集氣站氣動球閥異常關斷故障分析及解決方案

程旭明，王小寧

中國石油長慶油田蘇里格南作業分公司（陜西 西安 710018）

在油氣開采和集輸過程中，氣動球閥是生產運行的重要設備。蘇南C1集氣站在用氣動球閥共48個，由電和氣供給控制閥門開啟、關閉，電路和氣路故障均會造成閥門異常關斷。該氣站自2012 年投運以來，氣動球閥異常關斷共計56 次，近兩年故障率有所下降，但仍時有發生。為保證集氣站內氣動球閥不再因氣源故障異常關斷，保障生產平穩運行，全面分析解決閥門異常關斷，成為目前一項重要的課題。

1 氣動球閥及執行機構的原理和工作方式

1.1 氣動球閥及執行機構結構組成

氣動球閥由截止閥演變而來，其旋塞體為球體，通道是通過其軸線的圓形通孔，壓縮氣體作為動力驅使球體產生轉動力矩實現閥門開關，旋轉90°，在流體進出口處全部呈現球面或通道，實現截斷或導通流體。氣動球閥需要配置執行機構完成操作，其附件有：電磁閥、儀表風、兩位三通閥、減壓過濾器等，可分別實現現場和遠程控制，避免特殊工況下手動控制帶來的危險，提高了操作安全性，同時很大程度節省了人力和時間。氣動球閥具有閥體結構緊湊、易于遠程控制和操作、開關靈活、密封面與球面無縫配合、不易被介質沖蝕、適用于天然氣工作介質的特點。

1.2 氣動球閥及執行機構工作原理

氣動球閥的作用機理：正常情況下串聯2 個常閉式控制開關的24 V 控制線路閉合,UPS 正常向電磁閥供電,電磁閥打開,壓縮氣體充滿執行機構腔體,活塞壓縮腔體內彈簧,齒輪聯動機構帶動閥桿轉動,閥門開啟。當觸發程序的自動控制或者控制開關的手動控制,電磁閥斷電關閉,并將執行機構腔體內的氣體排出,腔體內彈簧復位,齒輪聯動機構帶動球閥閥桿轉動,閥門關閉。

2 氣動球閥異常關斷故障原因分析

2.1 電路故障

2.1.1 UPS失電

氣動球閥由電、氣兩路同時控制閥門開閉，電路故障有著響應時間短、影響范圍大等特點。而電路故障中最關鍵且最常見的為UPS失電。

站內所有在用氣動球閥通過機柜間UPS 給閥門電磁閥指令，供電正常時UPS 蓄電池處于充電狀態，當停電時，UPS蓄電池處于供電狀態。如蓄電池發生饋電，則電磁閥得不到指令，閥門即會關斷。

2.1.2 空壓機斷電停機

供電正常時，空壓機產生的壓縮空氣通過儀表風管線為氣動球閥提供開啟閥門的動力，當停電時，空壓機停機，造成壓縮空氣供給不充足，從而導致閥門關斷。

2.2 氣源供給不足

壓縮機產生壓縮空氣通過儀表風管線給氣動球閥提供動能，空氣進入執行機構氣缸頂開彈簧使閥門開啟，氣體泄放，閥門關閉。當氣源供氣不足，氣源壓力低于閥門開啟要求壓力，閥門不會開啟。

2.3 閥門卡阻

2.3.1 閥體內部球面卡阻

閥門卡阻會造成球閥長期停留在一個狀態而不改變開關狀態，閥門關斷屬于其中一種。閥門卡阻主要由兩方面原因導致，分別是閥體內部球面卡阻和氣動執行機構卡阻。

閥門長時間與介質接觸，閥芯、閥桿及內壁處均附著一層約0.5 mm的硬質水垢。以經驗判斷，該水垢使球面和密封面線密封阻力增大，故閥門開啟受阻，閥門異常關斷。這與流體介質的性質有很大關系。在秋冬季節，如果保溫或伴熱效果不佳，流體介質在低溫高壓的環境中極容易產生結晶現象，凝結形成水合物，造成閥體卡滯從而造成閥門內部球面卡阻。有時流體中會攜帶絲狀物或磁性物質等工藝雜質，容易在閥芯處堆積，引起球閥動作不暢甚至卡阻。

2.3.2 氣動執行機構卡阻

氣動執行機構是通過閥桿和銷釘帶動閥體轉動的機械執行機構。當執行機構卡阻時，閥體不會動作，閥門會長時間處于固定狀態，關閉屬于其中一種狀態。

產生此種卡阻的一項重要原因是由于閥桿O型密封圈失效，從而造成壓縮空氣漏失，閥門開啟壓力不足，執行機構卡住，閥門關斷。

2.4 設備因素

為氣動球閥提供壓縮空氣的上游設備是空壓機，空壓機產生的壓縮空氣經由儲氣罐至干燥塔進行干燥后再進入下游儀表風管線內，空壓機和干燥塔均屬于動力設備，干燥塔故障為空壓機故障的主要原因。

2.5 環境因素

2.5.1 自然環境因素

環境因素分為自然環境因素和環境溫度因素兩類。其中自然環境因素是由沙粒、粉塵影響構成。蘇里格南C1集氣站地處毛烏素沙漠邊緣，風沙大、揚塵多，沙塵雜質進入執行機構三位兩通閥構件內，堵塞通道，造成氣流無法正常流動，閥體無法正常開啟，從而閥門異常關斷。

2.5.2 環境溫度因素

蘇里格南C1集氣站早晚溫差較大，冬季環境溫度低至-20°～-30°，低溫會影響密封圈的延展性，造成密封圈密封性能大幅度下降。減壓過濾器為控制調節氣體壓力的關鍵設備，由于長期處于室外，密封圈失效，氣體泄放，從而導致壓力不足，氣動球閥異常關斷。

綜上，氣動球閥異常關斷的因素主要由電路和氣路兩類構成。氣路影響造成閥門異常關斷的比例較大。

3 故障解決方案及其實施過程

3.1 電路故障解決方案

3.1.1 UPS失電解決方案

由于UPS 主要由蓄電池供電，故在每年檢修中會檢查蓄電池及UPS 的運行狀況及使用壽命，及時更換受損電池，確保供電正常。

3.1.2 空壓機斷電停機解決方案

為解決此問題，站內配備了一臺柴油發電機組，當停電時，啟動發電機為站內設備供電，可實現空壓機重新工作。

3.2 氣源供給不足解決方案

此問題是由供氣壓力調節不足產生。首先，統計全站在用氣動球閥壓力標定數值及相應壓力下閥門開閉狀態。在停產檢修期間，選擇進站干管區進站氣動球閥（管徑DN200 mm）、分離器出口氣動球閥（DN300 mm）、螺桿泵區排液氣動球閥（DN50 mm）3 種閥門進行測試，將供氣壓力設置到206.8 kPa（30 psi）以下，觀察閥門開啟情況（表1）。

表1 206.8 kPa以下各區域閥門開關次數統計

試驗結果表明，3 種不同管徑的氣動球閥分別控制氣、液2 種介質，當壓力在206.8 kPa（30 psi）以下時，閥門開啟壓力不足，介質不能流通造成上下游壓差，閥門關閉，所以供氣壓力不足嚴重制約氣動球閥正常開啟。

找到關鍵要素后，按照《BETTIS 執行器操作說明》實施壓力標定作業。將集氣站所有氣動球閥的供氣壓力標定在344.7～482.6 kPa（50～70 psi），不低于275.8 kPa（40 psi）。

3.3 閥門卡阻解決方案

3.3.1 閥體內部球面卡阻解決方案

生產中發現，集氣站分離器排液氣動球閥經常因為閥體球面結垢產生卡阻，拆下閥體，用工業醋酸或除垢劑浸泡后清除水垢，在閥芯表面涂覆一層光滑的聚四氟乙烯材料或均勻涂抹防腐涂層，從而整體提高球閥的抗腐蝕性和密封性[1]。

對于閥體因水合物造成卡阻的，使用移動注入甲醇融化水合物方法，但閥體內部水合物堆積嚴重時，則需要拆解球閥進入閥內部清除水合物，同時在閥體外部增設夾套和必要的保溫伴熱，使閥芯周圍溫度保持在介質能夠流動的狀態。

對于閥體因雜質在閥芯堆積造成卡阻，拆解球閥，用人工手動清除雜質，可以在閥前部安裝合適的濾網并定期清洗，從而有效減少因雜質混入造成的閥體卡滯。

3.3.2 氣動執行機構卡阻解決方案

針對由于閥桿O 型密封圈失效，閥桿空氣漏失造成的卡阻，統計全站因閥桿O 型圈密封不嚴閥門開關狀態及故障次數。在試驗統計中發現，2#分離器排液氣動調節閥、3#分離器排液氣動閥均發生過不同程度的閥桿O型圈密封不嚴的情況。當大量原本供給閥位開關的壓縮氣體從O 型圈處漏出時，氣缸內氣壓不足，無法頂開閥門，閥門關閉。

拆解執行機構閥桿和閥體連接，更換或取出損壞或脫落的O型密封圈，并涂抹密封脂進行封堵。

3.4 設備因素解決方案

空壓機作為氣動球閥氣源提供設備，常因干燥塔故障造成供氣壓力快速降低和閥門異常關斷。

針對此故障，解決方案為統計干燥塔主要故障原因和頻次及各故障閥門開閉狀態。蘇里格南C1集氣站使用的干燥塔分為“一用一備”2套設備。空氣壓縮機產生的壓縮氣體通過管線進入儲氣罐后由管線進入干燥塔內，通過與干燥介質結合消除壓縮空氣中的水蒸氣，通過儀表風管線供下游閥門設備使用，在冬天避免因水汽殘留在儀表風管線中造成凍堵。干燥塔由電磁閥、梭閥、干燥塔、再生塔、控制箱組成。在生產中發現，梭閥有時會因為不歸位造成干燥塔和再生塔之間無法自由切換，導致下游供氣壓力降低，電磁閥則會因為其自身故障造成一直非正常排氣，導致儲罐壓力迅速下降，而空壓機運行生產的壓縮氣體量低于非正常排氣量，從而造成下游供氣不足，閥門異常關斷[2]。

在檢修中對梭閥和電磁閥故障是否能造成閥門關閉進行試驗并統計，發現梭閥和電磁閥故障均會導致儀表風系統管線壓力持續降低，直到站內所有閥門完全關閉。

1）整改干燥塔附屬設備故障。梭閥閥芯為滑動摩擦，由于壓縮空氣中含有污垢(油、水、灰塵等)，造成閥芯卡阻,致使干燥塔不能正常切換。在閥芯的4 個滑動支腿上鉆孔、加裝鋼球變滑動摩擦為滾動摩擦，變面接觸為點接觸。技改后，其摩擦阻力大大減小，閥芯在閥座內活動自如[3]，如圖1所示。

圖1 梭閥技改圖

及時更換失效的電磁閥，是解決電磁閥故障的有效手段。

2）對儀表風管線進行技術改造。年度檢修期間，在蘇里格南C1集氣站所有氣動球閥進氣的儀表風管線上增加單流閥（圖2）。加裝單流閥后，當儀表風球閥有微微漏氣時，氣動球閥氣缸里的壓縮空氣仍在氣缸存留，沒有從漏點泄放，從而氣動球閥不會出現關閉現象。

圖2 氣動球閥進氣儀表風管線技改示意圖

3）利用數字化系統對管線供氣壓力進行監控。年度檢修時，在干燥塔下游管線上增加一臺壓力變送器。同時在值班室站控電腦上增加聲光報警參數，空壓機下游管線壓力位號PT_1102，高報設定為1.25 MPa，低報設定為0.65 MPa。在干燥塔出口管線增加壓力變送器后，通過對比凈化空氣總管線壓力和凈化空氣下游管線壓力可得出儲氣罐進出口差壓從而可實時監測壓力數據。聲光報警的設置，實現了在值班室實時掌握壓力變化情況，當壓力超出范圍，則會報警。

3.5 環境因素解決方案

3.5.1 自然環境因素解決方案

三位兩通閥是執行器連接電磁閥和氣缸的關鍵設備，其在氣動執行機構中的主要作用是導通或切斷氣源，從而改變氣流方向，最終實現氣動執行機構動作。常見開關型氣動執行機構動作原理如如圖3所示[4]。

圖3 開關型執行機構開、關閥原理

開閥動作：電源開關b 觸點吸合，電源開關a 觸點斷開。電磁閥SOL2 得電換向，電磁閥SOL1 失電換向。主氣源由電磁閥SOL2 進入氣缸有桿腔，氣缸活塞桿拉動閥桿向左動作，氣缸無桿腔內氣流經SOL1排空，閥門打開。

關閥動作：電源開關a 觸點吸合，電源開關b 觸點保持斷開不變。電磁閥SOL1 得電換向，電磁閥SOL2保持失電狀態不變。主氣源由電磁閥SOL1進入氣缸無桿腔，氣缸活塞桿推動閥桿向右動作，氣缸有桿腔內氣流經SOL2排空，閥門關閉。

環境中的水和砂子雜質在閥腔體中會堵塞出口，造成閥位不通，影響閥門開關。整改措施：將三位兩通閥的放空管變為彎管，使得水和砂子不易進入腔體，從而改善因三位兩通閥故障造成閥門關斷的情況。

3.5.2 環境溫度因素解決方案

統計對比近4年站內減壓過濾器故障分類及數量。解決方法為及時更換新型的漏氣減壓過濾器。由于新型的減壓過濾器下端有放氣閥，可以及時吹掃水汽和雜質，使得過濾器內不存留雜質，從而解決漏氣的問題[5]。

4 方案實施成果

4.1 電路故障解決方案實施成果

4.1.1 UPS失電解決方案實施成果

利用每年檢修中檢查蓄電池及UPS 的運行狀況及使用壽命信息，及時更換受損電池，確保供電正常。因UPS 蓄電池饋電導致電信號無法傳輸至電磁閥的問題每年都在遞減，2017年以后已完全解決并消除。

4.1.2 空壓機斷電停機解決方案實施成果

C1集氣站配備了一臺高功率柴油發電機，當停電時，立即切換到備用發電機組，完全實現供電，此方案實施效果達成。

4.2 氣源供給不足解決方案實施成果

按照《BETTIS 執行器操作說明》對蘇里格南C1集氣站所有氣動球閥重新實施壓力標定作業后，所有氣動球閥供氣壓力充足，無一臺氣動球閥因標定壓力原因異常關斷，關斷率降至5%以下，對策目標實現。

4.3 閥門卡阻解決方案實施成果

4.3.1 閥體內部球面卡阻解決方案實施成果

通過清除閥體內的水垢、利用甲醇和伴熱等方法消除閥芯水合物堵塞、通過拆解閥體將雜質取出這3 項舉措，有效地解決了閥體內部球面卡阻的問題，方案目標實現。

4.3.2 氣動執行機構卡阻解決方案實施成果

通過更換受損或脫落的O 型密封圈，并且涂抹密封脂，有效地實現了閥桿空氣不漏失，執行機構動作靈活的目標。

4.4 設備因素解決方案實施成果

新的梭閥、電磁閥安裝完成后，對干燥塔進行投運前調試，試運行狀態良好，運行6 個月，每月監控運行情況。

2018 年下半年梭閥和電磁閥的故障次數均各有一次，小于總數3次的目標值。

對儀表風管線進行技改，在進口增加單流閥，實施后只有進站干管區的一處單流閥因故障出現氣體回泄，全站共48 臺氣動球閥，回泄率為2%，故氣動球閥氣缸的壓縮氣體回泄率降至5%以下，方案目標實現。

通過在干燥塔下游管線增設壓力變送器，在站控增設聲光報警，可實時掌握壓力變化的情況。當管線壓力異常時，站控報警率達到100%。

4.5 環境因素解決方案實施成果

4.5.1 自然環境解決方案實施成果

對三位兩通閥進行整改，將三位兩通閥的放空管變為彎管，使得水和砂子不易進入腔體。通過近3年數據統計對比，蘇里格南C1集氣站因三位兩通閥故障造成氣動球閥異常關斷的次數明顯下降。

4.5.2 環境溫度解決方案實施成果

蘇里格南C1 集氣站在檢修期間檢查記錄站內漏氣的減壓過濾器，通過更換安裝下端裝有放氣閥的新型減壓過濾器，及時吹掃水汽和雜質，使得過濾器內不存留雜質，徹底解決了因漏氣導致氣動球閥異常關斷的問題，效果顯著。

4.6 總體效果

2017 年C1 站因氣源故障異常關斷的氣動球閥為6 個，對策實施后，2018 年C1 站因氣源故障異常關斷氣動球閥為2 個。異常關斷率由對策實施前12.5%降至實施后4.16%，降低至目標值5%以下，現狀得到明顯改善。

氣動球閥開關頻次減少，使空壓機不會長時間運行，延長了空壓機的使用壽命。氣動球閥損壞率下降，生產設備、管理成本降低。閥門異常關斷率大幅下降，使集氣站憋壓從而產生安全隱患的幾率大大降低，提升了安全系數。

5 措施鞏固

為鞏固效果，針對上述關鍵對策，制定了以下標準（表2）。

表2 項目鞏固形式及標準

6 結束語

在對氣動球閥異常關斷的原因分析、方案制定及實施、成果檢驗和措施鞏固的過程中，5類造成氣動球閥異常關斷故障對策的實施，可以解決現有集氣站氣動球閥異常關斷的問題，從而大大降低了氣動球閥異常關斷的風險，提高了設備的使用壽命，消除了生產隱患，對集氣站的正常安全生產提供了有力的技術支撐。同時為其他集氣站設備的工藝優化提供了更安全、有效的建議。