高含硫酸性氣田關(guān)鍵自截閥門故障原因分析與優(yōu)化

摘 要 元壩氣田各集輸場站上下游氣源截斷處設(shè)置了關(guān)鍵自截緊急切斷閥（ESDV），在運行過程中，各采氣場站、各供應(yīng)廠家氣控ESDV閥先后發(fā)生了如執(zhí)行機構(gòu)密封失效漏氣、儀表風(fēng)進(jìn)氣壓力超壓、遠(yuǎn)傳就地狀態(tài)顯示不一致、電磁閥故障等多種異常。基于氣控管線連接方式和電磁閥控制原理深入分析故障原因，結(jié)合生產(chǎn)運行工況，提出進(jìn)氣壓力優(yōu)化、新增關(guān)鍵閥門關(guān)閥聲光報警、執(zhí)行機構(gòu)上方增設(shè)擋棚、定期保養(yǎng)關(guān)鍵部件等優(yōu)化措施，確保關(guān)鍵自截閥門運行平穩(wěn)，氣源截斷快速有效。

關(guān)鍵詞 ESDV閥 高含硫酸性氣田 故障原因分析 優(yōu)化

中圖分類號 TP23"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B"" 文章編號 1000 3932（2025）01 0148 04

元壩氣田作為我國第二大高含硫酸性氣田，酸氣長輸管線約148 km，東西跨度近50 km，南北跨度近30 km，加之山地地形復(fù)雜，安全生產(chǎn)形勢嚴(yán)峻。緊急切斷閥（ESDV）作為關(guān)鍵自截閥門，具有易操作和高穩(wěn)定的特點，在各集輸工程場站出站以及上游進(jìn)站的酸氣管線、返輸?shù)娜剂蠚膺M(jìn)站管線、分離器液路管線上均有設(shè)置，達(dá)到工藝參數(shù)超出正常運行工況范圍、管線出現(xiàn)超壓等異常情況時自動快速切斷氣源，隔離能量、確保人員安全、降低生產(chǎn)裝置損壞風(fēng)險的目的，是氣田安穩(wěn)長滿優(yōu)運行的關(guān)鍵設(shè)備［1～4］。自元壩氣田試采工程、滾動建產(chǎn)井站調(diào)試投產(chǎn)以來，各供應(yīng)廠家氣控式ESDV閥先后出現(xiàn)多種故障，主要表現(xiàn)為兩位三通電磁閥故障、執(zhí)行機構(gòu)密封失效漏氣（氣缸密封圈破損漏氣、手輪絲桿密封面漏氣、氣控管線連接處漏氣等）、儀表風(fēng)進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)不當(dāng)、遠(yuǎn)傳就地顯示狀態(tài)不一致等，極大地影響了氣田的穩(wěn)定生產(chǎn)。筆者結(jié)合生產(chǎn)工況深入分析故障原因，提出了優(yōu)化措施。

1 氣控ESDV閥連接方式及其運行原理

氣控ESDV閥一般通過電磁閥失電閉合/切斷儀表風(fēng)氣源來實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制關(guān)閥，并參與生產(chǎn)場站緊急停車系統(tǒng)（SIS）的聯(lián)鎖邏輯，保證發(fā)生異常情況時關(guān)閥快速有效［5～7］。

機柜間控制ESDV閥的兩位三通電磁閥電流信號常采取常閉接點，即電磁閥得電狀態(tài)下，氣源路導(dǎo)通，氣缸充壓，氣體推動缸內(nèi)活塞拉動執(zhí)行球閥旋轉(zhuǎn)打開；電磁閥失電狀態(tài)下，放空路導(dǎo)通，氣缸泄壓，失去氣源后活塞復(fù)位，閥門保持常閉。氣控ESDV閥的連接方式如圖1所示。

可采取單控電磁閥或雙控電磁閥實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，為確保生產(chǎn)安全，中控室可遠(yuǎn)程關(guān)閥；打開則需遠(yuǎn)程復(fù)位觸發(fā)聯(lián)鎖邏輯后，再就地對電磁閥復(fù)位。氣缸頂部帶有閥位指示器，內(nèi)置遠(yuǎn)傳回訊開關(guān)，從人機界面指令發(fā)出到執(zhí)行球閥關(guān)閥到位，響應(yīng)時間一般不超過3 s。

ESDV閥除通過充壓開閥，常帶有屏蔽手輪，手輪端連接壓力壓縮彈簧，通過旋轉(zhuǎn)手輪帶動彈簧推動活塞，拉動執(zhí)行球閥打開。業(yè)界將這種物理開閥方式通常稱為硬屏蔽，即無論氣缸是否充壓閥門始終保持開閥狀態(tài)，常用于生產(chǎn)狀態(tài)下對閥門進(jìn)行在線維修。

2 氣控ESDV閥常見故障及原因分析

ESDV閥作為精密關(guān)鍵自控閥門，在元壩高含硫酸性氣田環(huán)境運行過程中發(fā)生過多種故障，主要表現(xiàn)形式有：兩位三通電磁閥故障、執(zhí)行機構(gòu)密封失效漏氣（氣缸密封圈破損漏氣、手輪絲桿密封面漏氣、氣控管線連接處漏氣等）、儀表風(fēng)進(jìn)氣壓力調(diào)整不當(dāng)、遠(yuǎn)傳就地狀態(tài)顯示不一致等。其中，因執(zhí)行機構(gòu)密封失效漏氣導(dǎo)致氣缸壓力不穩(wěn)而關(guān)閥的異常現(xiàn)象占所有故障的60%以上，嚴(yán)重影響了氣田的正常生產(chǎn)運行管理和經(jīng)濟效益。

2.1 執(zhí)行機構(gòu)密封失效漏氣

氣控ESDV閥的控制核心是執(zhí)行機構(gòu)，主要由氣缸、手輪絲桿、氣控管線等組成。管線漏氣常因儀表風(fēng)氣源到過濾調(diào)壓閥、電磁閥氣路管線的連接絲扣松動、生料帶老化導(dǎo)致氣源滲漏；氣缸漏氣常由于外部環(huán)境影響導(dǎo)致氣缸磨損銹蝕、管壁穿孔，缸內(nèi)氣源外漏；絲桿漏氣則常因其內(nèi)置密封圈老化變形失效或多次旋轉(zhuǎn)手輪硬屏蔽閥門，導(dǎo)致密封銅套磨損，與絲桿間存在間隙，氣源從間隙處外漏。

上述多種氣源外漏情況均可能導(dǎo)致氣缸內(nèi)氣源壓力不穩(wěn)定，無法有效固定缸內(nèi)活塞保持開閥狀態(tài)，存在異常關(guān)閥風(fēng)險。

2.2 儀表風(fēng)進(jìn)氣壓力調(diào)整不當(dāng)

儀表風(fēng)氣源進(jìn)氣壓力過大，會導(dǎo)致連接管線抖動幅度相應(yīng)增加，絲扣、卡箍連接處易松動，并易損壞兩位三通電磁閥內(nèi)部氣路結(jié)構(gòu)，造成電磁閥滲漏，同時會觸發(fā)調(diào)壓閥后溢流閥起跳泄壓，而氣源壓力過小，缸內(nèi)壓力不足，不能有效推動活塞開閥。因此，合理調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力是ESDV閥穩(wěn)定運行的有效保障。

2.3 遠(yuǎn)傳就地狀態(tài)顯示不一致

遠(yuǎn)傳就地狀態(tài)顯示不一致主要表現(xiàn)為：

a. 人機界面上閥門開關(guān)狀態(tài)與就地閥位指示器開關(guān)狀態(tài)不一致；

b. 人機界面閥門狀態(tài)未開到位/關(guān)到位；

c. 人機界面閥門無狀態(tài)。

主要原因如下：

a. 閥位回訊傳感器故障或回訊線虛接松動；

b. 閥位指示器放置位置不當(dāng)，閥門行程動作未到位；

c. 網(wǎng)絡(luò)通信波動，場站數(shù)據(jù)未及時同步到中控室。

2.4 兩位三通電磁閥故障

兩位三通電磁閥有啟、閉兩種工作狀態(tài)，3個氣路通道出口，分別為進(jìn)氣口、出氣口、泄壓口［8～11］。一般采取雙線圈控制，通過閥內(nèi)線圈得電/失電推動活塞切換工作位置，達(dá)到觸點吸合/斷開的效果，實現(xiàn)進(jìn)氣口-出氣口導(dǎo)通、出氣口-泄壓口導(dǎo)通，進(jìn)而控制執(zhí)行球閥的開關(guān)動作（圖2）。

兩位三通電磁閥的常見故障有：

a. 電磁閥無法工作。例如對電磁閥就地復(fù)位，電磁閥得電后，發(fā)現(xiàn)氣源路未導(dǎo)通，執(zhí)行球閥無法正常開啟；或電磁閥失電后，泄壓路未導(dǎo)通，執(zhí)行球閥無法正常關(guān)閉。

b. 電磁閥在工作中有異響或振動。

c. 電磁閥漏氣。

排查方式如下：

a. 檢查電源是否正常供電。機柜間引出電源為24 V直流電，可以用萬用表測量兩端電壓判定，若供電正常，則可測量線圈電阻值是否正常（參照不同型號規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)）。

b. 若執(zhí)行上述步驟未發(fā)現(xiàn)問題，可將ESDV閥硬屏蔽后，拆卸解體電磁閥，檢查控制通道或閥芯是否有異物附著或磨損現(xiàn)象，可根據(jù)實際情況進(jìn)行清潔或更換閥芯。

c. 若電磁閥出現(xiàn)滲漏，先確保連接處絲扣有無松動、密封件是否完好，如果連接緊密且密封件完好，可更換內(nèi)置密封圈并涂抹密封脂。

3 氣控ESDV閥優(yōu)化措施

綜合分析上述多種故障并結(jié)合氣田實際運行工況，可從以下幾方面進(jìn)行優(yōu)化，完善安全聯(lián)鎖自控系統(tǒng)。

3.1 ESDV閥門關(guān)閉后聲音報警

ESDV閥門因故障出現(xiàn)異常關(guān)閥時，僅在人機界面報警欄上有提示，但由于采取集中監(jiān)控模式，內(nèi)操崗?fù)蝗吮O(jiān)控一個片區(qū)，覆蓋多個場站，報警列表包含片區(qū)所有場站的報警，同時含有部分誤報。因此，關(guān)鍵報警信息易被覆蓋。故在集中監(jiān)控電腦配置聲光報警器（圖3），錄好音頻文件，針對ESDV閥等關(guān)鍵點位設(shè)置關(guān)閥報警外放功能；同時針對關(guān)鍵報警信息設(shè)置報警欄置頂功能，需由內(nèi)操人員確認(rèn)報警后方可消除。增加此功能后，可確保應(yīng)急處置措施快速有效。

3.2 氣控管線進(jìn)氣壓力優(yōu)化

氣控管線上的元器件屬精密器件，氣源壓力過大時，管線振動頻率增加，振幅變大，易導(dǎo)致內(nèi)置密封件磨損、密封失效。同時，各連接部位易出現(xiàn)滲漏，各部件長期在高壓下運行也會縮短其使用壽命。氣源壓力過低，開閥速度變慢，甚至閥門無法開到位。因此，將氣控管線進(jìn)氣壓力調(diào)整到最佳范圍是要解決的問題。

正常生產(chǎn)運行工況下，經(jīng)燃料氣調(diào)壓分配撬調(diào)壓后，儀表風(fēng)氣源壓力保持在0.6～0.8 MPa。進(jìn)電磁閥前設(shè)置過濾調(diào)壓閥，通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)壓力等級，進(jìn)行模擬試驗，驗證最佳進(jìn)氣壓力。試驗結(jié)果見表1。可以看出，當(dāng)進(jìn)氣壓力在0.45 MPa左右時，氣控管線運行較平穩(wěn)，管線無異響或振動，且開關(guān)閥速度最快。因此，可于調(diào)壓閥處增加壓力表輔助調(diào)壓，并將后端溢流閥起跳壓力設(shè)置為0.5 MPa，保證進(jìn)氣壓力最佳。

3.3 執(zhí)行機構(gòu)上方增設(shè)擋棚

ESDV閥氣缸材質(zhì)一般為鑄鋼，長期暴露在潮濕環(huán)境下，易造成氣缸缸壁磨損、銹蝕甚至穿孔，導(dǎo)致氣源外漏。同時，電磁閥屬精密易損件，內(nèi)接信號線雖有格蘭頭和撓性管保護(hù)，但潮濕環(huán)境也易造成線纜腐蝕，絕緣破損，影響信號傳輸質(zhì)量。因此，可在執(zhí)行機構(gòu)上方增設(shè)擋棚，避免雨水淋到執(zhí)行機構(gòu)本體，延長其使用壽命。

3.4 定期保養(yǎng)關(guān)鍵部件

可利用關(guān)井及檢維修契機，對ESDV閥執(zhí)行機構(gòu)拆卸解體進(jìn)行保養(yǎng)，主要包括：

a. 更換氣缸內(nèi)置銅套、密封圈，涂抹密封脂，并對缸壁重新打蠟。

b. 對手輪絲桿注黃油，增加潤滑度，便于開啟，避免絲桿長期使用而銹蝕，旋轉(zhuǎn)時與密封件磨損。

c. 調(diào)整回訊傳感器位置，并緊固線纜。

d. 拆卸電磁閥，清潔控制通道和閥芯雜質(zhì)，涂抹潤滑油。

e. 氣控管線連接絲扣處重新纏繞生料帶并緊固。

4 結(jié)束語

ESDV閥作為關(guān)鍵自截閥門，是安全聯(lián)鎖自控系統(tǒng)的重要組成部分，在氣田各集輸場站關(guān)鍵氣源截斷處均有設(shè)置，目前運用效果較好，但經(jīng)常發(fā)生如電磁閥故障、執(zhí)行機構(gòu)漏氣、儀表風(fēng)進(jìn)氣壓力不當(dāng)、遠(yuǎn)傳就地回訊狀態(tài)不一致等多種異常。筆者基于氣控管線連接方式、兩位三通電磁閥控制原理及外部環(huán)境等因素，結(jié)合生產(chǎn)運行工況，全面總結(jié)分析故障原因，進(jìn)而提出進(jìn)氣壓力優(yōu)化、新增關(guān)鍵閥門關(guān)閥聲光報警、執(zhí)行機構(gòu)上方增設(shè)擋棚、定期保養(yǎng)關(guān)鍵部件等優(yōu)化措施，確保關(guān)鍵自截閥門運行平穩(wěn)，氣源截斷快速有效，為無壩高含硫酸性氣田的安穩(wěn)長滿優(yōu)運行提供保障。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2024-04-30，修回日期：2024-05-21）