關斷閥在線小角度測試技術與應用

劉金龍，魏海，陳粵(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

關斷閥[1]在線小角度測試的主要過程是通過分析閥門的結構，提出測試方式的假設。依據氣體壓力和彈簧彈力的平衡原理，利用氣體狀態方程和彈簧彈力計算公式，并結合現場的一些測量數據。計算當關斷閥轉動一個固定角度時，從氣缸內釋放的氣體量，制作出一個固定容器來接收釋放的氣體。通過實際現場測試驗證假設，分析理論與實際的誤差，改進測試方法。

1 關斷閥結構圖

平臺上的關斷閥從結構上可以分為兩種：第一種結構如圖1所示，為氣缸與彈簧缸分開布置的，主要用于管徑較大的位置，如海底輸油管道[2]；第二種結構如圖2所示，為氣缸與彈簧缸共用一體的，主要用于管徑較小的，如生產流程和各壓力容器[3]進出口管線中。

圖1 氣缸與彈簧分開布置結構圖及注釋

圖2 彈簧與氣缸共用一體結構圖及注釋

關斷閥關鍵附件快排閥結構如圖3所示。當氣源壓力導通后，使氣源與閥門氣缸連通，驅動閥打開；當氣源壓力泄放后，使閥門氣缸與排氣口直接相通，切斷進氣氣源，使氣缸內的壓力快速泄放，閥門快速關閉。

圖3 快排閥結構圖

關斷閥關鍵附件先導閥結構如圖4所示。當先導氣導通后，先導閥的閥芯左移，使驅動氣與氣缸相連接，驅動閥打開；當先導氣泄壓后，閥芯右移，使氣缸與排氣口相通，氣缸泄壓，閥門關閉。

圖4 先導閥結構圖

2 理論計算

主要根據兩個計算公式：

式中：P為氣體壓力(Pa)；V為氣體體積(m3)；n為氣體物質的量(mol)；R為氣體常數；T為絕對溫度(K)。

胡克定律如式(2)所示：

式中：F為彈力(N)；K為彈性系數；x為形變量(m)。

根據公式(1)，PV乘積是一個常數，氣缸體積V可以計算得出，氣體壓力P可以通過現場壓力表讀出，所以放氣后的氣體體積V′=V+V0，其中V0為制作的容器容積，變化后的壓力P′=PV/(V+V0)。

根據公式(2)，放氣之前平衡方程為F=PS=Kx，S是氣缸膜片的面積，通過測量氣缸的直徑可以得出，氣體壓力P可以通過現場減壓閥壓力表讀出，x為手輪從完全打開到完全關閉的變化長度，從而得出彈簧的彈性系數

放氣之后達到新的平衡狀態PV=P′V′，彈簧的壓力F′=P′S，S是氣缸膜片的面積，x′為手輪變化后的長度，氣體體積

需要制作的氣缸體積V0的計算方法如公式(3)：

3）切實提升調和油技術的應用水平。目前，船用低硫燃油的生產加工方式有3種：一是通過加工低硫原油生產低硫重質燃料油；二是調和加工低硫燃油；三是煉廠增投渣油加工裝置生產低硫燃油。整體來看，調和加工方式的產品是未來幾年船用低硫燃油的主要來源，通過將低硫原料和高硫原料按規定比例調兌，生產出符合國際海事組織要求的低硫燃油。這種方式最為簡單和直接，也是新加坡作為全球船舶加油中心的核心優勢之一。某種意義上，調和技術水平的高低不僅決定了燃油質量，也體現了船供油公司核心競爭力的高低。船供油公司應加強調和技術的經驗積累和研發，努力在調和技術上取得領先和突破。

關斷閥的變化角度Δσ與手輪長度Δx變化成正比，如公式(4)：

舉例說明：

以CEP-SDV-3001B為例進行計算，現場測得手輪擰進深度x為0.08 m，周長l為0.5 m，壓力p為5×103Pa，壁厚d為0.01 m。

氣缸膜片面積S=π×r2=3.14×0.069 62=0.015 m2；

氣缸體積V=S×x=0.015×0.08=0.001 2 m3；

彈簧上的力F=PS=5×105×0.015=7.5×103N；

彈簧的彈性系數K=F/x=7.5×103/0.08=9.375×104。

假設測試時關斷閥轉動20°，設放氣后的彈簧壓縮量為x′，依據公式(4)得出則有計算得出x′=0.062 m。

依據公式(3)計算得出需要制作的氣缸的體積V0=V′-V=0.001 6-0.001 2=0.000 4 m3=0.4 L，因此制作體積0.4 L的容器。

3 實際測試過程

依據以上的理論計算，以CEP-SDV-3001B 為例，當關斷閥轉動20°時，應該從氣缸內釋放0.4 L的氣體，用一個0.4 L的容器來接收這些氣體，就可以實現關斷閥在線轉動一個小角度，實現功能測試目的，如圖5所示。

圖5 現場制作的容器

分析其關閉時氣缸內氣體的釋放過程，發現所有關斷閥都安裝有一個快速泄放閥，如圖6所示。當氣源壓力釋放后，氣缸內的壓力就會通過快速泄放口進行釋放，將制作好的容器連接到泄放口。當切斷氣源、閥門關閉過程時，氣缸內的氣體將釋放到容器內。但實際情況是閥門沒有轉動，與理論計算結果不符；又經過對關斷閥結構進行分析，發現關斷閥內氣體壓力和彈簧彈力不是一對平衡力，且閥門末端的頂絲承受一部分壓力。

圖6 現場氣缸連接方式

經過對多個關斷閥的實際測試，發現關斷閥有一個最小關閉壓力，在0.2 MPa左右。只有當氣缸內壓力小于最小關閉壓力時，閥門才開始關閉。在快速泄放口安裝自制測試工具，通過控制氣缸內氣體壓力的大小來控制閥門關閉的角度，控制氣體壓力釋放的速度來控制閥門的關閉速度，從而對整個關斷閥測試過程進行控制。

經過實際測試總結經驗，制作出如圖7所示的測試工具，將測試工具的一端連接到快速泄放口，再連接一塊壓力表，可以實時觀察氣缸內的壓力變化，末端連接一個針閥，用于控制氣缸內壓力釋放的速度和大小。

圖7 現場測試工具初版

在測試過程中，可能因為操作者對關斷閥氣缸壓力的泄放控制不夠精細，導致閥門關閉角度過大引起流程壓力波動等情況的發生，為解決此問題，重新改造測試工具如圖8所示，在原來測試工具(圖7)的閥門后連接一個接收容器和閥門，使測試過程風險可控。

圖8 現場測試工具改進版

使用制作好的測試工具，對平臺上的關斷閥進行功能測試。當氣缸內的壓力降至最小關閉壓力時，閥門有動作趨勢，關閉角度可為10～20°，停止泄放且關閉過程平穩，就此認為閥門正常；如果氣缸內的壓力降至最小關閉壓力時，閥門無動作，可繼續適當緩慢降低壓力數秒，若閥門還無動作，認為此關斷閥存在故障，記錄測試結果，等待后續處理。

4 關斷閥測試數據分析

儀表人員對現場53個關斷閥測試結果統計分析，發現最小關閉壓力分布在0.21 MPa居多，具體分布如圖9所示。因此測試過程中，當氣缸壓力降到0.3 MPa時，應緩慢釋放氣量，避免閥門動作過大；當氣缸內的壓力降至0.21 MPa時，閥門無動作，可繼續適當緩慢降低壓力數秒，若閥門還無動作，認為此關斷閥存在故障，記錄測試結果，等待后續處理。

圖9 關斷閥最小關閉壓力統計圖

測試共發現關斷閥問題7處，統計分析如圖10所示。這些問題的提前發現為后續的隱患治理工作打下堅實基礎。關斷閥在線小角度測試，在一定程度上減少閥門卡滯等情況的發生，同時為今后的預防性維護指明了方向。

圖10 閥門測試隱患統計分析圖

5 結語

關斷閥在線小角度功能測試操作方便、簡捷、安全可靠。在實施過程中，通過JSA的縝密分析和各專業的密切配合，未出現影響生產流程的現象，此測試方法已經在油田內四個平臺推廣使用，也可以為其他油田的類似問題處理提供可參考的經驗。