分析油气行业用阀门的技术要求及需求变化

　　摘要：介绍了我国油气行业的发展趋势及其工况系统中阀门的使用状况和存在的问题。分析了油气行业用阀门的技术要求及需求变化。提出了阀门在研制、开发、生产及产品使用的相应改进和建议。

　　关键词：长输管线用阀； 石油化工； 天然气；

　　Abstract:The article introduced the development trend of oil and gas industry in China and the status and problems of valves in the specific working condition, analyzed the technical requirement and changes of the valve used in the oil and gas industry, and put forward the corresponding improvement and suggestion of the valve in the research, development, production, and application.

　　Keyword:pipeline valve; petrochemical industry; gas;

　　1 概述

　　随着近年来我国产业结构调整的继续深入推进和制造业的不断创新升级， 阀门行业必须及时的创新发展， 才能达到各行业对阀门产品的新要求。然而， 除去对产品本身更新换代的升级要求之外， 阀门行业也面临着巨大的外部新增需求和变化的内部格局调整。

　　2 油气行业分析

　　（1） 石油化工行业

　　随着国际经济秩序深入调整， 全球石化产业发展重心快速向具有资源优势和拥有市场优势的地区转移， 产业格局将会发生变化。一些自由贸易区的建立， 在促进部分行业良性发展、改善境外产品市场准入条件的同时， 也加剧了部分石油化工产品的市场竞争， 使化工领域贸易摩擦频发， 围绕市场、资源、能源和技术等方面的竞争更趋激烈。而应对全球气候变化， 又对石油化学工业的发展提出新的挑战。

　　我国石油和化学工业"十三五"发展指南指出， 要不断改善我国石化行业的布局结构， 使成品油"北油南运"状况得到改善。长三角、珠三角、环渤海地区三大石化产业区集聚度应进一步提高， 形成三四个2 000万t级炼油及3个200万t级乙烯生产基地[1].其次要配合国家油气战略通道建设， 完善东北、西北及西南石化产业布局。最后使传统煤化工布局分散状况得到改善， 现代煤化工产业向资源地集中， 原料产地化肥比重提高到70%, 专用化肥等深加工产品和精细化学品向消费地集中。阀门相关行业在石化行业中的发展机会仍然突出表现在管网和基地的基础建设当中。

　　（2） 天然气行业

　　文献指出[2], 未来几年阀门行业的增长机会主要来自天然气行业， 尤其是液化天然气 （LNG） 及煤制气行业的快速发展， 到2020年我国天然气供应能力达到4 000亿m3, 力争达到4 200亿m3.国家能源发展战略行动计划 （2014~2020年） 中也提出， 2020年国产的常规气将达到1 850亿m3, 煤层气产量争取达到300亿m3, 页岩气的产量则争取超过300亿m3.此外， 根据国家"十三五"规划， 到2020年， 我国进口通道预计供应天然气规模可达到800亿m3."十三五"期间， 全国天然气管道 （含支线） 将达15万km, 输气能力将达4 800亿m3/a, 储气设施调峰能力达620亿m3.在"十三五"初期， 初步形成以西气东输、川气东送、陕京线和沿海主干道为大动脉， 连接四大进口战略通道、主要生产区、消费区和储气库的全国主干管网， 形成多气源供应， 多方式调峰， 平稳安全的供气格局。到2020年， 我国城市和县城气化率将超60%[3].

　　根据我国的"十三五"规划， 在此期间我国将进一步完善西北通道， 重点建设西气东输二线东段、中亚天然气管道D线及中俄管线等， 将进口中亚天然气和塔里木、青海、新疆等气区增产天然气输送到西南、长三角和东南沿海地区。除去传统的天然气管道工程之外在LNG接收站建设方面， 截至2016年6月底， 国内建成投产LNG工厂164座， LNG总产能达到9 130万m3/d, 新增产能中， 非常规气源制LNG产能达到418万m3/d, 占比明显提升。同时， 截止至2016年， 国内共建成投产12座LNG接收站， 接收能力共计4 270万t/a, 及三座共计175万吨/a的LNG中转站， 在LNG接收站建成投入使用之后， 城市燃气管线的新建和改造同样具有很大的工程量[4].

　　在大型的天然气项目建设工程中必不可少的需要阀门产品， 因此， 我国阀门行业的部分增长机会将来自天然气管网的建设和LNG接收站及储气工程的建设， 中小型阀门公司可选择研发生产高质量的天然气及LNG相关配套阀门， 适应和满足天然气 （含LNG） 用阀门的需求增长。

　　3 阀门研发

　　（1） 煤制气管道阀门

　　由于我国煤炭资源丰富， 在石油、天然气资源相对紧张的情况下， 煤制天然气的推广既可以缓解一定的能源压力， 更重要的是， 它可以充分利用我国的资源， 完善国内能源供应平衡的市场机制。相对于尚处于研发阶段的页岩气开采， 煤制气技术相对成熟， 开发成本较低， 因此近年来受到越来越多投资者的关注， 并且也成为了普通天然气资源的重要补充。

　　从以前的情况分析， 绝大多数煤制气开发企业借助中石油的原油天然气管道， 将煤制气运往沿海发达地区， 然而议价能力的不对等使得开发企业处于弱势地位。因此， 国家出台了一系列政策， 旨在打破煤制气的运输瓶颈。在天然气"十三五"中， 规划管输和配气领域以新疆煤制气外输管道为试点， 探索天然气管输、配气服务与天然气供应业务分离的有效途径， 制定合理的管输价格标准， 引导企业降低投资成本和造价， 有利于中石化、中海油两家企业参与到煤制气专用运输管网的建设中， 促进市场竞争， 从而推动新的管道阀门需求。

　　在煤化工工艺中， 原料的制备系统、反应炉进出料控制系统、助燃隔离系统、分离回收系统等在相应的控制系统中起到了关键的作用， 由于工况条件的苛刻对阀门使用性能要求更加严格， 所以相应的关键阀门多采用国外进口， 以国代进也是未来对阀门行业提出的课题。

　　作为汽化炉集渣、锁渣、排渣的切断作用要求密封性能好、动作可靠的锁斗阀、锁渣阀是工艺装置上的关键阀门， 一般采用的是气动球阀、截止阀和盘阀。球阀有良好的耐磨、耐腐蚀、耐冲刷性能， 开关迅速同时要求有良好的高温性能， 目前国际上该类阀门的温度已由原来的200~300℃提升到约850℃。对于煤粉、水煤浆和油煤浆系统的切断采用的主要是球阀， 是原料加压输送、汽化炉进料反应的关键阀门， 由于介质含有颗粒状物， 对阀门的密封件冲蚀严重， 阀门应有良好的耐磨和耐冲蚀性能， 随着技术的发展该类产品的规格在不断加大， 同时温度也有较大提高。

　　高压氧气切断阀是控制助燃隔离系统的关键阀门， 主要是为汽化炉加压吹氧、氮隔离， 实现切断的开关， 一般选用球阀和截止阀， 阀门除有良好的密封性和可靠的动作性能外， 材料的选用、加工工艺特点及严格的脱脂要求等都是关键条件。

　　黑灰水闪蒸调节阀所处工况环境比较恶劣， 介质条件是气 （汽） 态、固态、液态的三相流状态， 尤其是在小流量时， 面对的高压差， 产生的冲蚀磨损非常严重， 阀门应有良好设计结构、耐冲刷的内表面及密封性能， 对阀门应有较长的使用寿命。

　　（2） 海底油气管道阀门

　　我国海上油气田资源储备丰富， 按照第三次全国石油资源评价结果， 中国海洋石油资源量为246×108t, 占全国石油资源总量的23%;海洋天然气资源量为16×1012m3, 占总量的30%[5].随着陆上资源的不断开采， 必将逐渐转向开采难度更大的海洋资源， 海洋油气管道在未来发展前景广阔。根据中海油的年度经营计划， 2016年公司将有超过30个新项目投产。2016年新勘探井口数量预计也将达到140口。预计全年资本支出也将达到约140亿美元， 较上一年大幅增长31%~52%.

　　伴随中海油开发的南海荔湾海底项目的启动， 我国正式拉开了深海开发的序幕。在技术上突破深海开发石油的难题后， 预计未来海洋油气开发的进程将会提速， 对海底油气输送管的需求起到明显的推动作用。由于海底环境对于阀门的抗压、耐腐蚀性能有着更高的要求， 高端海底管道市场几乎一直被进口产品所垄断。但是随着国内企业技术水平不断成熟， 这一局面正在逐渐扭转， 进口替代产品会有望为未来海底油气行业的新亮点。

　　海底阀门是指应用于水下管道上的所有阀门。目前海底阀门在水下管道主要的集中应用在海洋油气工程的水下管汇与输送管道上， 同时水下阀门还在深海潜水器上有一定的应用。由于海底油气开发的环境复杂条件恶劣， 所以对阀门的性能要求很高， 一旦出现事故将会造成很大经济损失。

　　海底阀门的设计标准目前采用API 6DSS、API6A、API 17D和ISO 13628-1.海底阀门与常规阀门的区别主要在抗外压强度对于壁厚的影响， 海底工况环境 （如洋流、海生物、渔网） 对于阀门外部结构的影响， 海底防腐涂层， 电极腐蚀等。海水用阀门除了要在软件设计研发方面投入大量的计算模拟外， 还要投入外压试验仓设备， 海水腐蚀试验仓等专用检验试验设备。

　　海底管道阀门主要集中应用在海洋油气工程的水下管汇、海底管道终端及油气输送管道上。海底管道阀门以球阀、平板闸阀和止回阀为主， 主要操作方式有液压控制、遥控操作ROV和潜水员操作等。其关键的密封形式在深水条件下除了承受介质内压外， 还承受着静水压力， 为了防止介质外漏或海水进入阀体， 阀体与环境之间一般设置两道密封， 其中金属密封作为主密封。球阀阀座处的密封面有单活塞效应和双活塞效应两种形式， 通常将阀门上游密封面选为SPE, 从而实现阀腔超压时自动向上游泄放的功能。袖管是焊接在阀门两端的短节， 用来与海底管道终端或水下管汇上的管线进行焊接。一般袖管采用与管道相同的材质， 焊后应有第三方现场见证， 对焊缝进行水压试验。阀门在出厂前必须完成包括外观检测、压力测试及操作功能测试等工厂验收试验， 需要采购方代表和第三方代表现场见证。 （3） 页岩气管道阀门

　　我国页岩气储量丰富， 开发潜力巨大。国家计划到2020年探明页岩气地质储量达到600亿~1 000亿m3[6], 并将配套一系列关于行业发展的财税优惠和补贴政策。并且随着政府补贴的不断投入， 以及规模化生产带来的开发成本下降， 预计页岩气最早有望于"十三五"期间投入商业化运营。

　　由于我国的页岩气产地集中于西南地区， 而天然气资源集中于西北地区， 因此页岩气的大规模开发利用， 会带动输气管网的增量需求。不同于传统的天然气， 页岩气是一种单矿规模小、地域分布广的油气资源， 因此， 从页岩气产地运输到主干网线， 需要大量的配套管网。页岩气开发利用对于相应配套管网的需求拉动， 综合能力较强的阀门企业也应当尽快掌握页岩气阀门的相应技术， 针对未来相关产业的快速发展， 开发出性能优异、安全可靠的阀门产品。

　　页岩气的开发与天然气开发类似， 只是由于单矿规模小的问题， 管网更加分散。由于其所处工况环境多为野外， 条件恶劣， 维修困难， 一般要求保证30a的使用寿命， 同时密封达到0泄漏。页岩气系统主要采用全焊接结构形式和分体式结构球阀， 闸阀采用平板闸阀、其次有安全阀和调节阀等。

　　阀门应满足强度和韧性要求， 除了承受内部介质压力之外， 尚需承受由于环境温度变化而引起的轴向拉力和压力， 在寒带低温条件下的冲击韧性， 考虑地质方面引起的外部载荷。对于全焊接阀体球阀， 焊缝及热影响区， 需要按照断裂力学理论， 考虑其断裂韧性。由于管线输送的介质易燃易爆， 所以阀门内外均不允许泄漏， 阀门达到0级泄漏密封要求。阀门密封失效时应有紧急密封措施， 应具有失火安全和防静电功能。为防止阀门出现异常升压， 还应具备安全泄放功能。对于阀门的密封特性， 要求具备DBB功能， 在阀腔排泄时， 上游端阀座和下游端阀座应同时自动切断， 以确保排放时的安全， 同时还要有良好的外部防腐蚀特殊性能等。

　　4 结语

　　随着我国经济建设的深入能源业也得到了高速发展， 阀门广泛地应用于国计民生的各个领域， 不同领域对阀门的要求上存在诸多不同， 将加快阀门行业随着社会需求的不断变化。尤其是油气行业， 几个类别的阀门产品将会产生巨大的需求， 作为阀门行业应该抓住机遇， 进行产品更新， 掌握与之相适应的生产技术， 做好企业的转型升级， 加大科技投入， 开发高参数、高性能的阀门产品， 同时应重视新工艺、新技术、新材料的开发与应用， 不断提高承压件的焊接技术、提高阀门密封面耐腐蚀和耐冲蚀性， 提高阀门的使用寿命和安全可靠的使用性能， 使阀门制造行业在庞大的需求环境下， 呈现出更好的发展前景。

　　参考文献

　　[1] 黄鑫。2015年石化和化工总产值达14万亿元[N].经济日报。2012.02.04 （3） .

　　[2] 李伟， 陈燕， 粟科华， 等。"十三五"期间我国天然气行业发展环境分析[J]2015, 23 （3） .

　　[3]檀学燕。中国进口液化天然气可持续发展战略[D].中国地质大学 （北京） , 2012.

　　[4] 智研咨询。2016-2022年中国天然气行业市场现状分析及发展趋势研究报告[R].智研咨询集团， 2016, 09.

　　[5]吴家鸣。世界及我国海洋油气产业发展及现状[J]广东造船。2013 （1） .

　　[6] 徐惠喜。页岩气：能否重塑国际能源格局[N].经济日报， 2013.05.08 （9） .