水下阀门的密封形式和材料分析

在结构和选材确定的基础上，密封技术是确保阀门承压能力的关键。不同种类的阀门由于其结构和主要功能存在差异，其密封形式和要求也不尽相同。闸阀的密封包括阀板和阀座之间的硬密封、阀座与阀体焊缝密封、阀杆和阀盖的倒密封；球阀的密封包括球体和阀座的硬密封、阀杆和填料的密封等。

水下阀门中一般采用固定球、浮动阀座密封形式，球体和阀座之间通常采用金属密封。水下阀门在深水环境中除了承受介质内压外还承受着巨大的静水压力，为防止介质外漏或海水进入阀体，阀体与环境外至少要设置两道密封，其中金属密封作为主密封，热塑橡胶作为次级密封。

阀座处的密封面有DPE（Double Piston Effect）密封面和SPE（Single Piston Effect）密封面两种形式。

DPE密封面原理为当阀腔压力升高时，阀座下游和上游之间存在密封面积差，在差压和弹簧密封压力的作用下，阀座推向球体，从而实现双向密封。

SPE密封面原理为当上游压力大时，上游密封面和阀腔内密封面存在一个密封面积差。在阀座初始密封压力（由阀座弹簧提供）和上下游密封差压的作用下，阀座紧紧地压向球体从而提供良好的密封；当阀腔内压力大时（如由于上游密封面轻微泄露导致压力在阀腔内积聚，当阀腔内压力积聚到一定值时，阀腔与下游的差压会大于弹簧的初始密封压力，从而将阀座推离球体，阀腔压力向下游泄放。

水下阀门的密封面一般为SPE，用户可根据实际需要也可以要求厂家做成DPE+SPE的形式。如为了保证向下游的良好隔断，通常将阀门上游密封面选为SPE形式，下游密封面选为DPE形式。

为了延长阀门的服役寿命，阀门密封面需具有较强的耐磨耐蚀能力，这就需要对密封面进行表面强化。在关键密封面上主要通过表面强化技术获得耐磨耐蚀表面涂层，其制备技术根据表面强化材料选定，具体的工艺参数和材料需通过组织密封性能和耐蚀性能测试进行优化。常用的密封材料有镍基Inconel合金及钴基Stellite合金，原始制备工艺有堆焊、热喷涂及激光熔覆等。由于水下阀门是在水下复杂条件下服役，密封面不仅要求平整光滑，且需具有较强的抵抗环境腐蚀和工作过程中零部件之间磨损的能力。随着对密封面质量要求的不断提高，激光熔覆以及等离子喷涂得到的涂层由于在组织性能方面具有显著的优势，得到了越来越多的使用。(www.xing528.com)

由于水下阀门是在深水环境中工作，密封面又作为关键工作面。在恶劣的服役环境和高强度的工作条件下密封面应该具有良好的耐点蚀、缝隙腐蚀性能。考虑到阀板和阀座之间的开闭运动，需增加磨蚀性能评价。在阀座与阀体之间通常是通过焊缝进行密封，属于异种金属焊接，需要对异种金属焊接工艺进行研究选择，并进行焊接接头的无损探伤检验以及金相组织和力学性能测试评价。阀杆和阀盖之间密封的关键是填料的设计和制备，可采用新型的碳纤维增强的高强石墨复合材料等合适的材料进行操作。

阀门的承压结构设计和密封设计仅能使新产品满足性能要求，但由于水下阀门工作过程中，内与油田采出液接触，外与海水接触，这些介质的腐蚀作用和冲刷磨损作用会严重破坏阀门的强度和密封性，缩短有效使用寿命。所以还需要通过正确的选材和各种表面工程技术提高阀门内外表面抗各种腐蚀形式的能力。

在油气输送管中阀门内表面与多相流油田介质接触，因此要求具有良好的抗多相流冲蚀-腐蚀性能、含CO₂条件的高温高压耐腐蚀性能、不同材料之间的电化学匹配性能（电偶腐蚀倾向）；外表面与海水接触，要求具有良好的抗海水腐蚀性能和力学性能。这些性能评价主要用于优化表面强化材料和制备工艺。

在阀门的所有非金属密封材料中，在阀门中永久使用的聚合物和弹性密封材料（即暴露于工艺介质的材料，保压材料等），应符合NORSOK M-630^[16]要求的材料特性、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最低的设计温度。外部密封件应采用环保材料。

另外，水下阀门一般均采用阴极保护措施，因此要求水下阀门表面防护时采用氢脆敏感性低的材料。一般通过氢渗透和氢脆试验确定合理的阴极保护材料以及阴极保护参数。