調壓裝置安全切斷閥性能測試及故障分析

（中石油管道有限責任公司西氣東輸分公司，上海 200122）

0 引言

中石油提出到“十三五”末實現(xiàn)油氣管道關鍵設備全面國產(chǎn)化的目標［1-2］，這是因為推進油氣管道裝備國產(chǎn)化具有保障國家能源安全的重要戰(zhàn)略意義，同時對提高管道行業(yè)經(jīng)濟效益、促進民族工業(yè)的發(fā)展及增強國家綜合實力具有重要的現(xiàn)實意義。然而，油氣管道關鍵設備完成國產(chǎn)化投產(chǎn)后，其使用效果是檢驗國產(chǎn)化質量的一個重要的考核指標。

調壓裝置關鍵閥門出廠時各項性能測試雖然均合格，然而對于運行一段時間后的閥門性能的變化則是必須關注的一個重大問題。因此，為了對國產(chǎn)化調壓裝置關鍵閥門的質量情況進行跟蹤，了解其應用情況、使用效果等，則有必要對投產(chǎn)運行后的國產(chǎn)化調壓裝置關鍵閥門進行測試分析，通過與國外同類產(chǎn)品進行對比測試，找出國產(chǎn)化設備與典型國外同類設備在性能上的差距。同時，收集國產(chǎn)化設備和國外同類設備的失效數(shù)據(jù)，為國產(chǎn)化調壓裝置關鍵閥門的運行維護及產(chǎn)品優(yōu)化升級提供重要的數(shù)據(jù)支撐。本文以安全切斷閥為例，通過對國內外4家制造商生產(chǎn)的閥門進行對比測試，分析其性能上的差距，并對測試過程中出現(xiàn)的故障原因進行分析。

1 現(xiàn)場性能測試方案

1.1 測試前現(xiàn)場調研

目前國產(chǎn)化調壓裝置安全切斷閥主要分布在昆山（DN250）、樟木頭（DN300）及中衛(wèi)（DN400）等3個站場。為了在盡可能相近的工況下對國內外閥門進行測試對比分析，國外同規(guī)格的調壓閥門應分布在以上3個站場（若有國外閥門，如中衛(wèi)站）或相近的上下游站場。最終確定了昆山、白鶴、芙蓉、樟木頭、求雨嶺、中衛(wèi)等6個測試站場。實地調研了每一個測試站場調壓裝置閥門的運行狀況，具體包括：上游壓力來源、下游用戶性質、上下游正常運行的壓力范圍、備用管路情況等。本次測試選取的安全切斷閥分布站場、閥位號、制造商及相應的規(guī)格匯總見表1。

1.2 安全切斷閥現(xiàn)場測試方案

通過實地調研了解的信息，并依據(jù)相關閥門產(chǎn)品及技術標準（EN 14382、ISO 5208、IEC 60534等）［3-13］，最終制定現(xiàn)場測試大綱及性能評價指標。本次現(xiàn)場測試的調壓裝置工藝流程如圖1所示（中衛(wèi)站采用的是雙安全切斷閥+工作調壓閥的組合模式）。

圖1 調壓裝置工藝流程

具體測試步驟如下：

（1）由站場技術人員操作，根據(jù)現(xiàn)有分輸計劃，調整關閉作業(yè)路為停輸狀態(tài)。

（2）隔離及切斷：由站場技術人員操作，關閉并現(xiàn)場確認入口球閥、出口球閥處于關閉狀態(tài)。

（3）確認電動工作調壓閥為關閉狀態(tài)，并現(xiàn)場鎖定為STOP狀態(tài)。

（4）操作放空閥門，將管道內壓力降至測試需要的數(shù)值（依各站場實際情況而定）。

（5）緩慢開啟上游入口球閥及電動工作調壓閥，通過調節(jié)監(jiān)控調壓閥指揮器，使得下游管道壓力升至測試設定值附近，然后調節(jié)安全切斷閥指揮器使其切斷，記錄此時管道下游壓力作為安全切斷閥的切斷壓力測試值。

（6）調節(jié)監(jiān)控調壓閥指揮器，降低下游壓力設定值，不致引起安全切斷閥在復位過程中發(fā)生切斷。然后緩慢開啟放空閥，降低下游管道壓力使安全切斷閥能夠復位時關閉放空閥，記錄此時下游管道壓力值為復位壓力。

（7）緩慢開啟放空閥，使下游管道壓力降至測試需要值時關閉放空閥，然后通過調節(jié)監(jiān)控調壓閥指揮器，使下游管道壓力緩慢上升，直至安全切斷閥切斷，記錄此時下游管道壓力值為切斷壓力測試值，并記錄超壓切斷響應時間。

（8）重復4次步驟（6）和（7），加上步驟（5）中記錄的一次切斷，共計六次切斷測試，記錄六次切斷壓力測試值，并在后5次測試中選3次進行快速切斷記錄響應時間。切斷壓力設定值取6次切斷壓力實測值的平均值，響應時間取3次快速切斷時響應時間實測值的平均值。

（9）在第6次切斷測試后，緩慢打開放空閥，使下游管道壓力降低（保持切斷閥上下游壓力差值約2 MPa），關閉放空閥，待下游壓力穩(wěn)定后開始計時，記錄2次下游壓力，時間間隔為5min，測試安全切斷閥的內泄漏量。

（10）依次設定另外2組安全切斷閥切斷壓力，重復步驟（5）～（9）。

中衛(wèi)站由于沒有監(jiān)控調壓閥，因此其測試超壓切斷的方案稍作改動：調整上游旁通球閥和下游工作調壓閥的開度來實現(xiàn)安全切斷閥的超壓切斷。

2 測試結果及故障模式分析

2.1 現(xiàn)場測試結果及性能對比分析

按1.2中的測試方案對表1中選取的各站場安全切斷閥進行性能測試，詳細記錄現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，按標準EN 14382的要求對超壓切斷壓力精度、響應時間、復位壓差等性能評價指標進行處理分析，閥門的內泄漏量根據(jù)閥門下游管容、兩次測量閥門下游壓力的增加量及間隔時間，按理想氣體狀態(tài)方程折算到標準狀況下的數(shù)值。最后按規(guī)格對測試數(shù)據(jù)進行匯總見表2～4。

表2 DN250安全切斷閥測試數(shù)據(jù)

表3 DN300安全切斷閥測試數(shù)據(jù)

表4 DN400安全切斷閥測試數(shù)據(jù)

超壓切斷壓力精度和響應時間作為安全切斷閥最為重要的兩個性能評價指標，從表2～4中的測試結果可以看出，DN250/300/400國產(chǎn)化安全切斷閥和國外知名品牌產(chǎn)品的測試結果均滿足本次國產(chǎn)化調壓裝置關鍵閥門應用效果評價測試大綱的要求（以下簡稱測試大綱）；閥門的復位壓差及閥位反饋信號也均符合測試要求；然而，本次選取的6個測試站場共計4家國內外制造商的安全切斷閥超壓切斷后的內泄漏測試均超出測試大綱規(guī)定的泄漏等級（ISO 5208 A級（DN≤300）或IEC 60534-4 VI級（DN400））。綜合各測試站場性能評價指標的測試結果分析，國內外安全切斷閥性能接近、差距不大?？紤]到閥門均已投產(chǎn)使用一段時間，密封面受氣流沖刷及介質中含有異物粘附在密封面上，均導致閥門內密封性能呈明顯下降趨勢，而超壓切斷壓力精度、響應時間、復位壓差等關鍵性能均無明顯下降趨勢。

2.2 故障模式及原因分析

安全切斷閥測試過程中，出現(xiàn)以下故障：

（1）芙蓉站安全切斷閥（閥位號5202）進行超壓切斷性能測試時發(fā)生故障：切斷后閥門不能復位。隨后站場工作人員通過打開旁通閥將上下游管道內的介質壓力放空，依然不能復位。

故障原因分析：通過拆解切斷機構后，發(fā)現(xiàn)切斷機構內的彈簧回彈性變弱，導致掛鉤不能復位。

處理方法：對切斷機構內的彈簧稍作拉伸，使其保持一定的彈性，然后對切斷機構進行清洗潤滑，安裝好后再次進行檢驗（現(xiàn)場進行了2次切斷試驗，均未發(fā)生故障），故障消除。

（2）樟木頭站2臺安全切斷閥進行測試時發(fā)生故障：其中6202號切斷閥超壓切斷后不能復位，6102號切斷閥超壓切斷后復位手柄不動作，且緊急切斷按鈕也無法動作。

故障原因分析：拆解6202號安全切斷閥的切斷機構后發(fā)現(xiàn)其內部積蓄了大量水，且底部殘有淤泥。內部積水和淤泥可能是由于閥門切斷機構的防護等級過低，而南方雨水天氣較多，閥門長期裸露在雨水天氣下運行，導致雨水滲漏進入切斷機構，積水和淤泥的存在使得切斷裝置滾珠機構銹蝕，經(jīng)年累月，造成內部傳動機構無法正常轉動。拆解6102號安全切斷閥的推力轉換器，發(fā)現(xiàn)氣動活塞老化，活塞與轉換器內壁面摩擦力增大，導致動作出現(xiàn)卡滯，手柄不能復位。

處理方法：排出6202號閥門切斷機構內的積水，清除淤泥，對切斷機構進行清洗潤滑，重新安裝后測試；打磨并清洗6102號閥門氣動活塞后，重新安裝后測試。

（3）中衛(wèi)站位號36402安全切斷閥復位時有異響，并伴隨卡阻現(xiàn)象（復位過程中行程指針有卡頓）。

故障原因分析：氣動活塞執(zhí)行機構活塞密封環(huán)可能出現(xiàn)輕微磨損，出現(xiàn)漏氣，致使閥桿在上升過程中出現(xiàn)卡阻和異響。

處理方法：檢查活塞密封環(huán)和氣缸內壁是否有磨損，若有則需更換密封環(huán)。

3 結論

（1）DN250/300/400國產(chǎn)化安全切斷閥關鍵性能已接近國外知名品牌產(chǎn)品的水平。隨著閥門服役時間的增加，閥門的內密封性能明顯下降，而超壓切斷壓力精度、響應時間等關鍵性能無明顯下降趨勢，但閥門動作穩(wěn)定性變差。顯然，由于天然氣對閥座閥芯的沖刷及介質中含有雜質黏附在閥座和閥芯上，均能導致閥門內密封性能的降低。在測試過程中，國內外安全切斷閥均有故障出現(xiàn)（芙蓉站一臺RMG切斷閥，樟木頭站2臺吳忠儀表切斷閥），故障模式主要為超壓切斷后無法復位。主要原因為切斷機構彈簧等易損件發(fā)生疲勞及切斷機構滾珠機構銹蝕，造成內部傳動機構無法正常轉動。因此，后期維護的重點應放在檢查閥門的內密封性及提升閥門的穩(wěn)定性上，如定期更換密封件、切斷機構彈簧，定期清理潤滑切斷機構及指揮器等。

（2）通過站場測試比較，國產(chǎn)化安全切斷閥（DN250/300）超壓切斷后的復位相對國外同規(guī)格產(chǎn)品較為吃力，一般需要2人共同操作完成。因此國產(chǎn)化安全切斷閥在復位操作力上還需要進行改進優(yōu)化，以便于站場人員更輕松地對閥門進行復位操作。