高性能智慧控制球阀在海洋钻井平台上的应用

1 概述

全球陆地常规油气资源开采持续放缓，资源和能源开发面临结构性调整。相比之下，深海蕴藏着约85万亿美元的油气资源，新发现的深水油气储量显著高于陆上。我国拥有300多万平方公里海域，初步探明可开采油气储量约占全国总量的18%~25%，目前正在加紧勘探开采。我国的原油对外依存度长期维持在70%以上。在全球地缘冲突频发背景下，油气供应链显得十分脆弱，一旦进口油气断链，国内将会发生能源危机。加快海洋油气开采，发展高端海洋装备对保障国家能源安全具有十分重要的战略意义。

海洋油气开发成本在科技支撑下稳步降低，深海及超深水域油气开采正在加速步入商业开发时代。根据国家发布的《“十五五”规划纲要草案》及相关行业分析，深远海油气开发是保障我国能源安全和能源供给的核心战略之一。

海洋工业装备市场发展正从“规模扩张”迈向“质量与安全”并重的结构性转型。2025年中国海洋工程装备制造业增加值达到1858亿元，同比增长10.2%，预测2026年增加值将达到2048亿元。其中，高端阀门年需求量超过20万套，占装备总量的8%~12%，且对高温高压、耐腐蚀、快速、智能控制类产品的需求量显著提升。目前，传统阀门主要存在三大痛点：一是启闭响应速度慢，难以满足深海极端工况的安全冗余需求；二是耐蚀材料在海洋酸性腐蚀、海水腐蚀、微生物腐蚀环境下，耐环境腐蚀能力不强；三是传统机械触发机制易受含砂冲蚀卡滞，可靠性不足。为此，加速研发高性能智慧控制球阀，提升海洋钻井平台切断阀的苛刻工况适应性，实现以国代进迫在眉睫。球阀应用于海洋钻井平台具有以下三大优势：一是流通横截面面积大，流阻小；二是结构紧凑，适应狭小安装空间；三是操作方便、快捷，可维护性能好。球阀是海洋钻井平台上使用最广泛的截止阀类型。由此看来，尽快开发海洋智能控制切断球阀，替代进口产品，势在必行。

当前，全球海洋钻井阀门市场表现为国际巨头把控高端、国内领军企业加速追赶的竞争局面，超深水及超高压领域核心技术主导权被欧美日企业牢牢掌控。国内在1500 m以内、中高压场景已实现规模化替代，主要技术差距体现在材料、密封、可靠性与智能化集成等方面。

表1  国内外主要厂商及特点对照

在球阀密封性能研究方面，Ahmadli等针对深水球阀开展了材料选型与结构优化研究，研究表明双阀座构造可显著提升密封可靠性。He等开展了超高压密封结构的自紧机制分析，证明压力自紧型密封垫在700 MPa以上工况下密封效果最佳。在智能监测系统方面，Peng等设计了海洋发动机进出阀智能监测系统，实现了扭矩、温度等参数的实时采集与异常预警。Velasco-Gallego与Lazakis开发的RADIS系统，在海洋机械故障诊断准确率达到92.3%。在模块化设计方面，Dick P等系统阐述了模块化设计降低深水安装、维护作业难度及全生命周期成本的方法。

现有研究多聚焦于单一技术环节（密封性能或监测功能）的单方面优化，跨维度、跨专业的整体协同创新等系统性研究相对薄弱。本研究的创新之处在于：（1）首次集成了分体式阀体、自紧密封、多参数监测等功能；（2）针对海洋恶劣工况，优化设计了下螺母的圆锥外圆和内螺纹偏心0.5 mm楔式防松结构，保障设备整体抗振动能力；（3）通过海洋平台现场应用，验证了设计的安全可靠性、工程可行性与经济效益。

针对东海、南海等海洋钻井平台对产品的功能需求，本研究围绕结构设计与性能验证等主线重点展开。对球阀的整体结构进行方案设计，明确分体式阀体的组成及各部件的功能；研究分体式阀体、T型压力自紧密封垫、双向密封阀座、扭矩与压力监测模块以及防松连接等关键结构的设计原理、结构特点与工作机制。通过与传统球阀进行对比分析和试验验证，分析球阀在密封性、操作性、安全性及稳定性等方面的性能优势。结合实际应用案例与测试数据，评估其应用场景、应用价值及市场前景，并明确后续优化方向和技术研究重点。

2 智慧控制球阀的整体结构设计

智慧控制球阀整体结构如表2所示。

表2  智慧控制球阀的主要部件及其功能

该球阀结构与传统结构的创新对比如表3所示。

表3  本产品的创新结构与传统结构对比分析

3 智慧控制球阀的结构创新

3.1  设计分体式阀体结构

本设计将阀体按照复杂结构与功能拆解为若干功能相对独立的单体模块，设计难度与制造工艺复杂度均得到有效降低。

传统整体式海洋球阀具有结构强度高的特点，但局限性更加明显：整体结构产品体积较大，材料用量大，产品成本高；安装空间受限，维护检修不便，在海洋钻井平台紧凑的布置环境下，运输与装配成本居高不下。

本设计将整体阀体分体化为左阀体、右阀体与中阀体三部分，中阀体固定安装于左、右阀体之间，通过螺栓与楔式的偏心防转螺母紧固连接，如图1所示。该结构具有以下三大优势：（1）运输方面：单体重量减轻30%~40%，吊装与运输更加方便快捷；（2）安装方面：在海上钻井平台的狭小空间内，轻便的阀体构件使安装更便捷、更安全，安装周期较整体式缩短约30%，降低了海上作业风险与成本；（3）维修方面：阀门易于拆解，便于更换内部配件，更经济实惠，维修成本降低约50%，使用寿命延长12~15年。

1.下轴盖  2.下轴  3.中阀体  4.侧阀体  5.预紧弹簧  6.球体  7.阀杆  8.压盖  9.楔式偏心防转螺母  10.螺柱  11.吊耳  12.填料  13.填料压盖  14.电阻片  15.支架  16.涡轮  17.阀座  18.压力传感器  19.电动闸阀  20.T型自紧密封垫片  21.试压接头

图1  海洋钻井平台用智慧控制球阀结构示意图

3.2  压力密封系统设计

3.2.1  压力自紧密封垫设计

T型压力自紧密封垫内周面与阀腔介质接触，见图2。当介质压力作用于密封垫内周面时，推动外圈向两侧膨胀挤压，密封垫两侧端面与阀体连接面实现紧密贴合，形成自紧密封。随着介质压力增大，密封垫所受的膨胀力增加，密封面贴合压力随之增大，从而实现了“压力自紧”的密封效果。

1.中阀体  2.T型压力自紧密封垫片  3.侧阀体

图2  T型压力自紧密封垫片示意图

该密封结构在不同工况下的贴合压力实测数据如下：10 MPa工况下约80 MPa，30 MPa工况下约180 MPa，50 MPa工况下约260 MPa。贴合压力随着介质压力增加而增加，其密封性能确保产品适应海洋工况中压力波动频繁的条件。

3.2.2  阀座密封结构

双阀座双向密封结构兼具良好的密封性能、抗冲击能力、高安全可靠性、稳定性，如图3所示。BID-1双阀座双向密封结构由弹簧预紧机构、防火密封副组成，阀座耐磨性与抗冲蚀性能显著提升，可有效抵御含有砂粒及固体化合物的介质冲刷，延长设备服役寿命。

1.球体  2.密封圈  3.阀座  4.弹簧  5.防火圈  6.O型圈 7.注脂孔  8.O型圈

图3  双向密封阀座示意图

3.2.3  填料函密封

复合填料由柔性石墨、柔性石墨环组成，先将复合填料装入填料函，采用填料压盖及螺栓螺母压紧，实现可靠密封。为了提升密封性能，在压盖外圆与阀杆外圆之间，各装配两根耐高温氟橡胶O型密封圈，见图3。填料压套下装有3~5圈柔性石墨组合填料，有效防止介质外漏，降低球阀填料函外漏风险。

3.3  球体W型双曲面缺口设计

介质流动形态、抗冲刷性能由球体通道口几何构造和形状直接决定。球体通道口处采用W型双曲面缺口结构，如图4所示。采用超音速火焰喷涂（HVOF）工艺在表面涂覆碳化钨（WC）硬化层，有效延长了球体在含砂高速介质工况下的服役寿命，保障了密封副的可靠性。与传统产品和单曲面结构相比，双曲面缺口结构在流体力学性能方面优势显著，具体为：

（1）流场优化：流体流经球体双曲面结构通道时产生多级扩散与减速效应，流体流向阀座的速度减慢，降低了对阀座的冲蚀作用。

（2）抗冲蚀寿命：图4的砂粒冲蚀试验（含砂量5%，流速30 m/s）表明，球体使用寿命是传统球体的3倍以上，保证涂层无剥落。

表4 砂粒及复杂介质冲蚀试验抗冲蚀寿命对比

（3）密封稳定性：阀座密封面处流体动能降低，高速介质冲刷引发的阀座振动与密封失效风险减少，适用于压力波动剧烈、含砂量高的介质工况。

1.W型双曲面缺口  2.球体流道孔

(a)W型双曲面缺口  (b)A-A剖视图  (c)  B-B剖视图

图4  球体通道口的W型双曲面缺口示意图

W形双曲面缺口结构通过流道几何优化与表面强化层协同效应，实现了球体抗复杂工况介质冲蚀能力与密封性能的同步提升，延长了产品寿命。

3.4  楔式防松螺母结构设计

海洋钻井平台易受台风强振动、剧烈摇摆等恶劣天气影响，需确保阀门各部件连接可靠性，保障设备安全稳定运行。本设计通过中阀体与左、右阀体的楔式偏心防转螺母组合结构，在中阀体的填料压盖处安装了楔式偏心防转螺母，有效提高了阀门的抗振性能，如图5和图6所示。

优化楔式防松螺母的形状、尺寸和精度，强化其防松能力，保障设备整体抗振动能力。其中，楔式防松螺母的形状设计尤为重要，下螺母的圆锥外圆和内螺纹在加工时偏心0.5 mm，两个螺母旋合后即可实现防松，该结构较其他防松结构简单，成本更低。

1.下螺母  2.上螺母

图5  楔式偏心防转螺母示意图

1.填料  2.填料压盖  3.电阻片  4.螺柱  5.防转螺母

图6  填料压盖螺栓安装电阻片示意图

4 智慧化监测系统设计与创新

本产品实现了对阀门全维度智能监测，实时监控扭矩、压力、填料压紧螺栓应力等三大关键性能指标波动情况，构建阀门运行状态监测监控系统，实现从“被动维修”向“主动预警”的智能化转变。

4.1  扭矩监测模块

本系统由静态扭矩传感器、涡轮执行机构、连接轴套、平键、手轮等组成，通过以太网/无线传输模块实现信号和数据采集传输控制，如图7所示。静态扭矩传感器安装在涡轮扭矩检测模块的第二联动轴上，静态扭矩传感器通过第一联动轴套将其与手轮的第二联动轴连接，实现紧密联动。在阀门开关过程中，当出现阀芯卡阻、阀杆的旋转受阻等异常情况时，阀杆的旋转扭矩将急剧增大，静态扭矩传感器实时采集扭矩数据，通过以太网或无线传输方式将预警信号发送至控制中心。当扭矩值超过设定阈值时，控制中心立即发出停机预警，从而避免因扭矩过大而造成设备损坏。

1.涡轮执行机构  2.连接轴套  3.平键  4.静态扭矩传感器  5.手轮

图7  涡轮扭矩监测模块结构图

将该模块安装在DN200、Class300硬密封海洋平台球阀上进行实测试验，以验证该扭矩监测模块的可靠性。在蜗轮箱前安装DYJN-101静态扭矩传感器，带压操作各开关3次，开启扭矩分别为3050 N·m、3105 N·m、3080 N·m；关闭扭矩分别为2420 N·m、2415 N·m、2410 N·m。模拟球体堵塞，当扭矩显示5000 N·m时，发出报警信号，试验成功。实测曲线见图8，正常工况条件下的扭矩约为3000 N·m；随着堵塞加剧，扭矩持续上升，达到5000 N·m扭矩报警阈值时，触发预警并告警，扭矩监测模块响应能力及可靠性得到有效验证。

图8  涡轮箱开启扭矩实测曲线

4.2  压力监测模块

压力监测模块由压力传感器与报警系统等组成。压力传感器安装在中阀体上，如图9所示，实时监测阀体内部介质压力。当内部压力异常升高（甚至升至1.33倍设计压力）时，压力传感器触发报警信号，传输至泄压电动闸阀实现压力精准控制，避免因超压导致的泄漏等故障。

图10的试验数据表明，当内腔压力持续升高，压力传感器数值达到65 MPa报警点时，系统自动触发预警信号，为泄压阀动作提供控制依据，有效防止超压事故。

1.压力传感器  2.中阀体

图9  压力报警传感器安装示意图

图10  阀体中腔增压测试预警示意图

4.3  应力监测模块

借助电阻应变片的实时监测及其与电阻应变仪、报警系统的联动，实现了对填料密封状态的实时监测与自动报警。将电阻片的两端分别通过导线与电阻应变仪的接口相连，在填料压紧螺柱的外圆处粘贴电阻片（图6）。当填料因磨损、老化等因素导致压紧度下降时，压紧螺柱的拉应力随之降低。电阻应变片将拉应力变化转换为电阻值，当电阻值达到设定阈值时，提示工作人员及时补充或更换填料，保障填料函密封性能。报警阈值标定方法如下：完成填料安装，采用氦质谱检漏仪检测填料函孔口零泄漏，电阻应变仪读数为150~60 MPa；随后人工磨损填料，当氦质谱检漏仪显示泄漏量≥100 ppm、填料密封失效时，电阻应变仪读数为120~125 MPa，该值即为报警应力阈值。

实测曲线见图11，填料因磨损老化而紧实度下降，压盖螺栓拉应力由初始的150~160 MPa逐步衰减，填料密封性能开始劣化（泄漏量≥100 ppm），当应力降至125 MPa阈值，系统发出预警并告警，以此作为填料维护和量化依据。

图11  压盖螺栓应力衰减曲线

4.4  超高速气流冲刷试验

为进行球口W型双曲面缺口的功能试验和可靠性试验，本文试制了一台Q41Y—160P DN20球阀，球口加工有超音速火焰喷涂工艺涂覆WC硬化层的W型双曲面缺口。以高压储气罐为动力源，分别对特制球阀和常规球阀进行冲刷试验；在球阀进口端安装压力传感器和速度传感器，试验压力为14 MPa，流速为500 m/s；冲刷后测试阀门密封性能，直至失效。

试验结果显示，常规球阀寿命47 min，特制W型双曲面缺口球阀寿命182 min，性能提升3.87倍，见图12。试验验证了W型双曲面缺口与超音速火焰喷涂工艺WC硬化层设计的有效性，该设计在高速、超高速油气输送工况中具有较高的应用价值和广阔的应用前景。

图12  硬密封阀座超高速气流冲刷寿命示意图

5 应用前景与推广价值

6 结语