天然氣輸氣站控排閘閥失效分析與泄漏路徑仿真

胡恒進 賈海平, 石 磊 王大為 郝 瑾, 尹志福

（1.陜西燃氣集團有限公司，陜西 西安 710016；2.陜西燃氣儲運及綜合利用工程研究中心，陜西 西安 710016；3.陜西燃氣集團富平能源科技有限公司，陜西 渭南 711700；4.陜西省表面工程與再制造重點實驗室，陜西 西安 710065）

0 引言

甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，是溫室效應(yīng)超過二氧化碳數(shù)倍的強效溫室氣體，天然氣中甲烷控排是減緩全球變暖的關(guān)鍵策略之一，閥門泄漏是造成天然氣輸氣站甲烷泄漏的關(guān)鍵因素。閥門是輸氣站場中使用最為廣泛的裝置部件之一，在裝置配管設(shè)計中正確選用、使用和維護閥門，對保證輸氣站各裝置正常運行十分重要。在長期生產(chǎn)運行中，因密閉性不好或出現(xiàn)故障，將會對安全平穩(wěn)輸供氣帶來安全隱患，還會影響氣質(zhì)達不到管輸要求。

針對輸油/輸氣站閥門排放控制失效問題，研究人員[1-3]研究從閥的結(jié)構(gòu)原理、操作方式和維護保養(yǎng)等方面對排污閥故障原因進行分析以降低排污閥的故障率，并提出了預(yù)防閥門保養(yǎng)和維護等有關(guān)措施。劉健等[4]和馬玉寶等[5]通過分析輸氣站場閥門失效因素，建立了以閥門失效為事件的失效故障樹，采用多級模糊綜合評價法，開展了失效因素分析和可靠性評價。付安慶等[6]分析了西部某氣田天然氣管路球閥發(fā)生開裂泄漏事故的原因，認為螺紋根部存在應(yīng)力集中和鑄造閥體存在缺陷，導(dǎo)致閥體承壓狀態(tài)下沿晶脆性斷裂。

本文對某天然氣輸氣站內(nèi)甲烷控排失效閘閥進行理化性能檢測與分析，同通過有限元方法對閥套閥芯的腐蝕與磨損導(dǎo)致的密封問題進行了建模與計算，模擬結(jié)果對延長控排閘閥的安全使用壽命具有重要現(xiàn)實意義。

1 報廢閘閥失效分析

1.1 基本概況分析

本研究對象是陜西境內(nèi)天然氣輸氣站內(nèi)甲烷控排失效閘閥，采用的是中口徑閥門，公稱通徑DN50mm，采用閥體法蘭連接管道，公稱壓力為PN10MPa。閘閥是指啟閉體（閥板）由閥桿帶動閥座密封面作升降運動的閥門，可接通或截斷流體的通道。本項目涉及的閘閥閥體材料是碳素鋼（美國牌號WCB，國內(nèi)牌號ZG250-485）鑄件。天然氣輸氣站內(nèi)甲烷控排失效閘閥，內(nèi)部的閥套閥芯存在腐蝕磨損，導(dǎo)致控排的密封不嚴。

1.2 閘閥檢測與失效分析

1.2.1 成分分析

閥體材質(zhì)為WCB碳素鋼，一般應(yīng)用于腐蝕極輕的水、油和氣的介質(zhì)環(huán)境；閥芯閥座采用2Cr13馬氏體不銹鋼，具有高硬度、良好的耐磨性和強度，其化學(xué)成分測試結(jié)果如表1所示。閥體、閥芯閥座分別對照GB/T 12229-2005和GB/T 1220-2007，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求；

1.2.2 顯微組織

通過閥座、閥芯的金相制樣和觀察，其顯微組織為較粗大馬氏體和鐵素體，如圖1所示。

1.2.3 顯微硬度

閥芯閥座材料2Cr13鋼的試驗加載負荷為200gf，保荷時間為15s，其維氏硬度度平均值為193；

1.2.4 形貌表征

（1）宏觀特征

針對永樂輸氣站閘閥進行了切割，觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（閥芯、閥套、閥座等）、腐蝕、磨損狀況，如圖2和圖3所示。

圖2 輸氣站控排閘閥的手輪、閥芯、閥座、閥體的宏觀特征

圖3 輸氣站控排閘閥的閥芯、閥套、閥座的宏觀特征

由圖2觀察，進氣口和排氣口的端面由封面墊圈與輸氣站管線或設(shè)備連接，存在一定程度腐蝕。內(nèi)部進出口通道形成了較嚴重的沖刷腐蝕特征，尤其是彎道區(qū)域，但壁厚較大且天然氣為干氣介質(zhì)，基本不會有服役安全問題。

由圖3觀察，閥蓋下表面存在不同程度的腐蝕，閥芯密封圈良好，閥芯下端部表面有輕微的腐蝕磨損特征，閥套外表面有較嚴重的磨損和腐蝕現(xiàn)象，是由天然氣中含有的極微量的H2O、較高CO2和微量H2S等侵蝕性氣體以及氣體含有極少量的沙土沖擊引起?？拷y套進出氣口附近區(qū)域腐蝕更為明顯，閥座局部發(fā)生了顯著的減薄特征，可看到有明顯的沖刷腐蝕痕跡；

（2）微觀特征

圖4為閥座失效樣品兩個部位的微觀形貌（×200倍）。閥座外側(cè)面和內(nèi)表面進行微觀觀察，外表面存在磨損條紋狀，內(nèi)表面腐蝕程度較重。

圖4 輸氣站控排閘閥的閥座試樣微觀形貌

圖5為閥芯失效樣品兩個部位的微觀形貌（×200倍）。閥芯的內(nèi)表面存在磨損劃痕，局部腐蝕較嚴重；其外側(cè)面損傷劃痕處腐蝕較嚴重。其表面腐蝕產(chǎn)物為碳酸亞鐵和鐵的氧化物等主要物質(zhì)。

圖5 輸氣站控排閘閥的閥芯試樣微觀形貌

2 閥門泄漏路徑仿真

由于閥體是鑄造成形，閥芯和閥座機構(gòu)也比較復(fù)雜，直接用有限元軟件建立模型比較困難。本文先通過三維軟件建立功能部分模型，再導(dǎo)入到有限元仿真軟件進行計算。

2.1 閘閥泄漏路徑建模

2.1.1 三維結(jié)構(gòu)建模

本輸氣站控排閘閥的實際結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表2所示。針對其主要功能部分的閥體、閥套和閥芯建立三維結(jié)構(gòu)模型如圖6所示，裝配后閥體內(nèi)部沿中面剖開的剖視圖如圖7所示。

表2 閥芯和閥套模型參數(shù)

圖6 控排閘閥閥體、閥套、閥芯的三維建模

圖7 控排閘閥閥體剖面的三維建模

2.1.2 有限元模型建立

為了探究控排閘閥在流固耦合條件下的性能，假設(shè)天然氣流速10m/s條件下，基于abaqus軟件的歐拉-拉格朗日流固耦合算法（CEL），對實際工況下天然氣流經(jīng)對閥套和閥芯腐蝕和磨損的影響規(guī)律，將三維閥體模型導(dǎo)入到有限元仿真軟件中，進行各部分材料參數(shù)設(shè)置與裝配。

（1）材料參數(shù)設(shè)置

為了保證計算效率，閥體部分采用剛體建模，連接部、法蘭和腔體等與質(zhì)量點與相耦合，歐拉體形狀根據(jù)閥體決定。剛體部分不參與計算，可以不設(shè)置材料參數(shù)；閥芯和閥套設(shè)置為2Cr13不銹鋼材料，具體材料參數(shù)如表2所示；

（2）單元類型的選擇及網(wǎng)格劃分

由于計算結(jié)果對流體域網(wǎng)格大小較為敏感，為此對整個流體域分區(qū)進行網(wǎng)格劃分。閥體、閥芯和閥套采用四面體網(wǎng)格劃分，歐拉體部分用六面體網(wǎng)格劃分。在穩(wěn)態(tài)條件下，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，相對誤差逐漸減??；

（3）接觸類型和邊界條件

在仿真天然氣流經(jīng)閥體時，氣體對閥體、閥套和閥芯必然會產(chǎn)生一定力學(xué)作用，天然氣和閥各部分的作用通過接觸面來實現(xiàn)，需要設(shè)置天然氣和閥體之間的接觸方式，同時天然氣自身也相互作用，可選擇通用接觸算法，為了防止氣體穿透選擇硬接觸方式。邊界條件需要固定閥體、閥套和閥芯，給定流體初始速度假設(shè)10m/s，定義重力場為9.8m/s2。

2.2 閘閥泄漏路徑仿真分析

在閥門完全打開狀態(tài)下，天然氣以高流速流入閥體，沖擊閥套和閥芯后再流出閥體，長時間沖蝕作用會造成閥芯和閥套的磨損和腐蝕，最終造成閥門失效，如圖8所示。

圖8 天然氣流經(jīng)閘閥模擬過程

（1）閥套磨損與腐蝕分析

天然氣從閥門入口處沖入，首先沖擊到閥套，逐漸形成沖擊應(yīng)力，隨著時間推移沖擊應(yīng)力逐漸增大，在0.02s時達到最大；從0.03s開始，最大應(yīng)力值并沒有出現(xiàn)在閥套壁上，而是出現(xiàn)在閥套底部與閥芯接觸部分，具體受力云圖如圖9所示。

圖9 不同時刻閥套受力云圖

為了進一步分析天然氣對閥套底部進氣口的沖擊和腐蝕，將閥套沿中間截面剖開，進氣口處應(yīng)力云圖，如圖10所示。從0.03s開始，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在底部進氣口，隨時間推移，進氣口的應(yīng)力最大值越來越大，應(yīng)力分布的范圍有擴大趨勢，說明閥門在工作過程中，閥套進氣口受到天然氣沖擊和腐蝕越來越嚴重；

圖10 不同時刻閥套進氣口應(yīng)力云圖

（2）閥芯磨損與腐蝕分析

閥芯與閥套進氣口是控制天然氣是否能通過閥門的主要功能部件，當(dāng)閥芯進入閥套進氣孔時，將阻斷天然氣通過閥門，當(dāng)閥芯遠離閥套進氣孔時，天然氣通過進氣孔流入閥套內(nèi)部，再流出到下一個管道中，閥門導(dǎo)通。

根據(jù)閥門的結(jié)構(gòu)，盡管閥芯遠離進氣孔，閥門打開，但是高速流動的天然氣通過進氣孔時第一時間沖擊到了閥芯錐形體，不同時刻天然氣對閥芯沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力，如圖11所示。在0～0.02s之間時，天然氣還沒通過進氣孔，此時閥芯錐形體上沒有應(yīng)力產(chǎn)生，但閥芯的底座與閥套接觸，此時閥套正受到天然氣沖擊產(chǎn)生一定變形，從而影響閥芯底座上產(chǎn)生較小的應(yīng)力。在0.03～0.05s之間時，天然氣通過閥套上的進氣孔進入閥套內(nèi)部，并直接沖擊上閥芯上的錐形體，隨時間推移，沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力有沿錐形體逐漸擴大的趨勢。

圖11 不同時刻的閥芯受力云圖

為了進一步分析天然氣對閥芯錐形體的沖擊和腐蝕，將錐形體局部放大，如圖12所示。從0.03s時，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在錐形體底部，且應(yīng)力分布不均勻，隨時間推移，進氣口的天然氣逐漸變得比較穩(wěn)定，對錐形體的底部的沖擊逐漸均勻，應(yīng)力最大值越來越大，應(yīng)力分布的范圍有擴大趨勢。說明閥門在工作過程中，閥芯受到天然氣沖擊和腐蝕越來越嚴重，最終將造成閥門不能完全阻斷天然氣。

2.3 閘閥仿真和實際情況對比分析

仿真獲得閥座進氣孔、閥套內(nèi)壁和閥芯錐形體的沖擊腐蝕情況與實際閥門中的相應(yīng)組件進行對比，以及閥體進氣孔進行對比，分別如圖13和圖14所示。在進氣孔璧面、閥套內(nèi)壁、閥芯錐形體上均有比較嚴重的沖擊和腐蝕，仿真結(jié)果與實際情況基本吻合，說明仿真獲得的結(jié)果比較復(fù)合生產(chǎn)實際，數(shù)據(jù)可靠。

圖13 閥座進氣孔空的實際與仿真比較

圖14 閥套底部內(nèi)壁、閥芯錐形體的實際與仿真比較

為了延長閥門的使用壽命，可以通過兩個途徑來實現(xiàn)：①改變進氣孔和閥芯錐形體的結(jié)構(gòu)，使天然氣不能直接沖擊到進氣孔內(nèi)壁和閥芯錐形體外壁，減小沖擊和腐蝕；②在天然氣直接沖擊的進氣孔和閥芯錐形體上進行表面合金化或表面涂層技術(shù)處理，增加其抗腐蝕和抗沖擊損傷能力。

3 結(jié)語

（1）進氣口和排氣口的端面存在一定程度腐蝕，內(nèi)部進出口通道形成了較嚴重的沖刷腐蝕特征，閥芯下端部表面有輕微的腐蝕磨損特征，閥套外表面有較嚴重的磨損和腐蝕現(xiàn)象，閥座局部發(fā)生了顯著的減薄特征，是由天然氣中含有的極微量的H2O、較高CO2和微量H2S等侵蝕性氣體以及氣體含含有極少量的沙土沖擊引起；

（2）天然氣對閥套底部進氣口的沖擊和腐蝕，從0.03s開始，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在閥套底部進氣口，隨時間推移其進氣口的應(yīng)力最大值越來越大，應(yīng)力分布范圍有擴大趨勢；

（3）在0～0.02s時，閥芯錐形體上沒有應(yīng)力產(chǎn)生，但閥座與閥套接觸影響到閥座產(chǎn)生了較小應(yīng)力；在0.03～0.05s時，天然氣進入閥套內(nèi)部并直接沖擊閥芯錐形體，隨時間推移，沖擊產(chǎn)生應(yīng)力有沿錐形體逐漸擴大趨勢。