于结构限制，启闭一次需要较长时间，且大尺寸闸 阀需要更大的执行机构。且随着金属密封技术的 不断发展，水下球阀在海底管道输送系统中得到越来越广泛的应用。综合考虑口径和清管因素， 水下管汇主管阀门宜选择球阀。
对于水下管汇阀门，应首先考虑阀门与管道 焊接来减少泄露途径。由于zui初设计时没有考虑 到管线阀门的要求， API 6A 和17D 闸阀有两个方 面的限制:
①它们使用高强度，低合金钢阀体，要 求应力释放，这可能导致内衬的扭曲和损坏，因此其测试要求比 API 6D 严格;
②API 6A 和 17D 闸阀依靠非常平整且平行的袋形底座来进行有效的 密封，由于焊接可能造成阀体的扭曲，所以水下焊 接端阀门需要带一定长度的直管短节，短节长度 一般为200 mm 或更长。
API 6A、17D 和 API6D 在压力测试方面有所 不同，对一个 API 6A、 17D 闸阀进行低压测试时 压力为5% ～10%的工作压力，而 API 6D 的低压 测试指标为551. 2 kPa( 80 psi) 气压测试。
API 6A阀的尺寸是由标称直径（内径）决定，而管汇管道以及下游管道的尺寸是由外径决定的，所以可能出现阀门尺寸与管线尺寸不匹配的 情况，例如一个8″的管可能与一个孔径为6 3/8 ″的 阀匹配。正确地选择阀门尺寸需要知道管道的等 级和壁厚参数。表 1 比较了一些具有代表性的 API 6A 阀门和大壁厚管道的尺寸。
表1 典型API 6A 阀门和管道尺寸
如果水下管汇主管尺寸为 12″，且需要清管 操作，宜选用球阀; 支管尺寸为 8″，宜选用 7 1/16 ″ API 6A 闸阀。
水下管汇阀门的主体特性一般有两种，使用 特性和结构特性。使用特性确定了阀门的主要使 用性能和使用范围，属于阀门使用特性的有阀门的类别( 隔离阀门、安全阀门等) 、产品类型( 球 阀、闸阀等) 、阀门主要零件( 阀体、阀盖、阀杆、阀瓣、密封面) 的材料、阀门传动方式等。结构特性 确定阀门的安装、操作、回收等方法的一些结构特 性，属于结构特性的有阀门的结构长度和总体高度、与管道的连接形式( 法兰连接、焊接端、卡箍 连接等) 、密封面的形式( 堆焊、喷焊、镀层、阀体 本体等) 、球体结构形式( 固定球、浮动球) 、阀门 操作形式、 ROV 接口形式、总体重量、执行器的可 回收性等。
基于以上分析和实际工程经验，总结水下管 汇阀门选型设计流程见图2。
2.水下管汇阀门材料要求
水下管汇阀门的材料选择一般依据规范 API 6A 和 API 6DSS 要求。材料的选择应综合考虑材 料的抗拉强度、屈服强度、断面收缩率、硬度、冲击 韧度及抗腐蚀能力等机械材料性能，使用中应满足海水环境、介质条件、设计压力、设计温度及可 靠性的要求。
水下阀门所有材料应满足油、气田全生命周期 的试压、清管、生产、停输等各种不同工况的要求。
如在工作过程中有滑动接触，应选择有硬度 差的部件以防止擦伤，要求所有奥氏体不锈钢和 双相不锈钢、镍基合金应满足 NOＲSOK 标准的 M －650 和 ISO 9001 认证的要求。
阀门组件的化学成分和制造应按照 ASTM 规 定，不允许对铸造或锻造部件进行补焊。一般不得使用等效材料进行材料替换。
水下管汇阀门的材料等级应不小于 API 6A 的 EE 等级，承压和控压部件的材料应满足 CO2 环境要求。接触流体和化学药剂的阀门部件应由满足工况条件的材料组成。螺栓材料应依据 ASTM A320 L7、 L43，并进行 PTFE 涂层。所有非 金属密封件应为减压防爆材料。
2.1 碳钢
水下管汇阀门用碳钢锻件材料的zui低等级应 为 ASTM A694 Grade F60、 ASTM A694 Grade F65 或 ASTM A350 LF2。碳钢铸件材料的zui低等级应为 ASTM A352 Grade LCC 和 MDS C12。锻件的zui大碳含量一般为0.20%的成品分析，zui大碳当量 值(CEV) 一般为 0.42%，其中 CEV = C + Mn/ 6+( CＲ + Mo + V) / 5 +( Cu +Ni ) /15%。铸件的 zui大碳含量一般为0.20%的成品分析，zui大碳当量值( CEV )一般为0.45%。铸件或锻件的zui大含硫量不超过0.020 %。碳钢和低合金钢部件的硬度zui大 一般不能超过 250 HV10。对于 ASTM A694 F60、 F65 材料应依照 ASTM A370 进行夏比冲击试验。
2.2 22% Cr 双相不锈钢
水下管汇阀门用 22% Cr 双相不锈钢锻件的 zui低等级为 ASTM A182 Grade F51。22%Cr 双相 不锈钢铸件的zui低等级为 ASTM A995 Grade 4A ( UNS J92205) 。锻件或铸件应进行固溶退火然 后迅速水淬。耐点蚀当量数( PREN ) 应不小于35， 应在zui大设计温度下进行拉伸试验。zui小屈服强度和zui小抗拉强度应根据22% Cr 双相不锈钢在 高温下的强度降低进行调整。本体金属硬度zui大不超过286 HV10 。应依 照 ASTM A370 进行夏比冲击试验。
铁素体含量应根据 ASTM E562 测定，并须在 35% ～55%范围内。焊缝金属和热影响区金属的 铁素体含量范围应在 35% ～ 65% 之间。应根据 ASTM G48 方法 A 进行腐蚀试验。
2.3 25% Cr 双相不锈钢
水下管汇阀门用 25% Cr 双相不锈钢锻件的 zui低等级为 ASTM A182 Grade F55。锻件应进行 固溶退火然后迅速水淬。耐点蚀当量数(PREN) 应不小于 40 ，应在zui大设计温度下进行拉伸试 验。zui小屈服强度和zui小抗拉强度应根据25% Cr 双相不锈钢在高温下的强度降低进行调整。 本体金属硬度zui大不得超过 330HV10 。应依照 ASTM A370 进行夏比冲击试验。
铁素体含量应根据 ASTM E562 测定，并须在 35% ～55%范围内。焊缝金属和热影响区金属的 铁素体含量范围应在35% ～ 65% 之间 ，根据ASTM G48 方法 A 进行腐蚀试验。
2.4 镍基合金
水下管汇阀门用镍基合金锻件的zui低等级为 ASTM B637。锻件应经过退火或固溶处理，并进行沉淀硬化。
2.5 非金属密封材料
所有非金属密封材料，在阀门中*使用的 聚合物和弹性密封和阀座密封材料( 即暴露于工艺介质的材料，保压材料等) ，应符合 NOＲSOK M －630 要求的材料特性、材料证书、老化要求和气 体急速失压测试要求。可能接触到的碳氢化合物的弹性密封件应为减压防爆材料且应适用于zui低 设计温度。外部密封件应采用环保材料。
2.6 材质证书
水下管汇阀门阀体、阀盖、内件以及其他承压 部件，包括螺栓和介质湿润部件应提供 BSEN10204 类型 3.2 的材质证书。其他部件例如补偿系统应提供 BS EN10204 类型 3.1 的材质证 书。对于其他的螺栓应提供 BS EN10204 类型 2.2 的材质证书。对于操作器或执行器承压部件 应提供 BS EN10204 类型3.1 的材质证书。
3 结论
1) 目前国内尚无文献对水下阀门选型设计 流程进行系统梳理，有些研究工作集中在水下球阀的结构特点和主体材料选择方面，未描述阀门材料的性能指标要求。本文结合水下管汇的功能 结构特点和水下阀门相关规范要求，对水下管汇 阀门的技术要求进行总结，梳理形成了水下管汇 阀门选型设计流程。同时对水下管汇阀门组成材料的技术要求和参数进行研究，结合实际工程经 验形成了水下管汇阀门常用材料的技术性能指标 要求。
2) 水下管汇阀门所遵循的标准一般为API 6DSS、 API 6A 和 API 17D，管汇主管阀门由于清管需要，且尺寸较大，一般选用水下球阀，而管汇 支管阀门一般选择闸阀。
3) 水下阀门材料的选择应综合考虑材料的 抗拉强度、屈服强度、断面收缩率、硬度、冲击韧度及抗腐蚀能力等机械材料性能，使用中应满足海 水环境、介质条件、设计压力、设计温度及可靠性 的要求。
