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摘要：介绍井口装置和采油树生产所采用的标准，概述国内生产企业具有的生产、检验设备情况，以及采用的部分生产工艺，从产品技术能力角度分析了国内外产品技术状态并作出了差距，指出我国井口行业制造中的不足和生产标准的缺陷。
关键词：井口装置；生产现状；技术能力；差距；存在的问题
中图分类号：TD54
1概述
井口装置和采油树用于石油天然气的开采，或用于对油（气）井进行压裂酸化、注蒸汽、注水等生产作业过程中控制液、气流或其它介质的流向与流量。它控制的流体成份较为复杂，有的是含有高浓度硫化氢、二氧化碳等对金属材料具有强烈腐蚀性的气体；有的是高压天然气；有的是油、气、砂的混合物；有的是高温高压水蒸汽等等。
为加强该行业的管理，我国已从2005年开始将该产品纳入特种设备压力管道元件制造许可范畴。
2标准介绍
3生产现状
3.1生产检测设备
数控机床、加工中心在企业中的比重越来越大。这一方面提高了生产效率，降低了废品率，降低了成本；另一方面，提高了精度，使产品质量更为稳定。
2005年开始，我国开始将该井口产品纳入特种设备压力管道元件制造许可范畴。取证企业逐步建立和实施了相应的质量保证体系；购置了覆盖从原材料入厂到成品出厂检验的各类检测仪器设备，涉及材料力学性能、化学分析、无损检测、压力试验等方面，包括：材料试验机、低温冲击试验机、硬度计、金相分析仪器、光谱分析仪、超声波检测仪、磁粉检测仪、微机控制静水压试验系统、微机控制气密封试验系统。
3.2生产工艺
HH级焊接：利用HH级焊接机器人，在阀内表面体以及其它封存流体润湿表面涂覆耐蚀合金。国内已有部分企业采用此工艺生产HH级阀门。
表面硬化技术：用于阀门密封面的硬化处理，主要有氧-乙炔焰合金喷焊、等离子喷焊、超音速火焰喷涂等技术。由于压力增高时对阀门密封面提出了更高的要求，所以高压阀门主要采用等离子喷焊、超音速火焰喷涂（HVOF）[2]。
HVOF系统通过超音速火焰射流来加热、加速喷粉，喷粉颗粒速度可高达到3300～3900ft/s，在工件上形成致密的硬化层。HVOF对基体性能影响较小，硬化层硬度可达到1200HV0.3左右，表面经精磨、研磨、抛光可达到光学镜面的水平。目前，高压采气井口阀门较多地使用了这种工艺。
4产品技术能力现状及与国外的比较
4.1产品技术能力现状
即使通过了PR2设计确认试验，我国的PR2产品与国外相比，还是有较大的差距。以VG-300阀门为例[3]，该阀门为VetcoGray公司的300系列21/16”、15000psi阀门，通过PR2设计确认试验后，继续进行10，000阀门开关耐久试验，试验后仍能通过15，000psi和800psi气密封试验，阀门外形完好，还能经受进一步试验。试验过程如下。
（1）耐久试验：阀门全行程开启和关闭；每次阀门关闭时，施加15，000psi的静水压，达到此压力后开启阀门，排放全部压力；每8个小时进行500次排放；在试验开始时和每1000次循环结束時，阀门进行润滑；每500次循环结束时进行静水压试验，压力15，000psi，保压1h；所有保压期均未检测到压力降。
（2）后耐久试验：经过耐久试验的10，000次排放后，进行氮气压力试验；阀门下游端堵死，浸没在水中，阀门升压至15，000psi，保压2h，未检测到气泡；压力降至800psi，保压2h，未检测到气泡；阀门开关扭矩试验；阀门拆卸、清洁，然后使用轻质油重新组装，进行气压试验，压力为15，000psi、800psi，分别保压1h，未观测到气泡，后耐久试验成功结束。
（3）随后进行的物理检查：阀杆填料密封唇内径，隆起物磨损至密封件的大径；密封唇外径无可检测到的磨损或变形迹象；阀板外观完好，可继续使用；阀座几乎没有任何痕迹，可继续使用；上游端阀板表面和阀座表面无损伤；填料区的阀杆无可检测到的磨损；轴承状态完好，可继续使用；阀杆和驱动衬套螺纹有磨损，但情况良好。
5存在的问题
主要体现在设计、生产、质量控制等方面。
（1）生产环节上，国内大部分企业在毛坯锻造、热处理这些环节上外协，在工艺的执行上难以做到彻底监控。
（2）质量控制上，部分生产企业流于形式，有些控制过程没有按要求认真做。例如，对PSL3及以上的承压件、阀杆、阀板、阀座、悬挂器芯轴等零件难以追溯性到某一特定熔炼炉号和热处理批号，对于承压焊的焊接工艺评定、焊工技能评定、焊前预热、焊后保温、施焊记录、仪表校准各环节要求，没有完全做到。
（3）高端产品中使用的非金属件基本依赖进口，国产非金属件无法满足高压或者PR2产品的使用要求。
（4）在设计计算上，承压件的设计过于保守，产品安全有余而不够经济。大部分生产企业做法是对承压本体按ASME第VIII卷第2册附录4提供的圆筒公式[3]进行壁厚校核计算，与有限元计算相比，这种理论计算方法所得的结果误差较大[4]。
此外，API 6A的ASME设计方法中只提供了总体一次薄膜应力强度极限值，而未明确一次薄膜应力加弯曲应力、一次应力加二次应力等应力组合情况下的应力强度极限值，这也给设计者造成了困惑。API规范规定额定工作压力下的应力强度极限值为Sm=2/3 SY，同时规定液压试验压力下的总体一次薄膜应力强度极限值为ST=5/6 SY，如果液压试验下的总体一次薄膜应力强度σT≤5/6 SY，那么额定工作压力下的相应的应力强度σm为σT除以液压试验的倍数1.5（或2），即σm≤5/9 SY（或5/12 SY），此时的σm无疑是满足σm （5）缺少技术创新。新工艺、新的密封结构、新连接方式多出自国外，国内较少看到。这也导致我国井口产品大量的是低端产品、常规产品，而缺少高技术含量、具有自主知识产权产品。
参考文献
[1] American Petroleum Institute，Specification for Wellhead and Christmas tree equipment[S]. API Spec 6A，20th Edition，Oct 2010.
[2] 陈利斌 王雪元等. 超音速火焰喷涂技术的发展和应用[J]. 浙江冶金，2012.2（1）.
[3] ASME Boiler and Pressure Vessel Code， Rules for Construction of Pressure Vessels， Division 2 Alternative Rules[S]. New York， the American Society of Mechanical Enginners，2004.
[4] 周思柱，袁新梅，罗颖萍. 井口阀门有限元计算与简化计算的比较[J]. 石油天然气学报，2005，27（2）：256～257.
关键词：井口装置；生产现状；技术能力；差距；存在的问题
中图分类号：TD54
1概述
井口装置和采油树用于石油天然气的开采，或用于对油（气）井进行压裂酸化、注蒸汽、注水等生产作业过程中控制液、气流或其它介质的流向与流量。它控制的流体成份较为复杂，有的是含有高浓度硫化氢、二氧化碳等对金属材料具有强烈腐蚀性的气体；有的是高压天然气；有的是油、气、砂的混合物；有的是高温高压水蒸汽等等。
为加强该行业的管理，我国已从2005年开始将该产品纳入特种设备压力管道元件制造许可范畴。
2标准介绍
3生产现状
3.1生产检测设备
数控机床、加工中心在企业中的比重越来越大。这一方面提高了生产效率，降低了废品率，降低了成本；另一方面，提高了精度，使产品质量更为稳定。
2005年开始，我国开始将该井口产品纳入特种设备压力管道元件制造许可范畴。取证企业逐步建立和实施了相应的质量保证体系；购置了覆盖从原材料入厂到成品出厂检验的各类检测仪器设备，涉及材料力学性能、化学分析、无损检测、压力试验等方面，包括：材料试验机、低温冲击试验机、硬度计、金相分析仪器、光谱分析仪、超声波检测仪、磁粉检测仪、微机控制静水压试验系统、微机控制气密封试验系统。
3.2生产工艺
HH级焊接：利用HH级焊接机器人，在阀内表面体以及其它封存流体润湿表面涂覆耐蚀合金。国内已有部分企业采用此工艺生产HH级阀门。
表面硬化技术：用于阀门密封面的硬化处理，主要有氧-乙炔焰合金喷焊、等离子喷焊、超音速火焰喷涂等技术。由于压力增高时对阀门密封面提出了更高的要求，所以高压阀门主要采用等离子喷焊、超音速火焰喷涂（HVOF）[2]。
HVOF系统通过超音速火焰射流来加热、加速喷粉，喷粉颗粒速度可高达到3300～3900ft/s，在工件上形成致密的硬化层。HVOF对基体性能影响较小，硬化层硬度可达到1200HV0.3左右，表面经精磨、研磨、抛光可达到光学镜面的水平。目前，高压采气井口阀门较多地使用了这种工艺。
4产品技术能力现状及与国外的比较
4.1产品技术能力现状
即使通过了PR2设计确认试验，我国的PR2产品与国外相比，还是有较大的差距。以VG-300阀门为例[3]，该阀门为VetcoGray公司的300系列21/16”、15000psi阀门，通过PR2设计确认试验后，继续进行10，000阀门开关耐久试验，试验后仍能通过15，000psi和800psi气密封试验，阀门外形完好，还能经受进一步试验。试验过程如下。
（1）耐久试验：阀门全行程开启和关闭；每次阀门关闭时，施加15，000psi的静水压，达到此压力后开启阀门，排放全部压力；每8个小时进行500次排放；在试验开始时和每1000次循环结束時，阀门进行润滑；每500次循环结束时进行静水压试验，压力15，000psi，保压1h；所有保压期均未检测到压力降。
（2）后耐久试验：经过耐久试验的10，000次排放后，进行氮气压力试验；阀门下游端堵死，浸没在水中，阀门升压至15，000psi，保压2h，未检测到气泡；压力降至800psi，保压2h，未检测到气泡；阀门开关扭矩试验；阀门拆卸、清洁，然后使用轻质油重新组装，进行气压试验，压力为15，000psi、800psi，分别保压1h，未观测到气泡，后耐久试验成功结束。
（3）随后进行的物理检查：阀杆填料密封唇内径，隆起物磨损至密封件的大径；密封唇外径无可检测到的磨损或变形迹象；阀板外观完好，可继续使用；阀座几乎没有任何痕迹，可继续使用；上游端阀板表面和阀座表面无损伤；填料区的阀杆无可检测到的磨损；轴承状态完好，可继续使用；阀杆和驱动衬套螺纹有磨损，但情况良好。
5存在的问题
主要体现在设计、生产、质量控制等方面。
（1）生产环节上，国内大部分企业在毛坯锻造、热处理这些环节上外协，在工艺的执行上难以做到彻底监控。
（2）质量控制上，部分生产企业流于形式，有些控制过程没有按要求认真做。例如，对PSL3及以上的承压件、阀杆、阀板、阀座、悬挂器芯轴等零件难以追溯性到某一特定熔炼炉号和热处理批号，对于承压焊的焊接工艺评定、焊工技能评定、焊前预热、焊后保温、施焊记录、仪表校准各环节要求，没有完全做到。
（3）高端产品中使用的非金属件基本依赖进口，国产非金属件无法满足高压或者PR2产品的使用要求。
（4）在设计计算上，承压件的设计过于保守，产品安全有余而不够经济。大部分生产企业做法是对承压本体按ASME第VIII卷第2册附录4提供的圆筒公式[3]进行壁厚校核计算，与有限元计算相比，这种理论计算方法所得的结果误差较大[4]。
此外，API 6A的ASME设计方法中只提供了总体一次薄膜应力强度极限值，而未明确一次薄膜应力加弯曲应力、一次应力加二次应力等应力组合情况下的应力强度极限值，这也给设计者造成了困惑。API规范规定额定工作压力下的应力强度极限值为Sm=2/3 SY，同时规定液压试验压力下的总体一次薄膜应力强度极限值为ST=5/6 SY，如果液压试验下的总体一次薄膜应力强度σT≤5/6 SY，那么额定工作压力下的相应的应力强度σm为σT除以液压试验的倍数1.5（或2），即σm≤5/9 SY（或5/12 SY），此时的σm无疑是满足σm
参考文献
[1] American Petroleum Institute，Specification for Wellhead and Christmas tree equipment[S]. API Spec 6A，20th Edition，Oct 2010.
[2] 陈利斌 王雪元等. 超音速火焰喷涂技术的发展和应用[J]. 浙江冶金，2012.2（1）.
[3] ASME Boiler and Pressure Vessel Code， Rules for Construction of Pressure Vessels， Division 2 Alternative Rules[S]. New York， the American Society of Mechanical Enginners，2004.
[4] 周思柱，袁新梅，罗颖萍. 井口阀门有限元计算与简化计算的比较[J]. 石油天然气学报，2005，27（2）：256～257.