图1 有限元分析（FEA）展示了适用于SAF2507管的中压世伟洛克卡套管接头上的前后卡套如何抓紧管子

集成服务供应商在构建中压应用的化学注入装置时面临两个主要的障碍是：中压仪表球阀和与SAF 2507管子一起使用的可靠端接。世伟洛克公司为此提供了全面的解决方案。

在某种条件下，中压仪表球阀会在阀座处发生泄漏。在高压条件下密封后，可能会出现在低压条件下重新密封有困难的情况，特别是在系统压力慢慢累积的情况下。当所需管子是由SAF 2507（一种在许多包含氯的苛刻环境中首选的耐腐蚀性材料）制成的，阀门端接就会面临一个很特殊的挑战。直到最近，市场上一直都找不到在压力高达1.034×108Pa条件下适用于SAF 2507管子的简单易用的机械抓紧式卡套管接头。在这样的应用中，行业依赖锥形和螺纹接头，而这些接头性能不稳定，难以安装。

AGI Beta对新阀门的测试

AGI泵组系统公司作为大部分石油公司的集成服务供应商，已经为他们建造了很多装置，并完全意识到了中压仪表球阀和用于SAF 2507管子的端接所面临的挑战。因此，AGI想寻找一家可以提供全新解决方案的公司，签订合同建造两个配有SAF 2507管子的中压装置:化学注入装置和甲醇注入装置。

图2 用手持检测规检测以确保世伟洛克卡套管接头被正确安装。如果检测规放不进螺母和本体间的缝隙，则足够拧紧了；如果检测规能放进去，则需要再拧紧些

世伟洛克公司已经开发系列中压球阀，但是尚未发布。此球阀使用了一种全新技术，可以使其在压力高达1.034×108Pa内提供可靠的密封和再密封。为了测试该阀门，AGI建立了一套测试装置，其设计模拟了苛刻条件下用于深水勘探的甲醇注入装置的工况，在此系统中阀门将进行多次开关。测试使用甲醇作为流体介质并且包括下列步骤：

一个小型的气动泵对一个关闭的FKB系列中压球阀慢慢加压，直至1.034×108Pa；

阀门打开，将压力释放到大气中；

阀门关闭；

重复此过程。

AGI原计划一直对阀门进行开关测试直到其出现故障。测试持续了两天半，阀门完成了4000多次开关而没有出现故障。这时，AGI对该阀门的性能表示满意并停止了测试。在化学注入装置20多年的使用寿命中，一个仪表球阀通常需要开关300次，大约每个月一次。

其他油气应用也面临着有关中压球阀的挑战。在井楼控制面板、油井维修容器、油井维修面板中，中压球阀被用于将液压压力传输至海底井楼的大型井楼安全关闭阀上。由于油井处于深海区，因此所需压力高达1.034×108Pa。中压球阀也能被用在液压动力装置上，以保持平台设施的液压压力。在所有这些应用中，泄漏是一个很严重的问题。处于压力下的物质是极易燃烧的。

图3 展示了传统设计的活动负载球阀，在此球阀内部弹簧力和系统压力位于一条直线上，一个接在另一个后面。系统压力直接作用在位于弹簧后方的O型圈和支撑环上，接着，作用在阀座载体上。当压力增加时，系统压力将压紧弹簧并抵消弹簧力

寻找正确的连接

当集成服务供应商为平台建造装置时，经常处于非常紧的时间限制下。甚至在开始构建系统之前项目就已经落后于计划了。因此，有效率的元件组装对于保证项目进行是非常关键的。

锥形和螺纹接头的安装是很花时间的。在锥面或螺纹部分的任何瑕疵都会增加泄漏的可能性。有关产品质量的担忧导致一些业主公司要求接头应从工厂购买，而不是在现场制造。如果管子长度较短，必须订购新部件，这将导致延迟。集成服务供应商也需考虑振动问题。接头必须在振动条件下也能够保持抓紧，不仅仅是在平台工作过程中，而且在运输到平台的过程中也要如此。

AGI发现世伟洛克公司中压等级的机械抓紧式卡套管接头可以提供解决方案，适用于SAF 2507管子的连接。接头包括两个卡套。前卡套和后卡套在安装过程（图1）中抓紧管子。正是这股强大的抓力使其工作压力可以达到1.034×108Pa。

SAF 2507的硬度比300系列不锈钢高的多，硬度可达 Rockwell C 32 (HV 318)，而AISI 316和304不锈钢的硬度最大为Rockwell B 90(HV 185)。卡套管接头上的不锈钢卡套甚至能抓紧SAF 2507管子，因为它们是完全经过SAT12（一种已获专利的低温渗碳工艺）表面硬化的。经过表面硬化的卡套表面硬度为1200 Vickers，相当于工具钢的硬度，大约比未经表面硬化的不锈钢硬3倍。即使不锈钢被硬化，渗碳工艺仍能保持其展延性。后卡套的展延性保证其能向下紧紧铰住卡套管，在卡套管一个较大的表面上形成抓紧。此抓紧能保护接头不受振动应力影响。使得卡套管接头很容易安装，只需简单的工具就能拧紧。不需要电子预装装置。连接可以被拆卸并复装多次。在中压卡套管接头初次安装时，可以用手持检测规进行检查以确认是否足够拧紧。该检测规是一个经过校准的钢制平片，用于检查螺母和接头本体之间的距离是否正确（图2）。

全新的球阀设计

AGI对FKB系列中压球阀的测试证明了该阀门在整个高达1.034×108Pa的压力范围内可靠还可重复密封。阀门的有效性可归功于一种特殊的正在申请专利的活负载技术，术语上称为“直接负载”。

图5 展示了在手柄上添加止动板的FKB系列球阀设计。止动板可以重新定位，通过90°旋转开关阀门

由于在阀球和阀座之间有接触压力，球阀可以密封。在设计球阀时的主要挑战之一就是确定如何产生足够的力量以形成这个接触压力。如果在整个工作压力范围内任意一点的该力量太小，阀门都将泄漏。如果该力量太大，阀门将很难执行，且循环寿命也可能受损。

活动负载是产生力量的一种方式，可能是位于端部螺丝和阀座之间某处的弹簧。通常，弹簧会抵住阀座载体（一种能保持并定位阀座，以使其能在理想状况下与阀球（图3）接触的设备）。对于3通阀门（密封力由上游阀座单独提供）来说，活动负载尤其重要。

密封力的另一个来源是系统压力本身。非活动负载的阀门可能完全依赖于系统压力来产生阀球和下游阀座之间的力。在这种情况下，密封力可能在较高的压力范围内是足够的，但是在较低的压力范围内不够。一旦阀座在高压下被压缩或是被定型，在低压下进行再密封可能就困难了。阀座材料可能无法回复到其原来的形状。因此，系统压力低且没有弹簧就可能造成密封力量不够。在这种情况下，技术员会将端部螺丝拧得更紧以防止泄漏。这样做可能会解决当下的问题，但是会产生意想不到的结果：启动会变得困难，特别是在高压情况下。结果是如在高压条件下启动阀门，技术人员需要使用一种可以延长手柄长度以加大杠杆作用的工具。

即使对于传统设计的活动负载球阀来说，在较低的压力范围(3.447×107Pa以内)，也会存在密封问题。阀门可能会通过弹簧力在开始形成良好的密封力。但是随着系统压力大于弹簧力并且压紧弹簧,密封力可能不足。当系统压力和弹簧在一条直线上作用，一个接在另一个后面，在压力范围内的某些点并没有密封优势。

图6 化学注入装置

与传统的活动负载设计相比，在FKB系列压阀中，系统压力和弹簧，这两种力在阀座载体上的不同位置起作用。因此，系统压力和弹簧都对整体密封力有作用。在图4中，上游端的系统压力在阀座载体的第一个台阶上起作用，而弹簧在第二个台阶上起作用。它们两个一起为整个压力范围内的密封形成一个足够的、组合的密封力。这种活动负载被称为直接负载。

中压球阀设计所面临的另外一个挑战是有关手柄朝向。在某些情况下，邻近元件可能会阻碍手柄进行1/4圈旋转。较可行的方法就是制造一种可以在四个象限中任意改变位置的手柄，这样技术人员就能对手柄重新定位，而无需拆下阀门并改装阀门支撑件。可以通过在手柄和阀体之间使用一块止动板来达到这个目标。止动板可以被重新定位，通过90°旋转开关阀门（图5）。

最终测试

在AGI制造的两台装置上，共有36个阀门，452个中压卡套管接头或端接与SAF 2507一起使用（图6、图7）。AGI用世伟洛克手持检测规检查了所有接头。Capital Valve & Fitting公司（Baton Rouge, La.的世伟洛克授权销售和服务中心）也对接头进行了检测，并发现所有接头都被正确地安装并拧紧。

图7 安装在化学注入装置上的FKB 系列中压阀门

另外，作为AGI常规测试流程的一部分，在运输之前AGI通过开关阀门将系统加压至其最高可承受压力的方法测试所有装置。在这种情况下，装置没有任何泄漏，包括在端接处和球阀的整个阀座。在过去对其他装置的测试中，AGI花费了4个小时来解决泄漏问题。例如，在一个案例中，装置共有100多个阀门，并且每一个阀门的阀座都必须被替换。系统的初始压力已将阀座压缩，因此当系统内压力不断加大时，阀门不能重复密封。

FKB系列球阀和中压端接在初始生产和最终测试过程中为AGI节省了大量的时间和成本。当元件可靠易用时，就可以避免因为没准备好特殊工具或需要重新订购和改装元件而造成的猜测、挫折、重新配置、测试失败和延迟。最终用户也会在装置的使用寿命过程中因其被降低的维护成本和易于维护而实现额外的节省。业主的整体成本与元件的最初购买价格相比是比较成本时的合适标准。

AGI使用中压球阀和适用于SAF 2507管子的端接成功制造的两套全新装置目前正在墨西哥湾的平台上面使用。

尾注

SAF 2507是Sandvik公司的一个商标

SAT12是世伟洛克公司的一个注册商标

Swagelok是世伟洛克公司的一个注册商标