長輸管道閥門內(nèi)漏失效分析和控制措施

郝小虎 趙 煒 李建國 楊 涵 胡學(xué)兵 孫大為

（1. 中國石油天然氣股份有限公司管道秦皇島輸油氣分公司，河北 秦皇島 066000；2. 中油國際管道公司中烏天然氣管道項目，北京 100007；3. 中國石油西南管道天水輸油氣分公司，甘肅 天水 741002；4. 中油國際管道公司中緬天然氣管道項目，北京 100007；5. 中國人民解放軍32723部隊，河北 承德 067400）

0 引言

我國長輸天然氣管道發(fā)展迅速，隨著西氣東輸、川氣東送、中緬和中貴等大型天然氣管道建設(shè)運行，我國實現(xiàn)大口徑球閥國產(chǎn)化，逐漸替代國外進(jìn)口產(chǎn)品。閥門是長輸天然氣管道系統(tǒng)的重要設(shè)施，由于制造、施工、維護(hù)和保養(yǎng)原因?qū)е麻y門內(nèi)漏，對天然氣管道運行造成嚴(yán)重威脅，例如西氣東輸三線西段工程霍爾果斯-烏魯木齊段，閥門一次試壓內(nèi)漏率達(dá)到了27%（2014年數(shù)據(jù)），烏蘇站電動球閥（DN900，Class900）和瑪納斯站電動球閥（DN450，Class900）解體存在球體表面劃痕、閥座損傷、軟密封缺失和球體及閥體存在焊渣等缺陷[1]。研究閥門內(nèi)漏失效機(jī)理和控制措施，制定科學(xué)合理的維修方案，可以消除管道安全隱患，避免管道事故和天然氣放空損耗，對于提升管道管理水平具有積極意義。

1 閥門內(nèi)漏失效機(jī)理分析

閥門根據(jù)驅(qū)動方式分類為手動、電動、氣動以及氣液聯(lián)動型。本文探討應(yīng)用最廣泛的固定式全焊接球閥。球閥包括閥體、球體、閥座、閥桿及傳動機(jī)構(gòu)，閥體設(shè)有放空閥和排污閥。長輸天然氣管道球閥型式為 DIB-1 型，也稱為雙隔離泄壓閥，具有兩側(cè)閥座密封面。在關(guān)閉狀態(tài)，泄放密封面間的內(nèi)腔壓力，每個密封面承受一側(cè)介質(zhì)的壓力。球閥密封機(jī)理是以帶圓形通孔的球體為啟閉裝置，以閥桿為軸，球體隨閥桿旋轉(zhuǎn)90°，實現(xiàn)連接和截斷管道中流體功能。閥體和密封圈之間存在閥腔，閥門運行一定時間后，密封材料可能硬化失效，管道內(nèi)氣體進(jìn)入閥腔，產(chǎn)生內(nèi)漏。

2 閥門內(nèi)漏失效原因分析

2.1 制造階段

制造過程可能造成閥門內(nèi)漏的情形如下：

（1）制造過程中質(zhì)量控制不嚴(yán)格，閥門密封結(jié)構(gòu)存在缺陷，或者嚴(yán)密性試驗不到位，例如行程調(diào)節(jié)不完整、球體表面研磨精度不夠等情形，閥門出廠前存在內(nèi)漏；

（2）閥門試壓后排污、干燥、防腐處理不嚴(yán)格，密封面銹蝕形成內(nèi)漏；

（3）閥門安裝時限位位置不準(zhǔn)確產(chǎn)生微滲漏，長期運行對密封面造成累積損傷；

（4）注脂管路存在鐵銹雜質(zhì)，隨著注脂進(jìn)入閥座密封面造成內(nèi)漏。

2.2 施工階段

安裝施工過程可能造成閥門內(nèi)漏的情形如下：

（1）閥門運輸中固體雜質(zhì)進(jìn)入，或者吊裝中外力損傷造成閥門內(nèi)漏；

（2）施工現(xiàn)場防護(hù)不到位，閥門兩側(cè)保護(hù)罩遺失，沙子等固體硬物進(jìn)入閥門造成內(nèi)漏；

（3）閥門現(xiàn)場焊接預(yù)熱不充分，或者層間、焊接溫度控制不嚴(yán)格，可能對密封圈和密封面造成損傷，造成內(nèi)漏；

（4）焊接飛濺物處理不當(dāng)，對密封面造成損傷，導(dǎo)致內(nèi)漏；

（5）焊渣等施工遺留物未完全清理，閥門開關(guān)操作導(dǎo)致密封面劃傷導(dǎo)致內(nèi)漏；

（6）管道清管后雜質(zhì)留在球閥內(nèi)，影響閥門密封造成內(nèi)漏。

2.3 運行階段

管道運行中可能造成閥門內(nèi)漏的情形如下：

（1）閥門定期維護(hù)保養(yǎng)不到位，例如密封脂硬化，阻礙閥座移動，密封失效導(dǎo)致閥門內(nèi)漏；

（2）閥桿腐蝕松動，不能保證球體旋轉(zhuǎn)到位；執(zhí)行機(jī)構(gòu)腐蝕、螺母松動或限位位置不精確，導(dǎo)致閥門開關(guān)不到位，導(dǎo)致內(nèi)漏；

（3）長期用球閥調(diào)節(jié)管道流量和壓力，天然氣攜帶固體顆粒高速沖刷對球面和密封面造成損傷，影響閥門密封性能；

（4）長期處于閑置狀態(tài)的閥門，閥座和球體抱死，閥門開關(guān)造成密封面損傷導(dǎo)致內(nèi)漏。

3 閥門內(nèi)漏檢測技術(shù)

3.1 閥門氣體放空檢測

確認(rèn)閥門處于全開或者全關(guān)狀態(tài)，通過放空閥將閥內(nèi)壓力氣體進(jìn)行放空，檢測是否存在持續(xù)性氣體排出，證明閥門存在內(nèi)漏。該方法廣泛應(yīng)用于運行狀態(tài)的閥門，簡單易行，但不準(zhǔn)確，需結(jié)合專業(yè)設(shè)備確定漏點，閥門就地放空存在風(fēng)險隱患。

3.2 管段壓力檢測

關(guān)閉管段前后截斷閥，管段內(nèi)氣體進(jìn)行放空，關(guān)閉放空閥。通過有無氣體節(jié)流聲確認(rèn)閥門內(nèi)是否存在氣體，如存在節(jié)流聲，證明閥門存在內(nèi)漏；如不存在節(jié)流聲，在10小時后打開放空閥，再次確認(rèn)氣體節(jié)流聲。該方法簡單直觀，需要操作切換工藝流程，驗證過程需要時間多；如出現(xiàn)壓力回升，需借助專業(yè)設(shè)備確定泄漏點。

3.3 閥門放空注氮檢測

閥門進(jìn)行放空，如閥腔仍存在氣體，證明閥門密封性能不完善。閥門放空后采用氮氣置換，對排出氣體進(jìn)行組分檢測，確定閥門是否內(nèi)漏。該方法適合閥門嚴(yán)重內(nèi)漏的情形，操作復(fù)雜且費時，天然氣的放空和注氮成本較高，造成一定能源損耗。該方法主要用于閥門嚴(yán)重內(nèi)漏和關(guān)閉不到位的情形。

3.4 專業(yè)設(shè)備檢測

應(yīng)用超聲波檢測儀進(jìn)行天然氣閥門內(nèi)漏檢測。操作原理是測試密封圈處壓差，假如閥體和閥座之間的密封圈存在間隙，高壓側(cè)氣體通過密封圈間隙進(jìn)入到低壓側(cè)，在間隙處形成渦流，產(chǎn)生聲波。如內(nèi)漏間隙較大，聲波頻率低于20kHz，甚至能聽到節(jié)流聲音；如果間隙較小，聲波頻率高于20kHz，不能聽到聲音。根據(jù)上述四種方法的優(yōu)缺點，考慮采用超聲波檢測結(jié)合閥門放空檢測的組合式方法，避免使用單個方法的局限性和誤判[2]。

4 閥門內(nèi)漏處理方法

閥門微小滲漏采用清洗及注脂維護(hù)方式，或者調(diào)節(jié)行程限位以減緩泄漏。閥門處理后持續(xù)監(jiān)測，運行一年后進(jìn)行檢測。如閥門內(nèi)漏量達(dá)到不可接受數(shù)值，考慮進(jìn)行維修或替換，分體式法蘭連接閥門的閥座和密封圈允許現(xiàn)場維修或更換；全焊接式閥門應(yīng)返廠維修。如檢測閥門存在內(nèi)漏，可按照下列程序?qū)﹂y門進(jìn)行簡易處理。

（1）調(diào)整工藝流程，開關(guān)閥門若干次，利用管道中高速氣流吹掃球體和密封面上的雜質(zhì)；

（2）檢查、調(diào)整閥門限位，確認(rèn)閥門全開或全關(guān)狀態(tài)；

（3）緩慢注入少量潤滑脂，結(jié)合注脂槍出口壓力表變化，判斷閥門內(nèi)漏程度和止漏情況；

（4）如密封脂已硬化，應(yīng)注入清洗液，清潔密封面和閥座的固體雜質(zhì)，再注入新的潤滑脂，開關(guān)操作閥門幾次，將雜質(zhì)、污物排出閥座和密封面；

（5）將閥門處于全關(guān)狀態(tài)，如仍存在內(nèi)漏，可能是密封面產(chǎn)生損傷，注入加強(qiáng)型密封脂。

5 結(jié)論和建議

（1）閥座密封設(shè)計宜采用多重密封方式和耐磨損措施，提高密封脂產(chǎn)品性能指標(biāo)；

（2）閥門制造中加強(qiáng)注脂管路防護(hù)，例如防止焊渣等雜質(zhì)進(jìn)入，考慮管壁防腐處理；

（3）閥門運輸中注意對放空、排污管路和注脂管路的保護(hù)，避免磕碰擠壓，必要設(shè)置支撐；

（4）閥門和執(zhí)行機(jī)構(gòu)在調(diào)試階段做定位標(biāo)識，閥門安裝時檢查確認(rèn)限位是否準(zhǔn)確；

（5）加強(qiáng)閥門施工全過程管理。焊接前，禁止拆卸閥門兩側(cè)的保護(hù)罩，保證閥門處于全開狀態(tài)；焊接操作嚴(yán)格控制預(yù)熱、層間和焊接溫度；焊接后應(yīng)閥門內(nèi)雜質(zhì)、污物清理干凈；

（6）選擇專用流量和壓力調(diào)節(jié)閥替代球閥控制管道運行工況；

（7）按照規(guī)定周期進(jìn)行閥門維護(hù)保養(yǎng)。