API RP 615的相关定义是：“脏污工况是一个通用术语，指的是含有悬浮固体颗粒物的流体，而且除非选择了正确的阀门型号和阀芯，否则可能会严重影响相关阀门的性能。”。阀芯是指阀门内部会与工作介质接触的内件，比如阀门密封元件、阀座等。对用于脏污工况的阀门，一般推荐采用硬质材料制造阀芯，例如马氏体不锈钢（13Cr或13Cr-4Ni）、22铬双相不锈钢，以及司太立（Stellite）等硬质合金。
产油平台上的脏污工况可以分为两个大类：
1. 磨蚀性微粒的数量有限，不会严重磨蚀管壁表面和阀门部件。
2. 含有大量磨蚀性微粒，例如沙粒和水垢颗粒，可能对管壁和阀门部件造成严重磨蚀，最高可达1-2毫米。
本文的讨论范围
本文讨论的是用于海上生产平台二类脏流体工况的阀门选择。用于二类工况的阀门必须结构坚固，对维护的需求极低，可以在相关装置的整个设计寿命周期内（例如三十年）保持正常运行。在海上生产平台上，二类脏流体主要出现在两个环节。第一个环节就是井口，开采出的油、水、气混合物到达井口后，通过出油管线输送到一级分离器。
混合物中含有大量来自油气藏的沙粒。因此位于井口下游的出油管线，以及一级分离器上游的阀门，都应该按照含沙量巨大的极脏流体工况进行选型。
第二个环节是分离器（ 油水分离器）。油、水、气混合物中的沙粒积聚在分离器内，需要喷水将沙粒清除。因此分离器的出口管线内也会有大量沙粒，相关阀门必须能承受这种极脏流体工况。图1是比较有代表性的海上平台井口及分离器流程图。红色管线分别是出油管线和采出水出口管线，管线内是脏流体，通常含有大量沙粒。相关阀门用蓝色表示——均用于开关用途，无调节功能。值得注意的是，海上油气平台通常有多条出油管线和采出水出口管线。
图1是比较有代表性的海上平台井口及分离器流程图。红色管线分别是出油管线和采出水出口管线，管线内是脏流体，通常含有大量沙粒。相关阀门用蓝色表示——均用于开关用途，无调节功能。值得注意的是，海上油气平台通常有多条出油管线和采出水出口管线。
阀门选型
常用于脏流体工况的阀门有几个不同种类，例如夹管阀、隔膜阀、刀闸阀、旋塞阀和直通型闸阀。对极脏流体工况而言，金属阀座球阀不是很好的选择，因为阀门开启或关闭过程中，固态颗粒物会被夹在阀球和阀座之间，导致阀座损伤。夹管阀（图2）通过挤压位于两个压杆间的胶管，实现阀门的关闭。不十分推荐这种设计，因为如果操作频繁的话，阀门损坏的风险较高。此外，这种阀门不具有火灾安全性能，亦不适合高温工况。
考虑到出油管线一般设计压力为1500磅级（公称压力250巴），并且温度可能较高，那么夹管阀和隔膜阀都不适用。这两种阀门均采用了非金属内件，对压力和温度的承受力有限。当然，尽管在挪威的海上采油行业，隔膜阀（图3）一般不会应用在极脏工况，但还是值得考虑一下将它用在采出水出口管线上。此类场合一般需要小尺寸低压（例：4”，300磅级）的阀门，而且不会面临高温。
按照MSS SP 81的定义，刀闸阀（图4）没有阀盖，不适合用于压力超过150psi的冷态高压工况。因此，它也被排除在脏流体工况阀门的候选名单之外。直通型闸阀（TCG，平板式，双膨胀或单膨胀）是脏流体工况的适配选择，在出油管线和分离器采出水出口管线上都很常见。直通型闸阀有一项优势就是具有双隔离功能，这是夹管阀、隔膜阀和基于MSS SP 81标准的典型刀闸阀做不到的。
双膨胀闸阀属于双隔离泄放阀门（API 6D标准定义的DIB1），它可以对两个阀座实现双活塞密封。平板式闸阀通常只能对阀体空腔和下游阀座对应的管线实现双活塞密封，上游阀座对应的管线无法实现双活塞密封（图5），API 6D标准将这种密封称为DIB2。要想让直通型闸阀具备DIB功能，必须采用弹簧蓄能浮式阀座设计，不能采用嵌入阀座凹槽的固定式阀座，这点很重要。值得一提的是，有些阀门制造商设计的平板闸阀仅要求对下游阀座具有双活塞密封效应，并没有为实现DIB2密封而采用自泄压设计。
如图5所示，流体将碟板/闸板推向下游阀座，使下游阀座具有双活塞效应，对管道内和阀腔内的流体都能实现密封。流体压力和弹簧应力会将上游阀座推向碟板/闸板，因此上游阀座能将阀腔和管道隔离开。但是如果有流体进入了空腔并被加压，它会在压力下通过上游阀座的密封面。
图6是一台待测试的4”300#平板闸阀，采用两个双活塞效应阀座（DIB1）（特殊设计），22Cr双相钢材质，配置电动执行器，用在分离器采出水出口管线上。有些情况下，直通型闸阀需要一个很大的空间，因为这种阀门的尺寸一般比球阀、旋塞阀更高。如果因高度造成了麻烦，可以考虑选择油封式旋塞阀。但是油封式旋塞阀也并没有得到所有终端用户的青睐，因为它需要定期加油，才能在旋塞和阀体间妥善实现密封。
图7是一台24”2500#平板闸阀，22Cr双相钢材质，酚醛环氧树脂涂层，用于通往一级分离器的极脏流体管线。采用液压式弹簧复位执行器。它面临的难题是要确保有足够空间容纳阀门和纵向安装的执行器。
膨胀式闸阀比平板闸阀价格更贵，但对维护的需求较小，设计使用寿命更长。双膨胀闸阀的闸板采用了双构件设计，即一块阳闸板和一块阴闸板（图8）。阀门操作过程中，闸板和阀座之间没有摩擦，这点与平板闸阀不同。只有阀门全开和全关时，双膨胀闸阀的闸板和阀座间才会有接触点。和平板闸阀相比，这种阀门还有一项优势：阀腔内留存的流体比较少，因此盘根对维护的需求也比较少。不过和平板闸阀相比，单/双膨胀闸阀的驱动机构的技术难度更高一点，因为膨胀闸阀采用的是扭矩阀座，如果扭矩过大就可能损坏闸板、阀座和阀杆。
总结和建议
1． 极脏工况是指流体含有大量沙粒，会对管壁和阀门造成磨蚀。
2． 金属阀座球阀不适合用于极脏工况，但可能适用于含沙量较小的脏流体工况。
3． 出油管线和分离器采出水出口管线，都是海上石油平台上的典型极脏工况。
4． 不推荐将夹管阀、隔膜阀和刀闸阀用于海上工况。
5． 直通型闸阀（TCG）最适合用于极脏工况。建议选择带有闸板导向板（见图8中蓝色部件）的全孔径直通型闸阀。
6． 如果对于直通型闸阀而言空间不够大，也可考虑将旋塞阀用于分离器采出水出口管线。
作者简介
Karan Sotoodeh是贝克休斯挪威Høvik分公司阀门及执行器部门的高级/主管工程师。工作十四年来，他先后在伊朗和挪威从事配管工程方面的工作，同时也和欧洲的阀门制造商合作过不少工程项目。Karan毕业于苏格兰阿伯丁市罗伯特戈登大学（Robert Gordon University），拥有石油和天然气工程技术硕士学位，以及机械工程系研究型硕士学位。
