海水流程中截止閥內漏的原因及應對措施

李新東

(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤南作業公司 天津300459)

0 引 言

天然氣壓縮機作為海上采油平臺的重要設備，其冷卻器通常使用海水作為冷卻介質。在實際使用中，發現各冷卻器海水出口閥門經常出現內漏現象。特別是在冬季，不能精確調節通過冷卻器的海水流量，閥門全關時，內漏的水量依然很大，被海水冷卻后的天然氣溫度過低，導致流程后的回流調節閥經常產生凍堵現象，無法保證天然氣的壓力穩定。

原始設計冷卻器海水出口閥為普通形式的直通式截止閥，材質為耐海水腐蝕的銅鎳合金。普通形式截止閥長時間用于流量調節時，液體從高壓側向低壓側流動，導致閥瓣和閥座被腐蝕，閥門關閉不嚴，不能精確調節海水流量。據統計，各冷卻器閥門平均使用1.5a后，就會出現嚴重的內漏現象，所以查找腐蝕的主要原因、延長閥門的使用壽命尤為重要。

1 截止閥的工作原理

截止閥屬于強制密封式閥門，通過對閥桿施加扭矩，閥桿在軸向方向上向閥瓣施加壓力，使閥瓣密封面與閥座密封面緊密貼合，阻止介質沿密封面之間的縫隙泄漏。截止閥的啟閉件是圓柱形的閥瓣，密封面成平面，閥瓣沿流體的中心線作直線運動。

2 腐蝕機理

2.1 氣蝕腐蝕

氣蝕是流體在高速流動和壓力變化條件下，與流體接觸的金屬表面上發生洞穴狀腐蝕破壞的一種現象。由于海水的擴散、漩渦、流道過窄和振動，會在流體中某些部位形成低壓區。在材料內壁與海水界面，形成無數氣泡，并不斷潰滅，使材料壁面產生機械損傷，從而形成氣蝕[1]。氣蝕的特征是先在金屬表面形成許多細小的麻點，然后逐漸擴大形成洞穴。氣蝕的形成是由于沖擊力造成的表面疲勞破壞所致，同時在液體的化學和電化學作用下，加速氣蝕的破壞過程。當液體在與固體表面接觸處的壓力低于它的飽和蒸氣壓力時，在固體表面附近形成氣泡。另外，溶解在液體中的氣體一同析出形成氣泡。當氣泡流動到液體壓力超過氣泡壓力的部位時，氣泡潰滅，瞬時產生極大的沖擊力。金屬表面長期經受這種沖擊力的作用，會產生疲勞脫落，表面出現小型凹坑，進而發展成海綿狀，嚴重時可在表面形成大片凹坑。

2.2 沖刷腐蝕

海水對密封面的沖刷腐蝕程度通常隨著流速的增大而增加。海水流速若超過材料允許的臨界流速時，材質表面則會被空泡及紊流引起的沖擊腐蝕破壞。紊流腐蝕是由于截止閥在海水中工作時承受海水的高壓力，在開啟或關閉過程中，海水的流速很大而形成紊流，不僅增加了氧去極化劑的供應量，而且使流體對金屬表面的切應力增大。由于海水中還攜帶有大量泥砂等固體顆粒物，加劇了閥瓣和閥座的表面磨損。同時由于截止閥的結構復雜，開啟或關閉時水流沖擊閥門內壁，高流速海水沖刷破壞金屬材料表面的保護膜。同時流速過大，會發生空泡腐蝕，使閥體表面腐蝕成海綿狀或大凹坑[2]。

2.3 電偶腐蝕

電偶腐蝕是當 2種不同的金屬材料處于電導率較高的海水溶液中，會有電流從電位較低的金屬流向溶液，再經溶液流向電位較高的金屬。在這種電極反應過程中，低電位的陽極金屬除本身氧化還原反應的耦合而引起的腐蝕外，還因和電位高的金屬接觸所形成的外加陽極電流作用而發生溶解。陽極材料從固體的金屬狀態，變成溶液中的帶正電荷的離子狀態而造成腐蝕[1]。

2.4 縫隙腐蝕

縫隙腐蝕是一種很普遍的局部腐蝕，也可看作是一種在宏觀腐蝕電池作用下的電化學腐蝕。在銅鎳合金閥門的閥體和閥蓋與法蘭的結合處、閥瓣與閥桿的連接處、閥瓣和閥座貼合的密封表面等部位，由于縫隙的存在，導致海水等介質會滯留在其中。腐蝕在開始階段，氧去極化腐蝕在縫隙內外均勻進行，隨著腐蝕時間的增長，存在于縫隙內的氧得不到及時補充，使氧的還原反應中止?？p隙外的氧還原反應仍然可以持續進行，使得縫隙的內外構成宏觀的濃差電池，由于氧濃差電池的存在，促進了腐蝕作用的發生。隨著陽極的腐蝕反應不斷發生，縫隙內的金屬陽離子富積，腐蝕產物堵塞縫隙口，促使介質中的氯離子進入維持電荷的平衡，金屬氧化物的水解導致酸化，腐蝕現象更加劇烈[2]。閥門開度對沖蝕特性影響很大，不僅影響沖蝕速率的大小還影響其分布，當閥門半開時，密封面的沖蝕速率遠大于全開時的沖蝕速率[3]。

3 截止閥密封面的腐蝕原因

造成截止閥的密封面腐蝕原因有很多，例如：氣蝕、含有雜質的流體沖刷、閥門閥瓣和閥座的材質硬度不夠、使用材質耐介質腐蝕性能差、閥門的制造工藝性沒有達到設計要求、電偶腐蝕、縫隙腐蝕、氧濃度差腐蝕等等。

截止閥密封面處于以下2種工作狀態時，最容易產生腐蝕：第 1種狀態是截止閥處于小開度時，此時海水流動速度快，產生紊流腐蝕和空泡腐蝕；第 2種狀態是截止閥處于完全關閉位置時，此時密封面之間比較狹窄，閥瓣和閥體密封面此時結合的部位是一條線，2個密封面之間存在一定的縫隙，長時間經過海水浸泡，使海水介質處于滯流狀態，造成縫隙內金屬的縫隙腐蝕。當縫隙腐蝕加劇后，就會導致閥門密封面之間產生內漏。由于海水通過縫隙的流動速度過快，夾有氣泡的海水高速沖擊密封面，并伴隨氣泡在密封面附近生成和潰滅，就會產生紊流腐蝕和空泡腐蝕，進一步加速閥門密封面的腐蝕，最終導致閥門密封面完全失效。

結合以上腐蝕過程和對天然氣冷卻器海水出口的閥門密封面的腐蝕情況分析，得出失效的主要原因是由于空泡氣蝕腐蝕和含有雜質的海水紊流沖刷腐蝕所致。

4 采取的應對措施

因為海水中含有的泥沙等雜質不可避免，去除雜質成本相對較高，所以減少空泡氣蝕的發生，就可以適當延長閥門的使用壽命。通過對普通形式截止閥的結構和原理分析，及各種形式閥門形式對比，最終確定將截止閥更換為套筒式節流閥，不僅外形尺寸相同，也可以有效減少氣蝕的發生，同時能相對減緩海水對密封面的沖刷速率。

5 兩種閥門的對比

普通形式截止閥與套筒式節流閥閥體的外形尺寸相同，內部結構形式基本相同，只是密封面附近多了一套鼠籠結構。

普通形式截止閥是當流體通過閥門時，流體的阻力引起壓力下降，同時流速成比例增加。閥門提供的阻力越大，流速的增加也越大。對不同的流體工況，通過閥門的能量改變會引起氣蝕和空氣動力噪音問題。

套筒式節流閥是通過鼠籠結構，降低氣蝕和空氣動力噪音，減少氣蝕和沖刷對閥門的影響。通過鼠籠結構，將壓力控制在臨界壓力(Pvc)以上，連續吸收壓降產生的能量，實現對氣蝕的控制。流道的阻力增加，Pvc得以控制，這樣避免了氣蝕和沖刷的產生。通過鼠籠結構，控制通過閥門的海水流速來控制海水流動產生的空氣動力學噪音，連續吸收壓降產生的能量，將通過閥門的流速控制在可以接受的范圍內，減少海水的高流速沖刷腐蝕。

6 結 論

通過現場使用發現，普通形式截止閥平均使用時間為 1.5a；換型為套筒式節流閥后，使用時間最長的閥門已連續使用 3a，未見明顯的內漏現象。換型前后的對比顯示，閥門的使用壽命延長，取得了良好的效果，不僅節約了大量費用，減少了人員的勞動強度，也為海上平臺的平穩運行提供了有力的保障，同時也為其他平臺提供了很好的借鑒。■