高含硫酸性氣田關鍵自截閥門故障原因分析與優化

摘 要 元壩氣田各集輸場站上下游氣源截斷處設置了關鍵自截緊急切斷閥（ESDV），在運行過程中，各采氣場站、各供應廠家氣控ESDV閥先后發生了如執行機構密封失效漏氣、儀表風進氣壓力超壓、遠傳就地狀態顯示不一致、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，結合生產運行工況，提出進氣壓力優化、新增關鍵閥門關閥聲光報警、執行機構上方增設擋棚、定期保養關鍵部件等優化措施，確保關鍵自截閥門運行平穩，氣源截斷快速有效。

關鍵詞 ESDV閥 高含硫酸性氣田 故障原因分析 優化

中圖分類號 TP23"" 文獻標志碼 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，加之山地地形復雜，安全生產形勢嚴峻。緊急切斷閥（ESDV）作為關鍵自截閥門，具有易操作和高穩定的特點，在各集輸工程場站出站以及上游進站的酸氣管線、返輸的燃料氣進站管線、分離器液路管線上均有設置，達到工藝參數超出正常運行工況范圍、管線出現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、降低生產裝置損壞風險的目的，是氣田安穩長滿優運行的關鍵設備［1～4］。自元壩氣田試采工程、滾動建產井站調試投產以來，各供應廠家氣控式ESDV閥先后出現多種故障，主要表現為兩位三通電磁閥故障、執行機構密封失效漏氣（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）、儀表風進氣壓力調節不當、遠傳就地顯示狀態不一致等，極大地影響了氣田的穩定生產。筆者結合生產工況深入分析故障原因，提出了優化措施。

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/切斷儀表風氣源來實現遠程控制關閥，并參與生產場站緊急停車系統（SIS）的聯鎖邏輯，保證發生異常情況時關閥快速有效［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，即電磁閥得電狀態下，氣源路導通，氣缸充壓，氣體推動缸內活塞拉動執行球閥旋轉打開；電磁閥失電狀態下，放空路導通，氣缸泄壓，失去氣源后活塞復位，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遠程控制，為確保生產安全，中控室可遠程關閥；打開則需遠程復位觸發聯鎖邏輯后，再就地對電磁閥復位。氣缸頂部帶有閥位指示器，內置遠傳回訊開關，從人機界面指令發出到執行球閥關閥到位，響應時間一般不超過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，通過旋轉手輪帶動彈簧推動活塞，拉動執行球閥打開。業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，常用于生產狀態下對閥門進行在線維修。

2 氣控ESDV閥常見故障及原因分析

ESDV閥作為精密關鍵自控閥門，在元壩高含硫酸性氣田環境運行過程中發生過多種故障，主要表現形式有：兩位三通電磁閥故障、執行機構密封失效漏氣（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）、儀表風進氣壓力調整不當、遠傳就地狀態顯示不一致等。其中，因執行機構密封失效漏氣導致氣缸壓力不穩而關閥的異常現象占所有故障的60%以上，嚴重影響了氣田的正常生產運行管理和經濟效益。

2.1 執行機構密封失效漏氣

氣控ESDV閥的控制核心是執行機構，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氣源到過濾調壓閥、電磁閥氣路管線的連接絲扣松動、生料帶老化導致氣源滲漏；氣缸漏氣常由于外部環境影響導致氣缸磨損銹蝕、管壁穿孔，缸內氣源外漏；絲桿漏氣則常因其內置密封圈老化變形失效或多次旋轉手輪硬屏蔽閥門，導致密封銅套磨損，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致氣缸內氣源壓力不穩定，無法有效固定缸內活塞保持開閥狀態，存在異常關閥風險。

2.2 儀表風進氣壓力調整不當

儀表風氣源進氣壓力過大，會導致連接管線抖動幅度相應增加，絲扣、卡箍連接處易松動，并易損壞兩位三通電磁閥內部氣路結構，造成電磁閥滲漏，同時會觸發調壓閥后溢流閥起跳泄壓，而氣源壓力過小，缸內壓力不足，不能有效推動活塞開閥。因此，合理調節進氣壓力是ESDV閥穩定運行的有效保障。

2.3 遠傳就地狀態顯示不一致

遠傳就地狀態顯示不一致主要表現為：

a. 人機界面上閥門開關狀態與就地閥位指示器開關狀態不一致；

b. 人機界面閥門狀態未開到位/關到位；

c. 人機界面閥門無狀態。

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，閥門行程動作未到位；

c. 網絡通信波動，場站數據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，3個氣路通道出口，分別為進氣口、出氣口、泄壓口［8～11］。一般采取雙線圈控制，通過閥內線圈得電/失電推動活塞切換工作位置，達到觸點吸合/斷開的效果，實現進氣口-出氣口導通、出氣口-泄壓口導通，進而控制執行球閥的開關動作（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位，電磁閥得電后，發現氣源路未導通，執行球閥無法正常開啟；或電磁閥失電后，泄壓路未導通，執行球閥無法正常關閉。

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（參照不同型號規格標準）。

b. 若執行上述步驟未發現問題，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象，可根據實際情況進行清潔或更換閥芯。

c. 若電磁閥出現滲漏，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，可更換內置密封圈并涂抹密封脂。

3 氣控ESDV閥優化措施

綜合分析上述多種故障并結合氣田實際運行工況，可從以下幾方面進行優化，完善安全聯鎖自控系統。

3.1 ESDV閥門關閉后聲音報警

ESDV閥門因故障出現異常關閥時，僅在人機界面報警欄上有提示，但由于采取集中監控模式，內操崗往往一人監控一個片區，覆蓋多個場站，報警列表包含片區所有場站的報警，同時含有部分誤報。因此，關鍵報警信息易被覆蓋。故在集中監控電腦配置聲光報警器（圖3），錄好音頻文件，針對ESDV閥等關鍵點位設置關閥報警外放功能；同時針對關鍵報警信息設置報警欄置頂功能，需由內操人員確認報警后方可消除。增加此功能后，可確保應急處置措施快速有效。

3.2 氣控管線進氣壓力優化

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，易導致內置密封件磨損、密封失效。同時，各連接部位易出現滲漏，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，將氣控管線進氣壓力調整到最佳范圍是要解決的問題。

正常生產運行工況下，經燃料氣調壓分配撬調壓后，儀表風氣源壓力保持在0.6～0.8 MPa。進電磁閥前設置過濾調壓閥，通過調壓閥調節壓力等級，進行模擬試驗，驗證最佳進氣壓力。試驗結果見表1。可以看出，當進氣壓力在0.45 MPa左右時，氣控管線運行較平穩，管線無異響或振動，且開關閥速度最快。因此，可于調壓閥處增加壓力表輔助調壓，并將后端溢流閥起跳壓力設置為0.5 MPa，保證進氣壓力最佳。

3.3 執行機構上方增設擋棚

ESDV閥氣缸材質一般為鑄鋼，長期暴露在潮濕環境下，易造成氣缸缸壁磨損、銹蝕甚至穿孔，導致氣源外漏。同時，電磁閥屬精密易損件，內接信號線雖有格蘭頭和撓性管保護，但潮濕環境也易造成線纜腐蝕，絕緣破損，影響信號傳輸質量。因此，可在執行機構上方增設擋棚，避免雨水淋到執行機構本體，延長其使用壽命。

3.4 定期保養關鍵部件

可利用關井及檢維修契機，對ESDV閥執行機構拆卸解體進行保養，主要包括：

a. 更換氣缸內置銅套、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，旋轉時與密封件磨損。

c. 調整回訊傳感器位置，并緊固線纜。

d. 拆卸電磁閥，清潔控制通道和閥芯雜質，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 結束語

ESDV閥作為關鍵自截閥門，是安全聯鎖自控系統的重要組成部分，在氣田各集輸場站關鍵氣源截斷處均有設置，目前運用效果較好，但經常發生如電磁閥故障、執行機構漏氣、儀表風進氣壓力不當、遠傳就地回訊狀態不一致等多種異常。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境等因素，結合生產運行工況，全面總結分析故障原因，進而提出進氣壓力優化、新增關鍵閥門關閥聲光報警、執行機構上方增設擋棚、定期保養關鍵部件等優化措施，確保關鍵自截閥門運行平穩，氣源截斷快速有效，為無壩高含硫酸性氣田的安穩長滿優運行提供保障。

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（收稿日期：2024-04-30，修回日期：2024-05-21）