減壓閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損原因分析及應對措施

劉超

國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司油氣調(diào)控中心

減壓閥廣泛使用在石油化工管輸系統(tǒng)中，通過接受調(diào)節(jié)控制單元輸出的控制信號，借助動力操作調(diào)整閥腔內(nèi)節(jié)流部件相對位置，改變有效過流面積，最終控制介質(zhì)流量、壓力、溫度、液位等工藝參數(shù)[1-2]。對于線路上存在高點或翻越點的長輸液體管道，多通過設置減壓站的方式保持站前管段壓力為正壓，避免高點發(fā)生拉空運行的現(xiàn)象[3-4]。由于減壓閥受高速流體沖刷、沖擊且其工作條件嚴酷，其故障率也較高。

1 減壓閥工作原理

我國某長輸管道由于在線路上存在高點和翻越點，因此設置有三座減壓站（甲、乙、丙），均采用CCI（Control Components Inc.，美國控件有限公司）迷宮結(jié)構(gòu)減壓閥，為防止閥門、執(zhí)行機構(gòu)突發(fā)故障或失效，采用一用一備設置，同時為避免管道內(nèi)機械雜質(zhì)對減壓閥的損傷及堵塞，在減壓閥流程上游設有臥式過濾器，同樣采用一用一備設置[5-6]。

閥籠是減壓閥的核心部件，該結(jié)構(gòu)又被稱為迷宮套。管輸介質(zhì)在閥腔內(nèi)部進入閥籠方式為側(cè)進底出。閥籠由多層盤片結(jié)構(gòu)疊合而成，每一層碟片設有多條流道，每一流道均設有特定數(shù)量的直角轉(zhuǎn)彎（圖1）。流體沿流道經(jīng)過每一個直角轉(zhuǎn)彎時，其具有的能量被消耗，從而達到逐級減壓的目的[7-8]。

圖1 閥門內(nèi)部迷宮結(jié)構(gòu)Fig.1 Labyrinth structure inside the valve

閥塞外徑與迷宮內(nèi)徑相等，在閥桿驅(qū)動下，閥塞在迷宮套內(nèi)上下移動做軸向活塞運動。當閥塞完全進入迷宮套時，流道被全部堵死，閥門開度為零；當閥塞底部上升至迷宮套頂部時，其內(nèi)部空間被完全騰空，全部流道可供流體通過，閥門開度為100%。

2 減壓閥故障分析

2.1 故障簡況

2009 年該管道采用油推水的方式進行投產(chǎn)試運。考慮到管道內(nèi)雜質(zhì)較多，出于保護減壓閥的目的，在投產(chǎn)初期輸水時曾使用節(jié)流截止閥暫時代替站場內(nèi)迷宮減壓閥控制進站壓力，保證管道滿管運行；柴油頭進站前拆除節(jié)流截止閥，將CCI減壓閥裝回并進行PID（Proportion Integration Differentiation，比例積分微分）調(diào)試；投產(chǎn)之后全線減壓閥運行均較穩(wěn)定。然而自投產(chǎn)后第四年開始，乙、丙兩站減壓閥運行逐漸出現(xiàn)異常。在穩(wěn)定輸油工況下，閥門閥位與投產(chǎn)完成后相比明顯偏小，例如乙站減壓閥開度僅有7%；且減壓閥在PID 自動控制狀態(tài)下閥位不能保持穩(wěn)定，閥門開度周期性變化，繼而使過站流量及進出站壓力也產(chǎn)生相應波動。查閱投產(chǎn)完成后該閥門運行記錄，在流量為750 m3/h的工況下，減壓閥開度為32%，且運行平穩(wěn)可靠。維修人員對減壓閥進行拆解后發(fā)現(xiàn)閥芯受到嚴重損傷（圖2）。該部件由26 層碟片疊合而成，位于下部的三至四層碟片損傷程度最嚴重，此現(xiàn)象與運行時閥門開度僅為7%左右的情況相吻合。由于閥籠密封面也被損壞，如果不及時對閥門進行維修，將很快危及閥座。

圖2 閥芯下部受損照片F(xiàn)ig.2 Photo of damaged bottom of valve core

2.2 故障原因

由于規(guī)劃設計部門對管道油源及沿途市場需求預測失誤，管道投產(chǎn)后實際輸量一直較小。單次啟輸?shù)墓茌斄可儆谡鹃g距管容量，因而管道自投產(chǎn)后一直未進行清管作業(yè)（否則停輸時，清管器將留在管道內(nèi)）。管道內(nèi)機械雜質(zhì)在投產(chǎn)期隨氣/水隔離球和油水隔離球排出一部分，但仍有相當部分被留在管道內(nèi)。盡管減壓閥前設置有過濾器，但小顆粒機械雜質(zhì)不可避免隨液流進入閥門。油流經(jīng)過迷宮套內(nèi)流道時速度較快，高速液流裹挾機械雜質(zhì)在迷宮內(nèi)流過時高速撞擊流道內(nèi)壁，使得迷宮受到雜質(zhì)的磨蝕損傷，而這種損傷一旦開始則不可逆轉(zhuǎn)并將加速進行。迷宮設計的目的即為變單級減壓為多級減壓，防止節(jié)流結(jié)構(gòu)遭受氣蝕，然而流道受損后，多級減壓級數(shù)減少，甚至變?yōu)閱渭墱p壓，因此迷宮內(nèi)壁運行后期還會同時受到氣蝕損傷[9]。

在液流沖蝕、雜質(zhì)磨蝕和閃蒸氣蝕的共同作用下，迷宮流道不斷變大，導致閥門開度逐漸變小，最終的結(jié)果是最下方7%的流道節(jié)流效果與原來32%的流道所產(chǎn)生的效果相當，同時也意味著7%的流道將遭受原32%的流道所受到?jīng)_擊和磨損。如圖3中實線與虛線分別為廠家給出調(diào)節(jié)閥特性曲線和迷宮受損后發(fā)生畸變的曲線。CCI減壓閥調(diào)節(jié)特性為線性，由于迷宮套受到損傷，其特性曲線也發(fā)生改變，7%左右的開度承擔了受損前30%開度的過流任務，并且開度在7%以內(nèi)閥門調(diào)節(jié)特性發(fā)生變化，呈快開特性；而迷宮上部大部分的流道由于未曾使用，所以未受影響，仍具有線性特性，其特性曲線應與原特性曲線斜率相同[10]。

3 故障處理方式

通過現(xiàn)場圖片（圖4）可知，閥籠受損部分主要位于下方，大約占流道總數(shù)的7%，而位于該部分上方的絕大多數(shù)流道由于長期得不到使用，其內(nèi)部迷宮結(jié)構(gòu)并未受損。閥籠作為調(diào)節(jié)閥的核心部件，不僅造價高而且加工周期長，對其進行徹底更換不僅不經(jīng)濟而且管道運行時間窗口也不允許。因此，在考慮閥門維修方案時，如何避開已經(jīng)損壞的流道而使用上部尚未受損的部分是修理的主要方向。

圖4 堵塞受損流道后的閥籠與倒置安裝于閥座之上的閥籠Fig.4 Valve cage after blocking the damaged passage and valve cage installed upside down on the valve seat

3.1 堵塞受損流道

確定故障處理思路后，最終決定丙站采取焊接的方法對迷宮下部受損部分進行機械封堵（圖4）。通過對減壓閥工作原理的分析可知，閥門開度隨閥塞在迷宮空腔內(nèi)的上下位移而變化，閥門全關(guān)時，閥塞完全進入空腔，流道全部被堵塞；閥門全開時，閥塞由空腔內(nèi)全部退出，油流通過全部流道。對受損流道封堵后，當閥塞位移約7%時，閥門實際過流能力為零；隨著閥塞的繼續(xù)位移，上部未受損的流道開始過流，過流能力開始由零增大；當閥塞全部退出迷宮空腔時，閥桿位移為100%，但其實際過流能力約為原值的93%。

3.2 閥籠倒置

將迷宮倒置安裝是另一種維修方式，這種方式更加簡單易行。通過對乙減壓站閥籠進行測量，發(fā)現(xiàn)CCI 迷宮閥籠上下兩端內(nèi)外徑的尺寸完全相同，密封面處理程度也相似，因此采取了直接將其倒置安裝的處理方式。閥籠倒置安裝后，受損的流道處于上部，原來完好的流道處于下部，同樣也可以達到避開受損部分的目的。當閥塞在迷宮內(nèi)空腔開始向上進行位移時，閥門Kv值變化情況過程與原來的情況并沒有很大差別，只是在閥門開度約為90%及以上時，其過流能力突然增大（呈現(xiàn)等百分比特性）。

4 減壓閥維修效果評價

兩種方式都可以避開已經(jīng)損壞的流道而使用上部尚未受損的部分最終達到排除故障的目的，但二者既有相同之處又各有特點。

這兩種故障維修方式都改變了減壓閥特性曲線（圖5），受損流道堵塞后閥位開度在0～7%時閥門過流能力實際為零；由于原特性曲線為線性，所以當閥桿位移超過7%后，閥門開度與其過流能力變化關(guān)系仍然呈線性特性；當閥門開度到達100%時，雖然已有流道全部打開，但下部7%的受損流道已被堵死，其過流能力約為原值的93%。在投產(chǎn)初期正常工況下丙站閥位只有30%，顯然不存在使用減壓閥過流能力93%及以上的工況。所以這種犧牲部分過流能力的方式可以滿足管道運行工況的需要。

圖5 維修后減壓閥特性曲線Fig.5 Characteristic curve of pressure reducing valve after maintenance

乙站將閥籠倒置后，減壓閥特性曲線也相應的會發(fā)生倒置，變化后的特性曲線與原曲線呈中心對稱。由于原閥門特性為線性，故倒置后的新曲線在中小開度時其曲線也是線性的，當閥桿位移到原來受損的部分時，其過流能力會突然增大。同理，由于正常工況下乙站減壓閥開度僅為32%，不會使用最上部受損的部分，因而將閥籠倒置的方式也可以滿足管道實際運行的需要。

此外，堵塞受損流道的維修方式還可以進行有限次數(shù)的重復，只要閥籠上部未受損部分占40%及以上（主要考慮滿足管道運行工況需要），就可以采用此方法進行重復性修復（圖5即為丙站第二次修復曲線）；而倒置安裝閥籠的方式僅能夠使用一次，當迷宮再次被傷蝕，依然要采用堵塞流道的方式進行維修。

5 結(jié)論

（1）針對減壓閥受損故障在不更換新閥籠的前提下，通過以上兩種維修處理方式都可以達到最終排除故障的目的。因此對同一種故障處理不應拘泥于一種方式，而要通過思維發(fā)散有所創(chuàng)新。

（2）對減壓閥的修復目的是使其恢復至原有運行狀態(tài)，本質(zhì)是修復其畸變的閥門特性，但最終都直觀地反映到閥門特性曲線上并獲得解釋。

（3）在當前管道關(guān)鍵設備國產(chǎn)化的趨勢背景下，進口設備核心部件的成功維修對于國產(chǎn)設備研發(fā)工作有著重大的指導意義。