多功能異徑電動三通閥研制

齊園園 郭亞紅 王曉東 賈海海

西安長慶科技工程有限責任公司，陜西 西安 710018

0 前言

天然氣集氣一體化集成裝置，適用于中低壓、非酸性集氣站場，能夠代替氣田常規非增壓集氣站。 該裝置可實現獨立運行、遠程關斷、自動排壓集氣，且具有進站緊急截斷、干管遠程放空、氣液分離、流程切換、外輸計量、自動排液、安全放空、動態監測、智能報警等功能，滿足氣田數字化、智能化的管理要求。 與常規集氣站相比，裝置節約了用地、縮短了設計及施工周期、降低了工程投資。

裝置優勢明顯，但流程復雜，閥門管線繁多，如果采用常規閥門成橇難度大，且市場上三通閥存在采購費用高、采購周期長、售后服務滯后等問題，能夠完全滿足裝置工藝要求的產品鳳毛麟角，嚴重影響裝置的研發和推廣。 只有采用集進站緊急切斷、去分離器流程切換、去放空流程切換等功能于一體的多功能異徑電動三通閥來替代多個單一閥門，才能有效節約空間，便于成橇。 因此，研制滿足裝置優化及數字化管理要求，且具有自主知識產權的多功能異徑電動三通閥，成為裝置順利研發和推廣的必要前提。

1 天然氣集氣一體化集成裝置

1.1 工藝流程

天然氣集氣一體化集成裝置工藝流程見圖1。

圖1 天然氣集氣一體化集成裝置工藝流程

天然氣集氣一體化集成裝置將集氣站的進站截斷、干管遠程放空、氣液分離、流程切換、外輸計量、清管、自用氣供給、 閃蒸、 放空分液等9 大功能集成在1 個橇體上，其功能、自控水平與數字化集氣站一致，以減少站場設備，簡化施工，減少占地，降低投資。

1.2 多功能異徑電動三通閥作用

通過分析，多功能異徑電動三通閥在天然氣集氣一體化集成裝置工藝流程中處于重要位置，主要是用在流程切換的工況下，用1 個三通閥代替2 個常規閥，能簡化進站放空和進壓縮機切換的流程，減少工藝閥門數量和橇體體積，便于裝置的橇裝化。 工藝流程中多功能異徑電動三通閥具有以下作用：采氣管線進站截斷；采氣管線與去分離器管線連通，與去放空管線截斷；采氣管線與去放空管線連通，與去分離器管線截斷。

2 多功能異徑電動三通閥研發思路

針對多功能異徑電動三通閥在天然氣集氣一體化集成裝置上的作用，從裝置的研發實際出發，對其工藝要求進行系統分析，優化結構設計，研制出滿足需求的多功能異徑電動三通閥，該閥門滿足以下要求：滿足進站緊急切斷、去分離器流程切換、去放空流程切換等工藝要求；設計合理的閥門結構，選用優良的電動執行機構，滿足數字化管理；具有體積小、重量輕的特點，滿足天然氣集氣一體化集成裝置成橇需要；選用安全、經濟的材料，降低成本，節約采購費用。

3 多功能異徑電動三通閥結構設計

3.1 參數確定

根據工藝管線的壓力和裝置處理量等參數，確定多功能異徑電動三通閥的主要設計參數［1-2］，見表1。

表1 多功能異徑電動三通閥主要設計參數

根據多功能異徑電動三通閥種類、扭矩大小（即開啟閥門時輸入到閥桿中的力矩）、井口直徑、壓力等級、連接方式、主體材料和內件材料［1］，確定閥門執行機構主要參數［3-4］，見表2。

表2 多功能異徑電動三通閥執行機構主要參數

3.2 結構選擇

多功能異徑電動三通閥的進口端、放空端、出口端同時要求截斷密封， 或者放空端和出口端截斷密封、而進口端的介質可進入閥室中腔。 根據球閥的結構特點，結構形式分為浮動球式和固定球式，兩種結構形式比較見表3。 根據比較結果，本設計選用固定球式結構。

表3 固定球式和浮動球式結構對比

3.3 結構設計

天然氣由采氣管線經多功能異徑電動三通閥到達氣液分離器，經過氣液分離器等流程后，計量外輸。 多功能異徑電動三通閥在此過程中起如下作用：關斷作用，A、B、C 全部關斷，設備停止運行，見圖2；開啟作用，A 進B出，C 關斷，設備正常工作，見圖3；緊急關斷放空作用，A進C 出，B 關斷，管線或設備異常時，及時放空，見圖4。

3.4 確定閥芯和閥座密封面

天然氣集氣一體化集成裝置通過管道收集天然氣，介質中含有其它雜質甚至是固體顆粒，因此，球體和閥座的密封面宜采用硬密封［5］。

圖2 關斷狀態

圖3 開啟狀態

圖4 緊急狀態

4 多功能異徑三通閥質量控制點

4.1 設計質量控制點

a） 選用固定球式結構對彈性元件、 閥體的加工、閥座公差的控制和密封圈的壓縮量都有較高的要求。 為保證多功能異徑電動三通閥實際運行時 （有介質壓力）閥座與球體之間有足夠的接觸力，閥體軸向與閥座和球體間實現過盈配合，過盈量的調節通過閥座后面的彈性元件實現。

b）球體和閥座間密封面大小的確定。密封面須滿足球體的強度和剛度要求，閥座密封面的密封比壓、球體換向旋轉的偏移量等參數也應符合設計要求［6］。

4.2 制造質量控制點

a） 對于閥體的軸向距離和對中度、閥體與閥座間的公差、閥桿與球體間的配合尺寸等加工要求，制造時應采用數控機床來保證加工精度。

b） 球體在噴涂硬質合金的過程中，應避免加重球體使之變形。 尤其在球體加工過程中，采取有效措施或工裝，避免球體變形影響球體圓度［6］。

5 結論

多功能異徑電動三通閥成功投運后， 現場運行平穩、安全可靠，各項參數均滿足設計要求，同時降低了采購費用、縮短了采購周期，不僅解決了天然氣集氣一體化集成裝置生產的燃眉之急，也符合長慶油田公司低成本發展戰略，更利于裝置的應用推廣。 目前，天然氣集氣一體化集成裝置在蘇里格氣田成功應用13 臺/套、 在神木氣田成功應用2 臺/套， 預計2014 年將擴大推廣應用規模，多功能異徑電動三通閥與天然氣集氣一體化集成裝置一起，將促進致密氣藏低成本有效開發。

［1］GB/T 12237-2007， 石油、 石化及相關工業用的鋼制球閥［S］.GB/T 12237-2007, Steel Ball Valves for Petroleum, Petrochemical and Allied Industries［S］.

［2］GB/T 12221-2005，金屬閥門 結構長度［S］.GB/T 12221-2005，Metal Valves—Face to Face，End to End，Center to Face and Center to End Dimensions［S］.

［3］ 余 龍. 閥門三維參數化建模與仿真分析［D］. 蘭州：蘭州理工大學，2005.Yu Long,The 3D Parametric Modeling and Simulation Analysis of Valve［D］. Lanzhou： Lanzhou University of Technology,2005.

［4］ 李 勇, 姚 進, 彭廷紅, 等. 閥門三維參數化CAD 系統開發［J］. 機械科學與技術,2002,21(5)：856-860.Li Yong，Yao jin，Peng Tinghong，et al. The Development of CAD System in 3D Parametric of Valve［J］.Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2002,21(5)：856-860.

［5］ 俞樹榮,高 揚,張希恒. 基于有限元的浮動球閥密封比壓分析［J］. 閥門,2006，(2)：25-28.Yu Shurong，Gao Yang，Zhang Xiheng. Sealing Pressure Analysis of Float Ball-valve Based on FEA［J］.FAMEN,2006，(2)：25-28.

［6］ JB/T 9092-1999，閥門的試驗與檢驗［S］.JB/T 9092-1999,Valve Inspection and Testing［S］.