謝麗媛,任 聰,張 雄
(1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道南寧輸油氣分公司,廣西 南寧 530000;2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司 昆明維搶修分公司,云南 昆明 650000)
中緬、廣南天然氣場(chǎng)站的基本功能有過濾分離、調(diào)壓計(jì)量、正反輸?shù)?。站?chǎng)中的調(diào)壓設(shè)備由安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓閥、工作調(diào)壓閥以及壓力表、壓力變送器、管路附件等附屬設(shè)備設(shè)施組成。通常情況下以安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓閥、工作調(diào)壓閥或安全切斷閥、安全切斷閥、工作調(diào)壓閥構(gòu)成三級(jí)調(diào)壓裝置,安全切斷閥和監(jiān)控調(diào)壓閥為常開狀態(tài),以下游壓力為取壓信號(hào)對(duì)工作調(diào)壓閥進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),當(dāng)工作調(diào)壓閥出現(xiàn)故障時(shí),由監(jiān)控調(diào)壓閥進(jìn)行二級(jí)調(diào)節(jié)。同理,當(dāng)下游壓力已超過監(jiān)控調(diào)節(jié)閥控制范圍時(shí),監(jiān)控調(diào)節(jié)閥二級(jí)調(diào)節(jié)已失效,由安全切斷閥進(jìn)行一級(jí)調(diào)節(jié)。當(dāng)下游壓力超過了安全切斷閥的設(shè)定壓力時(shí),安全切斷閥自動(dòng)切斷,停止分輸,保護(hù)下游設(shè)備和管線的安全,其可靠性對(duì)站場(chǎng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行具有重大意義。
目前中緬、廣南天然氣站場(chǎng)使用安全切斷閥、安全切斷閥、工作調(diào)壓閥模式對(duì)流量、壓力進(jìn)行切斷或調(diào)節(jié)。安全切斷閥在接收到控制單元的信號(hào)后,對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出全開或全關(guān)命令,完成切斷或復(fù)位動(dòng)作。工作調(diào)壓閥則是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)使閥門開度在0~100%范圍內(nèi)進(jìn)行改變,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力和流量的調(diào)節(jié)。國(guó)內(nèi)外目前對(duì)Mokveld閥門的深入研究較少。楊永勝[1],王陳讓[2]通過研究mokveld閥門的使用特性,提出了站場(chǎng)中該類閥門的常見故障及處理辦法。韓治廣[3]提出了中腔帶壓情況和沖蝕問題的處理辦法。筆者通過詳細(xì)分析Mokveld軸流式調(diào)節(jié)閥和安全切斷閥的結(jié)構(gòu)和工作原理,分析中緬天然氣站場(chǎng)中Mokveld調(diào)節(jié)閥和安全切斷閥的常見故障、相應(yīng)原因及處理辦法。
Mokvled(如圖1所示)工作調(diào)壓閥由閥體、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、壓力泄放口、呼吸口、壓力變送器等附屬設(shè)備組成。當(dāng)Mokveld工作調(diào)壓閥接受到下游壓變信號(hào)后,對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)閥門動(dòng)作。圖2、3是閥體剖面圖,狀態(tài)分別為全關(guān)位和全開位。閥體由殼體、水平閥桿、垂直閥桿、籠套、活塞構(gòu)成。殼體為鑄造體,由殼內(nèi)體和殼外體組成,在殼內(nèi)、外體之間形成一對(duì)稱流道,避免造成紊流或局部高速流。籠套是Mokveld工作調(diào)壓閥的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),選用三層壁面,孔洞壁面上按規(guī)律進(jìn)行排列,壁面也按一定規(guī)律進(jìn)行組合。閥桿與活塞桿形成90°角式傳動(dòng)機(jī)構(gòu),活塞在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下沿導(dǎo)軌在閥門軸向中心線上前后運(yùn)動(dòng)?;钊麠U與閥桿通過齒形角為45°的斜齒齒條進(jìn)行嚙合(如圖4所示),當(dāng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)閥桿上下運(yùn)動(dòng)時(shí),閥桿帶動(dòng)活塞桿及活塞沿軸向前后運(yùn)動(dòng)。為保持活塞內(nèi)、外部壓力平衡,避免活塞受到軸向壓力的影響,在活塞端面上均勻分布了若干孔洞。
圖1 Mokveld軸向調(diào)壓閥結(jié)構(gòu) 圖2 閥體剖面圖(全關(guān)位)
圖3 閥體剖面圖(全開位) 圖4 斜齒齒條
Mokveld工作調(diào)壓閥是軸流式控制閥,氣流通過籠套進(jìn)入孔洞,在活塞邊緣和孔洞處產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng),從而使籠套內(nèi)氣體流速加快,因此籠套的材質(zhì)應(yīng)該具備極強(qiáng)的抗腐蝕性。
閥桿和活塞呈現(xiàn)為正交狀態(tài),閥桿通過斜齒齒條帶動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng),在導(dǎo)軌的引導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)活塞前后運(yùn)動(dòng)。開閥原理為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)垂直閥桿向上運(yùn)動(dòng),在斜齒齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下活塞向前運(yùn)動(dòng)打開閥門。反之則關(guān)閉閥門。
Mokveld采用軸向?qū)ΨQ流道,從結(jié)構(gòu)上避免了間接流、局部高速流和噴射流,防止流向發(fā)生不必要的改變,極大提高了橫截面積的流量,同時(shí)對(duì)降低噪聲和紊流效果明顯。
密封系統(tǒng)由兩個(gè)密封環(huán)構(gòu)成,通過彈簧進(jìn)行預(yù)緊,這種采用自緊式壓力設(shè)計(jì)的方法使得閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí),在上游流體壓力下密封圈被壓緊,實(shí)現(xiàn)零泄露。
孔洞在活塞端面上均勻分布,使得活塞左右處于平衡狀態(tài),左右運(yùn)動(dòng)時(shí)不受軸向壓力的影響,因此當(dāng)閥門啟閉時(shí)使用扭矩較小的執(zhí)行結(jié)構(gòu)就能達(dá)到開啟/關(guān)閉的目的。
在使用過程中,閥門密封面損傷或者有雜質(zhì)或者高壓密封組件輕微損壞可能會(huì)造成內(nèi)漏。這種情況下連續(xù)啟閉閥門若干次,讓流體對(duì)密封面進(jìn)行吹掃,待密封面清潔后,再恢復(fù)正常工作;若依然存在內(nèi)漏,則對(duì)閥門進(jìn)行拆卸,檢查雜質(zhì)是否附著在密封面處,如有及時(shí)清潔雜質(zhì);否則,可能是密封圈已損壞,需更換密封圈。如果閥門仍嚴(yán)重內(nèi)漏,則需考慮閥門已損壞。
給定閥門信號(hào)后無(wú)動(dòng)作,這種情況原因比較多。首先判斷是否由于閥門兩側(cè)壓差過大,難以開啟;執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制部分(電機(jī))出現(xiàn)故障,這種情況可能是電機(jī)功率過小或電機(jī)過載,需要及時(shí)更換電機(jī);執(zhí)行機(jī)構(gòu)顯示扭矩過大,需利用Rotork手操器對(duì)原扭矩進(jìn)行調(diào)整;執(zhí)行器活塞或閥門活塞被卡住、閥門生銹或者閥桿有雜質(zhì)等,需要將閥門從管線上拆下來進(jìn)行內(nèi)部檢查、除銹清洗。拆卸后觀察水平閥桿與垂直閥桿是否脫落,使垂直閥桿進(jìn)行上下移動(dòng)時(shí)無(wú)法帶動(dòng)水平閥桿左右移動(dòng),無(wú)法開啟閥門。
管道內(nèi)有撞擊聲響,且泄放口處有天然氣泄漏現(xiàn)象,這種情況可能是管道內(nèi)出現(xiàn)大顆粒固體雜質(zhì)。處理方法是將閥門拆解,檢查閥體內(nèi)部和下游管道內(nèi)是否存在大顆粒固體雜質(zhì)。
當(dāng)流通能力顯著下降時(shí)首先檢查閥門開度,排除執(zhí)行機(jī)構(gòu)的問題后,對(duì)閥門進(jìn)行拆解,可能是由于籠套上節(jié)流孔洞堵塞,此時(shí)需要及時(shí)清除節(jié)流孔洞上堵塞的雜質(zhì)。
中緬天然氣管道某輸氣站場(chǎng)值班人員在日常巡檢過程中發(fā)現(xiàn)Mokveld調(diào)壓閥壓力泄放口處存在天然氣泄漏,拆卸后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)向套筒與閥體之間的密封圈上有劃痕,已發(fā)生變形,如圖5所示。
壓力泄放口處檢測(cè)發(fā)現(xiàn)天然氣泄漏說明高壓密封組件出現(xiàn)損傷或者長(zhǎng)期使用已老化,導(dǎo)致高壓天然氣從密封處泄露進(jìn)入閥腔,再?gòu)膲毫π狗趴谝萆⒌酵饨缈諝狻?/p>
圖5 密封圈變形
經(jīng)過分析可能有以下三種情況:
(1) 長(zhǎng)期高頻開關(guān)或者天然氣中未被過濾的固體顆粒、夾渣等雜質(zhì)導(dǎo)致導(dǎo)向套筒與活塞連桿的動(dòng)密封(圖6中件5和件18)被磨損。
(2) 天然氣中的未被過濾的固體顆粒、夾渣等雜質(zhì)沖刷導(dǎo)致閥內(nèi)體與活塞連桿處、導(dǎo)向套筒之間的靜密封(圖6中件7和件13)損壞[2]。
(3) 調(diào)節(jié)閥長(zhǎng)期使用或設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)不良導(dǎo)致高壓密封組件老化,從而無(wú)法起到密封作用。
圖6 高壓密封組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1.活塞連桿導(dǎo)向套筒 2.活塞連桿 3.錐形螺蓋 4.泛塞密封圈7 5.泛塞密封圈4 6.泛塞密封圈1 7.泛塞密封圈6 8.泛塞密封圈8 9.泛塞密封圈9 10.閥桿襯套蓋 11.閥桿 12.閥體13.泛塞密封圈5 14.泛塞密封圈2 15.籠套 16.閥座 17.活塞 18.泛塞密封圈3 19.HPD-密封(聚四氯乙烯) 20.密封圈(聚四氯乙烯)
(1) 應(yīng)急處理方法是打開壓力泄放閥上的鉛封,將螺釘向里擰,使壓力泄放口關(guān)閉,暫時(shí)阻止天然氣泄漏。
(2) 當(dāng)閥腔帶壓后,壓力會(huì)在閥腔內(nèi)部持續(xù)上升,此時(shí)需要關(guān)注Rotork電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的扭矩值。原因在于在壓力作用下,關(guān)閥力矩增大,開閥力矩減小,當(dāng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)顯示扭矩值即將超過許用值時(shí),可緊急打開壓力泄放口進(jìn)行泄放,但此種方法不能作為長(zhǎng)期處理辦法。
(3) 閥腔帶壓后,繼續(xù)按照原壓力和使用頻次可能會(huì)導(dǎo)致閥桿密封組件損壞,造成閥腔內(nèi)的高壓天然氣通過垂直閥桿處擴(kuò)散至大氣中,造成天然氣泄漏,遇到明火發(fā)生爆炸。閥腔內(nèi)長(zhǎng)期帶壓運(yùn)行還可能導(dǎo)致閥桿-齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)損壞、執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障等問題,從而造成更嚴(yán)重的損失,因此需要盡快更換密封組件及已損壞的構(gòu)件。
中緬天然氣站場(chǎng)某輸氣站Mokveld工作調(diào)節(jié)閥遠(yuǎn)程電動(dòng)關(guān)閥時(shí),電動(dòng)頭顯示關(guān)到30%時(shí)無(wú)法繼續(xù)關(guān)閥,站內(nèi)值班人員立即就地手動(dòng)操作繼續(xù)關(guān)閥,出現(xiàn)卡澀,電動(dòng)頭處顯示Stopped Torque Trip CL,繼續(xù)關(guān)閥時(shí)力矩跳斷。對(duì)閥門進(jìn)行拆解后發(fā)現(xiàn)閥腔內(nèi)存在大量粉塵、鐵絲及鐵屑、焊渣等雜質(zhì),活塞外壁、孔洞有劃痕,內(nèi)部籠套有微小裂紋,閥腔壁面有微小沖蝕坑(見圖7)。該閥門籠套可繼續(xù)使用,但若不清潔閥腔,鐵絲、焊渣等雜質(zhì)繼續(xù)堵塞孔洞,磨損籠套,可能會(huì)造成閥體持續(xù)沖刷,甚至閥體被沖蝕開裂。
圖7 閥門拆解情況
5.2.1 閥門開度影響
輸氣站內(nèi)Mokveld工作調(diào)壓閥作分輸使用時(shí),閥門開度會(huì)根據(jù)天然氣壓力在一定范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)。中緬天然氣站場(chǎng)的常見開度為30%~50%。有研究表明,在此開度下的籠套經(jīng)過介質(zhì)的長(zhǎng)期高速?zèng)_刷后會(huì)形成裂紋,從而在閥體內(nèi)壁面形成沖蝕坑[3]。
5.2.2 雜質(zhì)影響
Mokveld工作調(diào)壓閥適用于流體介質(zhì)清潔的場(chǎng)所,當(dāng)組合式過濾分離器未能有效進(jìn)行過濾分離,高速的天然氣將泥沙、焊渣、雜質(zhì)等大顆粒固體雜質(zhì)攜帶通過調(diào)節(jié)閥時(shí),堵塞籠套孔洞,對(duì)籠套及閥體內(nèi)壁產(chǎn)生磨損及高速?zèng)_刷,從而形成沖蝕坑。
5.2.3 流速影響
Mokveld軸流式調(diào)節(jié)閥在天然氣站場(chǎng)中主要用于對(duì)管線內(nèi)壓力和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。從流體力學(xué)角度進(jìn)行分析,天然氣流經(jīng)孔洞時(shí),會(huì)發(fā)生節(jié)流效應(yīng),此時(shí)流體壓力下降,流速增加,在孔洞處形成高速噴射氣流,在該高速氣流中攜帶的固體顆粒、夾渣等雜質(zhì)會(huì)對(duì)閥體內(nèi)壁面造成沖蝕,形成沖蝕坑。
當(dāng)閥門某處不斷受到高速流的沖蝕后,對(duì)閥門本體造成嚴(yán)重?fù)p害,甚至?xí)斐商烊粴鈴臎_蝕口溢出,產(chǎn)生安全事故。天然氣站場(chǎng)中壓力和溫度受上下游站場(chǎng)的影響,一般不可調(diào)節(jié)。當(dāng)閥門受到輕微沖蝕時(shí),需要對(duì)組合式過濾分離器和旋風(fēng)分離器進(jìn)行檢查,觀察濾芯是否堵塞,必要時(shí)更換過濾器濾芯以獲得更大的清潔能力。若沖蝕嚴(yán)重,則需要對(duì)閥門本體進(jìn)行更換,此種處理辦法耗費(fèi)人力、物力更多。
Mokveld安全切斷閥由液壓傳動(dòng)部分和閥體組成,如圖8所示。液壓傳動(dòng)部分由動(dòng)力部分(手動(dòng)液壓泵)、執(zhí)行部分(執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓缸)、控制部分(主閥)、輔助部分(蓄能器、密封件、閥位指示器、連接管線)及工作介質(zhì)(液壓油)等部位組成,通過液壓油壓來傳遞動(dòng)力。安全切斷閥的閥體與調(diào)節(jié)閥基本一致,如圖1~4所示。
圖8 安全切斷閥結(jié)構(gòu)分析
6.2.1 故障情況
中緬天然氣管道某天然氣站場(chǎng)值班人員在值班過程中發(fā)現(xiàn)Mokveld安全切斷閥突然跳斷且無(wú)法恢復(fù)。現(xiàn)場(chǎng)壓力為4.6 MPa,未達(dá)到安全切斷閥切斷壓力的設(shè)定值6 MPa,觀察同一管線上的設(shè)備,其他設(shè)備無(wú)報(bào)警信息。現(xiàn)場(chǎng)緊急導(dǎo)通備用路后,首先對(duì)安全切斷閥上的兩路的電磁閥進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)電磁閥電壓不足,低于正常供電電壓24 V。對(duì)電磁閥進(jìn)行拆解后發(fā)現(xiàn),電磁閥油路密封圈已損壞,無(wú)法穩(wěn)壓,如圖9所示。
6.2.2 原因分析
如圖10所示。正常情況下,當(dāng)連續(xù)按壓手動(dòng)液壓泵操作桿時(shí),液壓系統(tǒng)中液壓油會(huì)進(jìn)入液壓缸下腔室,在液壓油壓的作用下,彈簧被壓縮,活塞桿帶動(dòng)閥桿向上移動(dòng),從而打開閥門。Mokveld安全切斷閥突然跳斷且無(wú)法恢復(fù)原因可能是電磁閥故障掉電,造成液壓?jiǎn)卧呐月繁淮蜷_,使得液壓油壓力被釋放,彈簧復(fù)位,閥門關(guān)閉。還有可能是液壓油乳化變質(zhì)導(dǎo)致承壓不足,連續(xù)按壓手動(dòng)液壓泵無(wú)法對(duì)變質(zhì)的液壓油進(jìn)行繼續(xù)加壓,彈簧無(wú)法壓縮,使閥門保持關(guān)閉狀態(tài),此處需要對(duì)變質(zhì)的液壓油進(jìn)行全部更換。
圖9 電磁閥拆解
圖10 工作原理1.電磁閥 2.手動(dòng)式液壓泵操作桿 3.彈簧 4.液壓缸下閥腔 5.閥體
6.2.3 危害處理分析
(1) 緊急切換導(dǎo)通備用流程,恢復(fù)天然氣供應(yīng),防止下游壓力過低,產(chǎn)生不平穩(wěn)供氣。
(2) Mokveld安全切斷閥長(zhǎng)期無(wú)法恢復(fù),當(dāng)備用流程故障,無(wú)法實(shí)現(xiàn)恢復(fù)供氣,造成嚴(yán)重?fù)p失,因此建議檢查電磁閥是否故障失電,若不是則可能是由于液壓油乳化變質(zhì)無(wú)法承壓,此時(shí)及時(shí)更換液壓油。需注意的是,更換液壓油時(shí)需保證液壓油在液壓系統(tǒng)中循環(huán)運(yùn)行,更換后無(wú)變質(zhì)液壓油和微小空氣包。
6.2.4 液壓油乳化變質(zhì)處理
Mokveld安全切斷閥,維修不便,價(jià)格昂貴的情況下,進(jìn)行自制工裝。如圖11中位置3所示。對(duì)液壓缸頂部快速接頭安裝一針形閥,便于控制液壓油在系統(tǒng)中循環(huán)運(yùn)行,排盡變質(zhì)液壓油。
如圖12所示,將液壓油管與液壓?jiǎn)卧撞康目焖俳宇^相連,另一端連接壓力表進(jìn)行觀察。對(duì)Mokveld閥門逐級(jí)更換變質(zhì)液壓油,以圖11中位置點(diǎn)1-2-3的順序進(jìn)行。先松開液壓?jiǎn)卧喜康膬?nèi)六角絲堵,手動(dòng)按壓液壓泵,將干凈的液壓油注入液壓系統(tǒng),變質(zhì)的液壓油在絲堵處排出。待液壓?jiǎn)卧幾冑|(zhì)液壓油排盡后,依次對(duì)蓄能器、液壓缸內(nèi)的變質(zhì)液壓油進(jìn)行更換。直至液壓?jiǎn)卧?、蓄能器處和針形閥處均沒有任何殘存空氣或者泡沫時(shí),才可上緊絲堵或擰緊針形閥。
重復(fù)三次上述過程,直至液壓系統(tǒng)內(nèi)部不再存有空氣或者變質(zhì)液壓油。隨后上電開閥。操作后需要檢查是否有漏氣、漏油以及閥門開關(guān)狀態(tài)。
圖11 排液順序 圖12 排液
文中對(duì)Mokveld軸流式調(diào)節(jié)閥的設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行詳細(xì)分析,研究了常見故障及相應(yīng)處理措施,得出以下結(jié)論。
(1) Mokveld軸流式調(diào)壓閥的常見故障有閥門輕微內(nèi)漏、無(wú)動(dòng)作、管道內(nèi)有撞擊聲響,且天然氣從壓力泄放口逸出、流體流通能力顯著下降等,建議對(duì)該處進(jìn)行加密巡檢。
(2) Mokveld安全切斷閥無(wú)法關(guān)斷問題有兩種原因,一種是液壓油乳化變質(zhì)導(dǎo)致無(wú)法承壓,造成閥門關(guān)斷無(wú)法恢復(fù),因此需要定期檢查液壓油質(zhì)量,未發(fā)生乳化變質(zhì)的情況下建議每年進(jìn)行一次液壓油更換。還有一種是電磁閥故障失電,液壓油不能穩(wěn)壓,導(dǎo)致閥門無(wú)法復(fù)位,建議定期對(duì)電磁閥電壓進(jìn)行檢測(cè)。
(3) 沖擊問題和閥腔帶壓?jiǎn)栴}的原因在于組合式過濾分離器清潔能力弱,使流經(jīng)工作調(diào)節(jié)閥的天然氣中攜帶雜質(zhì),造成密封損壞,因此在巡檢過程中需要關(guān)注過濾器壓差變化情況,定期對(duì)濾芯進(jìn)行清洗,提高清潔能力。當(dāng)閥門出現(xiàn)開關(guān)卡澀或扭矩報(bào)警時(shí),可能是籠套孔眼被固體雜質(zhì)堵塞,此時(shí)若強(qiáng)制開關(guān)閥門,可能造成活塞、籠套出現(xiàn)被固體雜質(zhì)劃傷。
(4) 根據(jù)閥門服役情況,建議每年開展管道壁厚檢測(cè)時(shí),對(duì)閥腔內(nèi)部易受沖擊的部位進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè),分析比對(duì)。
(5) 后續(xù)研究可以對(duì)沖擊問題進(jìn)行有限元模擬分析,根據(jù)影響因素得出最優(yōu)解,從而可開展壽命分析。