調(diào)壓裝置監(jiān)控調(diào)壓閥性能對比測試分析研究

陶國慶，郝紹淳，劉貴超，劉建峰，張紹華，陳鳳官

（1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031；2.國家管網(wǎng)集團(tuán)建設(shè)項(xiàng)目管理分公司，河北廊坊 065000；3.渤?？滮埩黧w控制設(shè)備（天津）有限公司，天津 300280）

0 引言

天然氣長輸管道用調(diào)壓裝置是保障天然氣輸送安全及平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，目前在西氣東輸工程中已實(shí)現(xiàn)安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓閥和工作調(diào)壓閥等關(guān)鍵用閥的國產(chǎn)化，國產(chǎn)化設(shè)備在出廠、現(xiàn)場試驗(yàn)時，產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和性能測試均滿足國產(chǎn)化試制技術(shù)條件及國產(chǎn)化試驗(yàn)大綱的要求。為了進(jìn)一步提高國產(chǎn)設(shè)備的質(zhì)量和應(yīng)用水平，需要跟蹤評價國產(chǎn)化設(shè)備運(yùn)行情況，梳理出現(xiàn)的問題，以反饋廠家改進(jìn)、指導(dǎo)國產(chǎn)設(shè)備的選擇和維護(hù)等，更加有效地保證管道系統(tǒng)的可靠性，保障管道安全平穩(wěn)運(yùn)行［1-3］。

本文詳細(xì)介紹了調(diào)壓裝置關(guān)鍵閥門中的監(jiān)控調(diào)壓閥（Pressure Control Valve，PCV）國產(chǎn)化實(shí)際使用情況，并進(jìn)行了跟蹤調(diào)研；為找出國產(chǎn)化設(shè)備與進(jìn)口設(shè)備存在的差距，對國產(chǎn)化設(shè)備與進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場性能測試和對比分析，并對測試過程中出現(xiàn)的故障原因進(jìn)行分析，為后期閥門產(chǎn)品的優(yōu)化升級、使用及維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐和建議。

1 測試方案

目前，國產(chǎn)化監(jiān)控調(diào)壓閥主要安裝在昆山、樟木頭2個站場。昆山站安裝有1臺國內(nèi)特瑞斯的DN250 CL600監(jiān)控調(diào)壓閥；樟木頭站安裝有2臺國內(nèi)貝特爾的DN300 CL600監(jiān)控調(diào)壓閥（位號6203，6103）。為了使國產(chǎn)閥門和進(jìn)口閥門盡可能在相同或相近的測試條件下進(jìn)行測試，根據(jù)站場上游氣來源、下游用戶實(shí)際情況、壓力波動范圍、備用管路情況等實(shí)際運(yùn)行情況，選取上海白鶴站、常州芙蓉站安裝的國外RMG監(jiān)控調(diào)壓閥與昆山站國產(chǎn)閥門進(jìn)行對比測試；選取深圳求雨嶺站、東莞站安裝的國外RMG監(jiān)控調(diào)壓閥與樟木頭站國產(chǎn)閥門進(jìn)行對比測試。國內(nèi)外閥門按相同性能指標(biāo)進(jìn)行測試，除內(nèi)泄漏按各自站場要求不同外，其余測試項(xiàng)目驗(yàn)收要求均一致，測試方法及程序也完全相同。各個站場選取的現(xiàn)場測試的監(jiān)控調(diào)壓閥相關(guān)信息見表1。

表1 測試選取的監(jiān)控調(diào)壓閥相關(guān)信息Tab.1 List of information on pressure control valves selected for testing

結(jié)合監(jiān)控調(diào)壓閥相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（EN 334，ISO 5208，IEC 60534等）［4-9］，以及油氣管線關(guān)鍵設(shè)備調(diào)壓裝置關(guān)鍵閥門國產(chǎn)化工業(yè)性試驗(yàn)大綱，制定監(jiān)控調(diào)壓閥現(xiàn)場測試大綱及相關(guān)性能指標(biāo)。現(xiàn)場測試的天然氣調(diào)壓裝置工藝流程如圖1所示。

圖1 調(diào)壓裝置工藝流程Fig.1 Process flow chart of pressure regulating device

圖1中，調(diào)壓裝置關(guān)鍵閥門有安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓閥和工作調(diào)壓閥3種，再加上進(jìn)出口球閥，按照從上游至下游的順序，將其串聯(lián)組成調(diào)壓裝置。為使調(diào)節(jié)工作更加穩(wěn)定、快速，設(shè)計為多路調(diào)壓系統(tǒng)。在正常工作狀態(tài)時，安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓閥處于全開狀態(tài)，管線下游壓力和流量由工作調(diào)壓閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)工作調(diào)壓閥不能正常進(jìn)行壓力和流量調(diào)節(jié)時，監(jiān)控調(diào)壓閥開始以略高于正常壓力亦即設(shè)定的監(jiān)控壓力進(jìn)行工作，對下游壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)監(jiān)控調(diào)壓閥也不能正常工作時，出口壓力出現(xiàn)波動，超出安全切斷閥設(shè)定值范圍時，安全切斷閥將迅速關(guān)閉，切斷管線壓力。待故障排除后，需要現(xiàn)場手動復(fù)位安全切斷閥。

具體測試步驟如下：

（1）調(diào)整安全切斷閥的切斷壓力，使其在監(jiān)控調(diào)壓閥測試過程中不發(fā)生切斷。

（2）在分輸允許的范圍內(nèi)，分別設(shè)定高、中、低3個出口壓力值進(jìn)行穩(wěn)壓精度測試：關(guān)閉出口球閥，通過調(diào)節(jié)監(jiān)控調(diào)壓閥指揮器，使下游管道壓力調(diào)節(jié)至測試所需的設(shè)定值，然后打開出口放空閥，通過調(diào)節(jié)上游切斷球閥給定不同的進(jìn)口壓力值（在最小到最大工況壓力之間變化），記錄出口壓力設(shè)定值、出口壓力實(shí)測值及調(diào)節(jié)過程中出口壓力的波動范圍（最高到最低的變化）。

（3）用分貝儀檢測不同出口設(shè)定壓力值下距離監(jiān)控調(diào)壓閥1 m處和閥下游的噪聲。

（4）待進(jìn)、出口壓力均穩(wěn)定后，緩慢關(guān)閉放空閥，使出口流量降為0，在關(guān)閉2 min后測量2次出口壓力，時間間隔5 min。計算關(guān)閉壓力等級時取2次出口壓力實(shí)測值的較大值。

（5）給定進(jìn)口壓力為管線正常工作壓力，在分輸允許的范圍內(nèi)，分別將監(jiān)控調(diào)壓閥調(diào)至出口壓力范圍的最低值和最高值，緩慢關(guān)閉放空閥至流量為零，閥門關(guān)閉2 min后記錄2次出口壓力值，2次間隔時間為5 min，測試監(jiān)控調(diào)壓閥的內(nèi)泄漏量。

2 測試結(jié)果及故障原因分析

2.1 測試結(jié)果對比分析

根據(jù)制定的測試方案，對選取的各站場監(jiān)控調(diào)壓閥進(jìn)行性能測試，詳細(xì)記錄測試數(shù)據(jù)，按照標(biāo)準(zhǔn)要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理［10-13］，尤其是監(jiān)控調(diào)壓閥的2個關(guān)鍵性能指標(biāo)穩(wěn)壓精度和關(guān)閉壓力等級，以及閥門的內(nèi)泄漏量。通過分析處理、計算，整理各個規(guī)格監(jiān)控調(diào)壓閥測試數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2和表3。

表3 DN300監(jiān)控調(diào)壓閥測試數(shù)據(jù)Tab.3 List of test data for DN300 pressure control valves

從表2，3可知，針對DN250規(guī)格的監(jiān)控調(diào)壓閥，國產(chǎn)監(jiān)控調(diào)壓閥（昆山站）除外觀、內(nèi)泄漏、穩(wěn)壓精度符合要求外，其余幾項(xiàng)指標(biāo)因閥門主膜片及指揮器膜片故障，未能進(jìn)行有效檢測，而國外監(jiān)控調(diào)壓閥（白鶴站和芙蓉站）基本滿足測試大綱要求。針對DN300規(guī)格的監(jiān)控調(diào)壓閥，國產(chǎn)監(jiān)控調(diào)壓閥（樟木頭站）除關(guān)閉壓力等級及噪聲略微超標(biāo)外，其余指標(biāo)均符合要求，國外監(jiān)控調(diào)壓閥中，東莞站6103號監(jiān)控調(diào)壓閥基本符合要求，求雨嶺站6103號監(jiān)控調(diào)壓閥則完全無法滿足正常運(yùn)行需要。

綜合各站場測試結(jié)果，不論是國產(chǎn)監(jiān)控調(diào)壓閥還是國外監(jiān)控調(diào)壓閥，發(fā)生故障的概率都較大。通過查閱站場的維保記錄，也可以明顯看出監(jiān)控調(diào)壓閥發(fā)生故障較為頻繁（尤其是主膜片及指揮器膜片）。這也是現(xiàn)場某些測試項(xiàng)目不能進(jìn)行的原因。

由表2，3中完成的各項(xiàng)測試數(shù)據(jù)可以看出，被測試的8臺國內(nèi)外監(jiān)控調(diào)壓閥中，除白鶴站5403號監(jiān)控調(diào)壓閥（RMG）各項(xiàng)評價指標(biāo)測試結(jié)果均滿足測試大綱的要求外，剩余7臺閥門的性能評價指標(biāo)測試結(jié)果均不能完全滿足測試大綱的要求。尤其是DN300監(jiān)控調(diào)壓閥，最為重要的兩個性能評價指標(biāo)穩(wěn)壓精度和關(guān)閉壓力等級，國產(chǎn)和國外的產(chǎn)品均有不符合測試大綱要求的情況，但考慮到國外閥門的投產(chǎn)使用時間要超過國產(chǎn)閥門的使用時間，且從多次測試結(jié)果看，RMG監(jiān)控調(diào)壓閥在這兩個關(guān)鍵性能指標(biāo)上要略優(yōu)于國產(chǎn)閥門。此外，國產(chǎn)監(jiān)控調(diào)壓閥噪聲測試結(jié)果不符合測試大綱要求。

2.2 故障原因分析及解決措施

通過監(jiān)控調(diào)壓閥的現(xiàn)場測試，以及查閱站場的維保記錄，監(jiān)控調(diào)壓閥存在以下常見故障：

（1）芙蓉站監(jiān)控調(diào)壓閥（位號5203）穩(wěn)壓測試，降低設(shè)定壓力時，管道下游壓力響應(yīng)時間較長，響應(yīng)不靈敏。

故障原因分析：由于閥門長期在較高的設(shè)定壓力下工作，加上投產(chǎn)后長期未改動設(shè)定值（2003年投產(chǎn)），致使主膜片（見圖2）長期處于拉伸狀態(tài)，造成疲勞變形。

圖2 監(jiān)控調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of pressure control valve

解決措施：檢查并更換主膜片，固緊膜片時注意使膜片受力均勻，或者更換抗疲勞更優(yōu)的膜片材料，延長膜片正常運(yùn)行的壽命。

（2）樟木頭站6103號監(jiān)控調(diào)壓閥在開度極小、下游介質(zhì)壓力降低至遠(yuǎn)低于設(shè)定值的情況下，仍不能開啟（如圖3所示），氣流經(jīng)過閥門產(chǎn)生尖銳刺耳的響聲（噪聲實(shí)測值達(dá)122.3 dB（A））。

圖3 6103號監(jiān)控閥Fig.3 No.6103 pressure control valve

故障原因分析：

①主膜片出現(xiàn)破損，主膜片左側(cè)腔室內(nèi)的下游出口壓力和右側(cè)腔室內(nèi)的負(fù)載壓力互相平衡，膜片兩側(cè)不能產(chǎn)生有效的壓力差，致使調(diào)壓功能大幅度減弱；

②指揮器膜片或密封圈出現(xiàn)破損，內(nèi)部發(fā)生串氣現(xiàn)象，指揮調(diào)節(jié)功能散失。

解決措施：

①分別檢查主膜片和指揮器膜片、密封圈，排查原因后更換相應(yīng)損壞的零件；

②在監(jiān)控調(diào)壓閥出口設(shè)置消噪聲裝置。

（3）求雨嶺站6103號監(jiān)控閥響應(yīng)緩慢，關(guān)閥時間長（實(shí)測≥6 min）。

故障原因分析：

①閥門長期處于工作狀態(tài)，即膜片處于拉伸狀態(tài)，造成主膜片老化；

②指揮器膜片或上下兩腔室間密封圈老化；

③在長期調(diào)壓過程中，主閥關(guān)閉彈簧頻繁動作而發(fā)生疲勞變形，回彈性變?nèi)?，閥門關(guān)閉遲緩。由此造成在較高的設(shè)定壓力下（5.50 MPa），閥門開度大，由于閥門關(guān)閉遲緩，在閥門未關(guān)閉之前，下游壓力已快速升至接近上游壓力，而在較低的設(shè)定壓力下（3.61 MPa），閥門開度也小，下游壓力上升速率相對緩慢（關(guān)閉壓力等級超標(biāo)）。

解決措施：

①檢查并更換主膜片，固緊膜片時注意使膜片受力均勻，或者更換抗疲勞更優(yōu)的膜片材料，延長膜片正常運(yùn)行的壽命；

②檢查并更換指揮器膜片或上下兩腔室間密封圈；

③檢查并更換主閥關(guān)閉彈簧，或者更換抗疲勞更優(yōu)的彈簧材料。

（4）求雨嶺站6103號監(jiān)控閥關(guān)閥后下游壓力持續(xù)上升。

故障原因分析：

①閥芯或閥座粘附有雜質(zhì)，造成閥門未能關(guān)嚴(yán)；

②閥芯與閥座密封面長期受介質(zhì)沖刷，密封性能下降；

③由于下游用戶的生產(chǎn)需求，閥門設(shè)定壓力長期處于4.0 MPa以下，膜片老化及彈簧的疲勞變形造成閥門在較高的設(shè)定壓力下，出口壓力響應(yīng)慢、低于設(shè)定值（穩(wěn)壓精度超標(biāo)）。

解決措施：

①檢查閥座和閥芯上是否有異物并清除；

②檢查閥芯和閥座密封面是否已被介質(zhì)沖刷，對損傷處進(jìn)行修復(fù)，必要時更換新部件；

③檢查并更換主膜片，固緊膜片時注意使膜片受力均勻，或者更換抗疲勞更優(yōu)的膜片材料，延長膜片正常運(yùn)行的壽命；

④檢查并更換主閥關(guān)閉彈簧，或者更換抗疲勞更優(yōu)的彈簧材料。

（5）求雨嶺站6203號閥位指示環(huán)到一定開度（約30%）有卡阻，不能達(dá)到全開狀態(tài)。

故障原因分析：

①主膜片輕微破損；

②主膜片固定邊口輕微脫落，脫落程度不大，雖不影響調(diào)壓閥的正常使用，但影響閥芯總長的活動行程，使閥門不能達(dá)到全開狀態(tài)；

③閥芯或閥座上粘附有異物，閥芯運(yùn)動產(chǎn)生卡阻。

本研究在基本假設(shè)的基礎(chǔ)上，從農(nóng)民工返鄉(xiāng)創(chuàng)業(yè)的“生存性創(chuàng)業(yè)質(zhì)量”和“成長性創(chuàng)業(yè)質(zhì)量”兩個維度提出兩個分假設(shè)，即H1和H2。

解決措施：

①檢查主膜片破損程度，必要時更換主膜片；

②檢查并重新固定主膜片，固緊膜片時注意使膜片受力均勻；

③檢查閥座和閥芯上是否有異物并清除。

（6）求雨嶺站6303號監(jiān)控調(diào)壓閥出口壓力低于設(shè)定值且不能關(guān)閥（現(xiàn)場測試時，站控室顯示100%開度到47%開度，經(jīng)歷了9min），現(xiàn)場閥位指示塑料管丟失（如圖4所示），無現(xiàn)場閥門指示。

圖4 6303號監(jiān)控閥Fig.4 No.6303 pressure control valve

故障原因分析：

②閥芯或閥座粘附有異物，使得閥芯運(yùn)動產(chǎn)生卡阻，閥門不能達(dá)到全關(guān)狀態(tài)；

③主閥關(guān)閉彈簧發(fā)生塑性變形，失去彈性，造成閥門不能關(guān)閉。

解決措施：

①檢查并更換閥位指示器，或者設(shè)計帶卡扣固定的指示器，防止再次丟失；

②檢查閥座和閥芯上是否有異物、關(guān)閉彈簧是否卡阻或者失去彈性，清除異物；

③調(diào)整關(guān)閉彈簧，必要時更換關(guān)閉彈簧，或者更換強(qiáng)度更高的彈簧材料，防止彈簧發(fā)生塑性變形。

3 結(jié)論

（1）國產(chǎn)化監(jiān)控調(diào)壓閥在穩(wěn)壓精度及關(guān)閉壓力等級等關(guān)鍵性能上與國外知名品牌的產(chǎn)品水平差距不大，國內(nèi)外閥門實(shí)測穩(wěn)壓精度差值在1.2%以內(nèi)，關(guān)閉壓力等級差值在1.1%以內(nèi)。

（2）國產(chǎn)和國外監(jiān)控調(diào)壓閥發(fā)生故障的概率相對調(diào)壓裝置中的安全切斷閥和工作調(diào)壓閥故障率都要高，主要是因?yàn)楸O(jiān)控調(diào)壓閥在調(diào)壓過程中反復(fù)動作而處于動態(tài)平衡，不僅使閥芯、閥座產(chǎn)生磨損，而且膜片和主閥關(guān)閉彈簧也會產(chǎn)生疲勞。

（3）指揮器膜片和主閥膜片損壞是造成監(jiān)控調(diào)壓閥頻繁失效的原因，對膜片研發(fā)升級的同時，急需根據(jù)閥門實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)（如：穩(wěn)定運(yùn)行時間、壓力波動范圍、閥門動作頻率、零件失效數(shù)量統(tǒng)計、單個零件失效時間和失效模式等）建立橡膠膜片、關(guān)閉彈簧、氣動活塞、活塞密封環(huán)等易損件的可靠度計算模型，進(jìn)而對其使用壽命進(jìn)行預(yù)測，提出預(yù)見性維護(hù)方案，給出最優(yōu)更換時間間隔，降低費(fèi)用成本。