關(guān)斷閥在線小角度測試技術(shù)與應(yīng)用

劉金龍，魏海，陳粵(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

關(guān)斷閥[1]在線小角度測試的主要過程是通過分析閥門的結(jié)構(gòu)，提出測試方式的假設(shè)。依據(jù)氣體壓力和彈簧彈力的平衡原理，利用氣體狀態(tài)方程和彈簧彈力計(jì)算公式，并結(jié)合現(xiàn)場的一些測量數(shù)據(jù)。計(jì)算當(dāng)關(guān)斷閥轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度時(shí)，從氣缸內(nèi)釋放的氣體量，制作出一個(gè)固定容器來接收釋放的氣體。通過實(shí)際現(xiàn)場測試驗(yàn)證假設(shè)，分析理論與實(shí)際的誤差，改進(jìn)測試方法。

1 關(guān)斷閥結(jié)構(gòu)圖

平臺(tái)上的關(guān)斷閥從結(jié)構(gòu)上可以分為兩種：第一種結(jié)構(gòu)如圖1所示，為氣缸與彈簧缸分開布置的，主要用于管徑較大的位置，如海底輸油管道[2]；第二種結(jié)構(gòu)如圖2所示，為氣缸與彈簧缸共用一體的，主要用于管徑較小的，如生產(chǎn)流程和各壓力容器[3]進(jìn)出口管線中。

圖1 氣缸與彈簧分開布置結(jié)構(gòu)圖及注釋

圖2 彈簧與氣缸共用一體結(jié)構(gòu)圖及注釋

關(guān)斷閥關(guān)鍵附件快排閥結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)氣源壓力導(dǎo)通后，使氣源與閥門氣缸連通，驅(qū)動(dòng)閥打開；當(dāng)氣源壓力泄放后，使閥門氣缸與排氣口直接相通，切斷進(jìn)氣氣源，使氣缸內(nèi)的壓力快速泄放，閥門快速關(guān)閉。

圖3 快排閥結(jié)構(gòu)圖

關(guān)斷閥關(guān)鍵附件先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)先導(dǎo)氣導(dǎo)通后，先導(dǎo)閥的閥芯左移，使驅(qū)動(dòng)氣與氣缸相連接，驅(qū)動(dòng)閥打開；當(dāng)先導(dǎo)氣泄壓后，閥芯右移，使氣缸與排氣口相通，氣缸泄壓，閥門關(guān)閉。

圖4 先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)圖

2 理論計(jì)算

主要根據(jù)兩個(gè)計(jì)算公式：

式中：P為氣體壓力(Pa)；V為氣體體積(m3)；n為氣體物質(zhì)的量(mol)；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度(K)。

胡克定律如式(2)所示：

式中：F為彈力(N)；K為彈性系數(shù)；x為形變量(m)。

根據(jù)公式(1)，PV乘積是一個(gè)常數(shù)，氣缸體積V可以計(jì)算得出，氣體壓力P可以通過現(xiàn)場壓力表讀出，所以放氣后的氣體體積V′=V+V0，其中V0為制作的容器容積，變化后的壓力P′=PV/(V+V0)。

根據(jù)公式(2)，放氣之前平衡方程為F=PS=Kx，S是氣缸膜片的面積，通過測量氣缸的直徑可以得出，氣體壓力P可以通過現(xiàn)場減壓閥壓力表讀出，x為手輪從完全打開到完全關(guān)閉的變化長度，從而得出彈簧的彈性系數(shù)

放氣之后達(dá)到新的平衡狀態(tài)PV=P′V′，彈簧的壓力F′=P′S，S是氣缸膜片的面積，x′為手輪變化后的長度，氣體體積

需要制作的氣缸體積V0的計(jì)算方法如公式(3)：

3）切實(shí)提升調(diào)和油技術(shù)的應(yīng)用水平。目前，船用低硫燃油的生產(chǎn)加工方式有3種：一是通過加工低硫原油生產(chǎn)低硫重質(zhì)燃料油；二是調(diào)和加工低硫燃油；三是煉廠增投渣油加工裝置生產(chǎn)低硫燃油。整體來看，調(diào)和加工方式的產(chǎn)品是未來幾年船用低硫燃油的主要來源，通過將低硫原料和高硫原料按規(guī)定比例調(diào)兌，生產(chǎn)出符合國際海事組織要求的低硫燃油。這種方式最為簡單和直接，也是新加坡作為全球船舶加油中心的核心優(yōu)勢(shì)之一。某種意義上，調(diào)和技術(shù)水平的高低不僅決定了燃油質(zhì)量，也體現(xiàn)了船供油公司核心競爭力的高低。船供油公司應(yīng)加強(qiáng)調(diào)和技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)積累和研發(fā)，努力在調(diào)和技術(shù)上取得領(lǐng)先和突破。

關(guān)斷閥的變化角度Δσ與手輪長度Δx變化成正比，如公式(4)：

舉例說明：

以CEP-SDV-3001B為例進(jìn)行計(jì)算，現(xiàn)場測得手輪擰進(jìn)深度x為0.08 m，周長l為0.5 m，壓力p為5×103Pa，壁厚d為0.01 m。

氣缸膜片面積S=π×r2=3.14×0.069 62=0.015 m2；

氣缸體積V=S×x=0.015×0.08=0.001 2 m3；

彈簧上的力F=PS=5×105×0.015=7.5×103N；

彈簧的彈性系數(shù)K=F/x=7.5×103/0.08=9.375×104。

假設(shè)測試時(shí)關(guān)斷閥轉(zhuǎn)動(dòng)20°，設(shè)放氣后的彈簧壓縮量為x′，依據(jù)公式(4)得出則有計(jì)算得出x′=0.062 m。

依據(jù)公式(3)計(jì)算得出需要制作的氣缸的體積V0=V′-V=0.001 6-0.001 2=0.000 4 m3=0.4 L，因此制作體積0.4 L的容器。

3 實(shí)際測試過程

依據(jù)以上的理論計(jì)算，以CEP-SDV-3001B 為例，當(dāng)關(guān)斷閥轉(zhuǎn)動(dòng)20°時(shí)，應(yīng)該從氣缸內(nèi)釋放0.4 L的氣體，用一個(gè)0.4 L的容器來接收這些氣體，就可以實(shí)現(xiàn)關(guān)斷閥在線轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小角度，實(shí)現(xiàn)功能測試目的，如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場制作的容器

分析其關(guān)閉時(shí)氣缸內(nèi)氣體的釋放過程，發(fā)現(xiàn)所有關(guān)斷閥都安裝有一個(gè)快速泄放閥，如圖6所示。當(dāng)氣源壓力釋放后，氣缸內(nèi)的壓力就會(huì)通過快速泄放口進(jìn)行釋放，將制作好的容器連接到泄放口。當(dāng)切斷氣源、閥門關(guān)閉過程時(shí)，氣缸內(nèi)的氣體將釋放到容器內(nèi)。但實(shí)際情況是閥門沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，與理論計(jì)算結(jié)果不符；又經(jīng)過對(duì)關(guān)斷閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)關(guān)斷閥內(nèi)氣體壓力和彈簧彈力不是一對(duì)平衡力，且閥門末端的頂絲承受一部分壓力。

圖6 現(xiàn)場氣缸連接方式

經(jīng)過對(duì)多個(gè)關(guān)斷閥的實(shí)際測試，發(fā)現(xiàn)關(guān)斷閥有一個(gè)最小關(guān)閉壓力，在0.2 MPa左右。只有當(dāng)氣缸內(nèi)壓力小于最小關(guān)閉壓力時(shí)，閥門才開始關(guān)閉。在快速泄放口安裝自制測試工具，通過控制氣缸內(nèi)氣體壓力的大小來控制閥門關(guān)閉的角度，控制氣體壓力釋放的速度來控制閥門的關(guān)閉速度，從而對(duì)整個(gè)關(guān)斷閥測試過程進(jìn)行控制。

經(jīng)過實(shí)際測試總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，制作出如圖7所示的測試工具，將測試工具的一端連接到快速泄放口，再連接一塊壓力表，可以實(shí)時(shí)觀察氣缸內(nèi)的壓力變化，末端連接一個(gè)針閥，用于控制氣缸內(nèi)壓力釋放的速度和大小。

圖7 現(xiàn)場測試工具初版

在測試過程中，可能因?yàn)椴僮髡邔?duì)關(guān)斷閥氣缸壓力的泄放控制不夠精細(xì)，導(dǎo)致閥門關(guān)閉角度過大引起流程壓力波動(dòng)等情況的發(fā)生，為解決此問題，重新改造測試工具如圖8所示，在原來測試工具(圖7)的閥門后連接一個(gè)接收容器和閥門，使測試過程風(fēng)險(xiǎn)可控。

圖8 現(xiàn)場測試工具改進(jìn)版

使用制作好的測試工具，對(duì)平臺(tái)上的關(guān)斷閥進(jìn)行功能測試。當(dāng)氣缸內(nèi)的壓力降至最小關(guān)閉壓力時(shí)，閥門有動(dòng)作趨勢(shì)，關(guān)閉角度可為10～20°，停止泄放且關(guān)閉過程平穩(wěn)，就此認(rèn)為閥門正常；如果氣缸內(nèi)的壓力降至最小關(guān)閉壓力時(shí)，閥門無動(dòng)作，可繼續(xù)適當(dāng)緩慢降低壓力數(shù)秒，若閥門還無動(dòng)作，認(rèn)為此關(guān)斷閥存在故障，記錄測試結(jié)果，等待后續(xù)處理。

4 關(guān)斷閥測試數(shù)據(jù)分析

儀表人員對(duì)現(xiàn)場53個(gè)關(guān)斷閥測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)最小關(guān)閉壓力分布在0.21 MPa居多，具體分布如圖9所示。因此測試過程中，當(dāng)氣缸壓力降到0.3 MPa時(shí)，應(yīng)緩慢釋放氣量，避免閥門動(dòng)作過大；當(dāng)氣缸內(nèi)的壓力降至0.21 MPa時(shí)，閥門無動(dòng)作，可繼續(xù)適當(dāng)緩慢降低壓力數(shù)秒，若閥門還無動(dòng)作，認(rèn)為此關(guān)斷閥存在故障，記錄測試結(jié)果，等待后續(xù)處理。

圖9 關(guān)斷閥最小關(guān)閉壓力統(tǒng)計(jì)圖

測試共發(fā)現(xiàn)關(guān)斷閥問題7處，統(tǒng)計(jì)分析如圖10所示。這些問題的提前發(fā)現(xiàn)為后續(xù)的隱患治理工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。關(guān)斷閥在線小角度測試，在一定程度上減少閥門卡滯等情況的發(fā)生，同時(shí)為今后的預(yù)防性維護(hù)指明了方向。

圖10 閥門測試隱患統(tǒng)計(jì)分析圖

5 結(jié)語

關(guān)斷閥在線小角度功能測試操作方便、簡捷、安全可靠。在實(shí)施過程中，通過JSA的縝密分析和各專業(yè)的密切配合，未出現(xiàn)影響生產(chǎn)流程的現(xiàn)象，此測試方法已經(jīng)在油田內(nèi)四個(gè)平臺(tái)推廣使用，也可以為其他油田的類似問題處理提供可參考的經(jīng)驗(yàn)。