西氣東輸管道在用球閥內(nèi)漏治理研究

張兵強(qiáng)

中石油管道有限責(zé)任公司西氣東輸分公司鄭州管理處, 河南 鄭州 450008

0 前言

雙活塞效應(yīng)(Double Piston Effect,DPE)球閥具有雙向截斷隔離功能[1-2],管道內(nèi)介質(zhì)壓力越高其密封力越大,其獨特的密封效果使其在天然氣管道輸送場站得到了廣泛應(yīng)用,目前西氣東輸站場有90%以上球閥均為DPE型球閥[3-4]。球閥在工藝管道中主要用于管道輸送介質(zhì)隔離、截斷,其密封性好壞直接影響設(shè)備檢修、流程切換以及事故處置,目前隨著西氣東輸一線、二線運行時間增加,此類球閥出現(xiàn)內(nèi)漏的數(shù)量日趨增加,嚴(yán)重影響了輸氣站場日常的運、維、檢作業(yè),因此通過研究DPE型球閥內(nèi)漏治理技術(shù),實現(xiàn)球閥能量隔離截斷功能,對天然氣輸送系統(tǒng)安全、平穩(wěn)、高效運行有重要意義。

1 DPE型球閥工作原理及其作用

DPE[5-7]型球閥在關(guān)閉狀態(tài)下可以截斷管道上下游任意方向單一壓力源的壓力,并且在軟密封無損傷情況下,壓力越高閥座壓緊球面的密封力越大,因此在天然氣輸氣領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,球閥上下游任意方向的壓力連同腔體里截留的介質(zhì)壓力共同將閥座推向球體,從而實現(xiàn)雙向截斷作用。這種效應(yīng)被稱為“雙活塞效應(yīng)”,其工作原理見圖1～2。

圖1 p管線>p閥腔時DPE型球閥閥座密封示意圖

圖2 p管線

圖注:FF為閥座彈簧作用力,N;FR為閥座受到的彈簧作用力和介質(zhì)作用力之和,N;FΔA為閥座受到管線(閥腔)內(nèi)介質(zhì)的有效作用力,N;Aa為閥體側(cè)閥座受介質(zhì)作用面積,m2;Ai為球體側(cè)閥座受介質(zhì)作用面積,m2;ΔA為閥座受兩側(cè)介質(zhì)作用面積之差，m2。

球閥在工藝流程中只能處于常開或常關(guān)狀態(tài),因此對于常開球閥是否內(nèi)漏都不影響其正常使用,但不能用于隔離截斷維檢修或者工藝調(diào)整,因此這些內(nèi)漏球閥在被用于隔離截斷維檢修或工藝調(diào)整時,必須對其進(jìn)行可靠的內(nèi)漏治理或者更換新球閥才能保證維檢修作業(yè)安全開展。

從DPE型球閥閥座受力分析可知,不論什么情況,閥座受力作用方向均為壓緊球面方向的作用力,因此管道內(nèi)介質(zhì)壓力越高,該類型球閥密封效果越好,故廣泛應(yīng)用于天然氣輸送工藝。

2 球閥內(nèi)漏原因分析

球閥內(nèi)漏[7-12]多數(shù)都是由于施工過程中監(jiān)管、養(yǎng)護(hù)不到位或者后期運行過程中維護(hù)不當(dāng)所致,據(jù)統(tǒng)計,因施工過程中監(jiān)管、養(yǎng)護(hù)不到位導(dǎo)致的球閥內(nèi)漏占80%以上,且多數(shù)情況都是由管道內(nèi)的硬顆粒雜質(zhì)對球面或者軟密封的機(jī)械損傷,這類損傷為永久性損傷,在線狀態(tài)下無法徹底修復(fù)。

2.1 閥座失效

球閥在長期使用過程中,介質(zhì)中的水和酸性氣體相互作用,導(dǎo)致閥座彈簧銹蝕,卡澀無法回彈,致使閥座失效。由閥座失效引起的內(nèi)漏,內(nèi)漏量巨大,球閥幾乎完全失效。關(guān)閉球閥,從閥腔排空時從壓力表不能檢測到閥腔壓力降低。

2.2 球面或軟密封墊粘

球閥在運行過程中,特別是長期不動作的球閥,可能在球面或閥座軟密封上墊粘有雜質(zhì)、燥化的脂類或者銹蝕,由于此類原因引起的球閥內(nèi)漏,通常在閥腔排空時,閥腔壓力表可以檢測到壓力有降低,這種情況的內(nèi)漏通常可以通過在線維護(hù)徹底消除故障,因此通常稱為假內(nèi)漏(假漏)。

2.3 球面或軟密封劃傷

球閥在運輸、安裝、工藝管線吹掃試壓過程中,由于工作人員操作不當(dāng),養(yǎng)護(hù)不到位,管線內(nèi)的焊渣、沙土等硬顆粒雜物可以造成球面或者閥座軟密封面永久性劃傷。該原因引起的內(nèi)漏通常在閥腔排空時也能從壓力表示數(shù)看出閥腔有明顯壓降,最后會穩(wěn)定在某一示數(shù)。此類損傷現(xiàn)場無法根本解決,除非將球閥解體返廠維修,但是可以通過加注密封脂臨時實現(xiàn)球閥的截斷隔離功能,降低返廠維修成本。

2.4 閥位設(shè)置不當(dāng)

球閥限位螺栓調(diào)整不當(dāng)、運行過程中限位螺栓松動或電動球閥電子限位設(shè)置錯誤導(dǎo)致球閥關(guān)閉不到位,也可導(dǎo)致球閥內(nèi)漏,此種內(nèi)漏可以通過重新設(shè)置機(jī)械限位或電子限位,徹底消除內(nèi)漏故障。

3 球閥內(nèi)漏治理研究

3.1 球閥內(nèi)漏治理原理

球閥通常每側(cè)閥座至少有1個注脂嘴,通過注脂通道和密封面連通,主要用于日常加注潤滑脂維護(hù),當(dāng)球閥存在內(nèi)漏時,也可以用于加注5050型專用密封脂進(jìn)行堵漏密封。

球閥內(nèi)漏治理主要基于流體動力學(xué)“堰塞流”原理[13-18],即在閥腔和管道壓力差作用下,密封脂在流動過程中,帶動不同大小聚四氟乙烯顆粒(微米級),向泄漏處聚集,并且壓差越大流動速度越快。當(dāng)某一時刻聚四氟乙烯顆粒聚集量足以堵住劃痕時,內(nèi)漏故障即可臨時性消除。即在球閥關(guān)閉狀態(tài)下,球閥可以實現(xiàn)絕對的截斷隔離功能,為維檢修提供可靠的隔離保障,其中密封脂堵漏原理見圖3～4。

圖3 球閥注脂嘴結(jié)構(gòu)及注脂通道示意圖

從球閥堵漏原理圖上可以看出,密封脂中聚四氟乙烯顆粒是治理內(nèi)漏球閥的關(guān)鍵,如果密封脂內(nèi)不添加聚四氟乙烯顆粒,堵漏效果將明顯降低,甚至起不到堵漏作用。

a)密封脂顆粒集聚初期

b)密封脂顆粒集聚過程

c)密封脂顆粒集聚堵漏完成

3.2 球閥內(nèi)漏治理流程

通過分析球閥內(nèi)漏原理并結(jié)合西氣東輸歷年內(nèi)漏球閥治理經(jīng)驗可知,內(nèi)漏球閥治理通常需要經(jīng)過球閥限位設(shè)置確認(rèn)、閥座完好性判斷、內(nèi)漏原因判斷、注密封脂治理、內(nèi)漏故障消除等。通常球閥球面密封寬度大約在2～5 cm環(huán)形面上,即可以通過微調(diào)球閥限位,改變閥座軟密封和球面相對位置,將球面非貫穿性劃傷避開,達(dá)到消除內(nèi)漏故障目的,該方法通常和注密封脂配合使用能取得更好的治理效果,球閥內(nèi)漏檢測及治理標(biāo)準(zhǔn)流程見圖5。

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.3.1 總體應(yīng)用情況

2016至2018年中石油管道有限責(zé)任公司西氣東輸管道分公司按照上述內(nèi)漏治理流程對所轄100多座場站99臺直徑DN 500以上內(nèi)漏球閥進(jìn)行了內(nèi)漏治理,在關(guān)閉狀態(tài)下有95臺內(nèi)漏球閥通過注清洗液浸泡,加注密封脂后,內(nèi)漏故障消除,滿足現(xiàn)場截斷隔離要求,內(nèi)漏處置完成率達(dá)95.9%,統(tǒng)計數(shù)據(jù)柱狀圖見圖6。

3.3.2 現(xiàn)場處置過程

2018年西氣東輸二線A閥室和B閥室之間內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)管道本體存在長達(dá)10 m缺陷,急需換管維修消除隱患,換管前需要截斷A、B閥室,并確保1101#隔離截斷球閥不內(nèi)漏。在對A閥室干線1101#球閥(DN 1200)內(nèi)漏檢測時發(fā)現(xiàn)該閥內(nèi)漏嚴(yán)重,不能作為換管動火隔離截斷球閥,需要進(jìn)行維修處置,現(xiàn)場準(zhǔn)備注脂泵、注脂槍、EQ-80潤滑脂、5050密封脂、電子壓力表等。

作業(yè)前對球閥閥腔進(jìn)行排污,無液體排出,將預(yù)先準(zhǔn)備的電子壓力表安裝在閥腔排污接口,然后打開閥腔放空閥對閥腔進(jìn)行放空,經(jīng)測試約15 min內(nèi)閥腔壓力從最高7.9 MPa降低至5.5 MPa,并且繼續(xù)測試5 min,閥腔壓力不再降低,壓降趨勢見圖7。

從1101#閥腔壓力變化趨勢可以判斷,該球閥閥座完好,可能存在球面或者軟密封劃傷,或者密封面墊粘情況。為了降低維修期間對西氣東輸二線輸氣影響,計劃將注清洗液浸泡時間控制在24 h以內(nèi),根據(jù)《球閥注脂操作作業(yè)規(guī)程》要求對應(yīng)每25 mm(1英寸)口徑加注0.028 kg(1盎司)清洗液的標(biāo)準(zhǔn)[19],球閥關(guān)閉狀態(tài)下,在兩側(cè)閥座各注清洗液約1.344 kg(48盎司),然后靜置浸泡23 h,然后再次對閥腔放空測試,確認(rèn)閥腔壓降速率和清洗前無明顯變化,兩次測試閥腔壓力對比變化趨勢見圖8。

從注清洗液浸泡前后閥腔壓降速率測試結(jié)果可以判斷該球閥內(nèi)漏原因不屬于密封面墊粘,確認(rèn)是球面劃傷或者軟密封損傷。

圖5 球閥內(nèi)漏檢測及治理標(biāo)準(zhǔn)流程圖

圖6 西氣東輸99臺大口徑內(nèi)漏球閥現(xiàn)場治理效果柱狀圖

圖7 A閥室1101#球閥閥腔放空壓力變化趨勢圖

圖8 A閥室1101#球閥注清洗液清洗前后閥腔放空壓力變化趨勢圖

確認(rèn)球閥內(nèi)漏原因后,按照球閥內(nèi)漏治理流程對該球閥加注專用密封脂進(jìn)行堵漏作業(yè),首先在該球閥上游側(cè)2個注脂嘴各注約1.344 kg 5050密封脂,通過放空閥腔增大差壓,提高密封脂在脂道的流動性,然后測試球閥內(nèi)漏情況,最終閥腔壓力穩(wěn)定在0.021 MPa,壓力變化趨勢見圖9。從注密封脂后閥腔壓力變化趨勢進(jìn)一步證明該球閥上游側(cè)球面或閥座軟密封劃傷較為嚴(yán)重。

圖9 A閥室1101#球閥注密封脂后閥腔放空壓力變化趨勢圖

接著在該球閥下游側(cè)2個注脂嘴各注約1.344 kg 5050密封脂,并在注脂過程中持續(xù)對閥腔進(jìn)行放空,經(jīng)約10 min放空后,閥腔壓力降低至0 MPa,內(nèi)漏故障消除。觀察4 h,并在放空口用可燃?xì)怏w檢測儀測試,未見閥腔有氣體排出,符合隔離截斷閥門要求。安排人員 24 h 持續(xù)觀察,整個換管動火作業(yè)期間,未檢測到該球閥內(nèi)漏發(fā)生,為本次換管應(yīng)急搶修提供了可靠的隔離保障,也降低了天然氣放空量和放空風(fēng)險。

4 結(jié)論

通過對球閥閥座密封原理及球閥內(nèi)漏原因的分析研究,以及現(xiàn)場實驗驗證可以得出以下結(jié)論:

1)提出了一種球閥內(nèi)漏治理標(biāo)準(zhǔn)流程,經(jīng)現(xiàn)場測試驗證,該方法效果明顯,切實可行。

2)通過加注密封脂進(jìn)行內(nèi)漏治理,多數(shù)存在內(nèi)漏故障球閥也可以實現(xiàn)截斷隔離功能,可以降低大口徑球閥更換成本,為天然氣行業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場維搶修作業(yè)提供保障。

3)通過在5050密封脂中添加適當(dāng)比例的EQ-80潤滑脂,或者在注脂過程中不斷排空閥腔壓力建立差壓,均可以提高密封脂在脂道中的流動性,增強(qiáng)堵漏效果。

4)內(nèi)漏球閥在用作隔離閥門結(jié)束后,應(yīng)通過注EQ-80潤滑脂將球閥脂道及密封處的密封脂替換掉,防止密封脂在脂道和密封面燥化,加劇球閥內(nèi)漏或堵塞注脂通道。