天然氣長輸管道閥門電動執行機構國產化研制

郝一博 梁 浩 李 鍇 吳昌漢 彭忍社

中國石油西氣東輸管道公司,上海 200122

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天然氣長輸管道閥門電動執行機構國產化研制

郝一博 梁 浩 李 鍇 吳昌漢 彭忍社

中國石油西氣東輸管道公司,上海 200122

目前我國天然氣長輸管道閥門電動執行機構主要依靠進口,增加了天然氣管道建設和運營成本,制約了天然氣管道行業的發展。有必要開展天然氣長輸管道設備的國產化研究,在大口徑天然氣管道上使用國產電動執行機構替代國外進口產品,提高我國天然氣管道設備的保障能力。中國石油西氣東輸管道公司聯合4個廠家開展了天然氣管道閥門電動執行機構的研制工作,對標國外先進產品關鍵指標,制定了電動執行機構研制技術條件,完成了首批國產化電動執行機構的產品設計、樣機試制、工廠試驗和產品工業性試驗。國產化電動執行機構產品的性能達到了研制技術條件要求和國內外相關技術標準要求,具備批量生產條件,電動執行機構國產化定型產品可在天然氣長輸管道建設中推廣應用。

天然氣管道;閥門;執行機構;電動機;減速器;工業性試驗

0 前言

自從2000年我國建設西氣東輸等天然氣長輸管道工程以來,長距離、大口徑天然氣管道進入了建設高峰期[1-2],截至2015年,國內天然氣管道總長度達9×104km。隨著天然氣長輸管道工程建設的快速發展,對管道設備的需求大幅增加,然而天然氣長輸管道設備中的閥門電動執行機構主要依靠進口,增加了天然氣管道建設和運營成本[3-4],而且進口產品一般供貨周期較長,制約了我國天然氣管道行業的發展。目前天然氣長輸管道設備國產化需求日益迫切,在大口徑天然氣管道上使用國產閥門電動執行機構替代國外進口產品,可降低成本,提高天然氣管道設備的保障能力,提升我國機械裝備制造水平。

1 國內外閥門電動執行機構技術概況

1.1 國外技術狀況

大型天然氣長輸管道閥門電動執行機構市場[5]主要被國外公司控制,國外電動執行機構主要生產廠商為英國ROTORK公司[6]、美國Limitorque公司、德國AUMA集團公司、法國Bernard公司等。目前國外閥門電動執行機構廠家在不斷運用新技術,如英國ROTORK公司采用兩段位位置測量技術,提高產品的調節定位精度;美國Limitorque公司采用光電絕對編碼器提升產品可靠性,并解決了設備中需配置備用電池電源的結構缺陷;德國西博思電動執行機構有限公司(SIPOS Aktorik GmbH)在變頻、調速、節能方面做出了改進[7-8]。國外閥門電動執行器正朝著小型化、一體化、數字化、智能化、總線化和網絡化方向快速發展[9]。

國外閥門執行機構相關標準有API Specification 6D-2014 《Specification for Pipeline and Pipeline Valves》[10],ISO DIS 12490-2010 《Petroleum and Natural Gas Industries.Actuation,Mechanical Integrity and Sizing for Pipeline Valves》[11]。

1.2 國內技術狀況

從20世紀60年代末仿制蘇聯有觸點的電動執行機構開始,經過30多年發展,我國電動執行機構多數產品實現了智能化,技術相對成熟[12-13]。但國產執行機構主要應用于市政、電力、冶金等普通場所,天然氣長輸管道閥門電動執行機構還是依賴進口,特別是大口徑、高壓力長輸管道干線閥門的執行機構,由于其大扭矩、快速開關及高可靠性等要求,目前使用進口產品。

國內閥門執行機構相關標準有GB/T 24923-2010 《普通型閥門電動裝置技術條件》[14],GB/T 24922-2010 《隔爆型閥門電動裝置技術條件》[15],GB/T 26155-2010 《工業過程測量和控制系統用智能電動執行機構》[16],GB/T 28270-2012 《智能型閥門電動裝置》[17]。

雖然目前我國中小型普通級閥門電動執行機構實現了國產化,但大型天然氣長輸管道閥門電動執行機構依賴進口,因此迫切需要開展大型天然氣長輸管道閥門電動執行機構的研制及產品可靠性的工業性試驗。

2 閥門電動執行機構國產化研制

閥門電動執行機構是長距離天然氣輸送管道的關鍵設備之一,它的作用是接收計算機發出的控制信號,并把它轉換成閥門的開關動作,使生產過程按照預先規定的要求正常進行[18-19]。閥門電動執行機構主要由電動機、減速器、力矩行程限制器、開關控制箱、手輪、機械限位裝置以及位置發送器等組成。

首套國產化閥門電動執行機構研制確定為12 MPa、DN 1 200閥門(含12 MPa、DN 1 200及以下閥門)配套的智能電動執行機構。其結構特點為[20]:機械整機結構采用非侵入式雙密封結構設計,達到最高IP 68防護等級;具有增量和絕對編碼器可選擇的位置測量方式,具有自主研發的扭矩測量機構,能夠進行精確的力矩檢測;具有自診斷、自巡檢、現場總線和多重保護等完善的自保護功能。

2.1 研制技術條件

電動執行機構研制技術條件如下:

1)研制12 MPa、DN 1200閥門配套電動執行機構及輸出最大力矩250 kN·m、開關時間210～260 s的齒輪箱。

4)中文操作系統。

5)使用壽命大于8 000次(執行器)或1 000次(整機)。

2.2 產品

2011年8月,在國家能源局、中國機械工業聯合會的支持下,中國石油天然氣集團開展了油氣管道關鍵設備國產化工作,并設立了重大科技專項進行研究。中國石油西氣東輸管道公司與4個研制廠家(分別為廠家1、2、3、4)聯合承擔了油氣管道關鍵設備國產化項目中閥門電動執行機構的研制任務。研制廠家對標國外先進產品關鍵指標,按照天然氣關鍵閥門電動執行機構研制技術條件,完成了產品設計、樣機試制、工廠試驗及第三方檢測取證等工作。閥門電動執行機構國產化產品性能見表1,各廠家所研制的閥門電動執行機構產品通過了出廠驗收,并通過了中國機械工業聯合會和中國石油天然氣集團組織的新產品鑒定。

表1 閥門電動執行機構國產化產品性能

研制技術條件產品性能研制12MPa、DN1200閥門配套電動執行機構及輸出最大力矩250kN·m、開關時間210～260s的齒輪箱各制造廠家均完成自行設計和制造,產品涵蓋12MPa、DN1200以下閥門所需執行機構電動執行機構內部控制器的精度應≤1%,電動執行機構和閥門配套后的整體精度應保證≤1.5%內部精度:廠家1<0.56%;廠家2<0.1%;廠家3<0.5%;廠家4<0.1%蝸輪蝸桿機械傳動效率≥35%廠家1為54%;廠家2為35.5%;廠家3為40%;廠家4為58%中文操作系統自主研發中文操作系統使用壽命大于8000次(執行器)或1000次(整機)廠家1整機1100次;廠家2整機1000次;廠家3整機1200次;廠家4整機1003次

3 工業性試驗

為了檢驗研制的電動執行機構與閥門配套后性能的穩定性和操作可靠性,按照替換原有在用進口電動執行機構的方案制定了《電動執行機構現場工業性試驗大綱》。2014年12月完成了電動執行機構在西氣東輸二線4個場站的安裝調試,開始工業性試驗。

3.1 試驗目的

1)檢驗電動執行機構替換原有進口電動執行機構后,在實際運行工況條件下整機性能的穩定性及操作可靠性,驗證研制產品是否達到研制技術條件要求,檢驗國產化電動執行機構在實際工程中的運行狀態。

2)為研制產品應用到實際生產工況中提供參考。

3)為研制方提供產品制造參考數據。

3.2 試驗過程

國產化電動執行機構安裝在收、發球筒的1202#、1203#、1302#、1303#閥門處(圖1),替換原有在用的英國ROTORK公司電動執行機構。按《電動執行機構現場工業性試驗大綱》要求,定期對各制造廠家研制的電動執行機構進行測試,經多次測試,國產化電動執行機構各項指標達到了研制技術條件要求,設備運行正常。將各廠家所研制的電動執行機構與英國ROTORK公司電動執行機構閥門開關時間進行對比(圖2～3)。

圖1 電動執行機構安裝位置工藝流程圖

圖2 廠家2、4 研制產品與被替換ROTORK IQ 35-IW 11電動執行機構性能對比

圖3 廠家1、3 研制產品與被替換ROTORK IQ 25-IW 10電動執行機構性能對比

3.3 試驗結果

2015年12月,國產化電動執行機構產品的工業性試驗通過了中國機械工業聯合會和中國石油天然氣集團組織的驗收,電動執行機構國產化定型產品可在天然氣長輸管道建設中推廣應用。

4 結論

天然氣長輸管道閥門電動執行機構國產化研制工作采用“政產學研用”模式,確保了國產化工作順利推進,在國家能源局、中國機械工業聯合會的支持下,以中國石油天然氣長輸管道業務需求為主導,聯合產學研等相關行業共同進行科技攻關,完成了電動執行機構研制產品技術條件制定、新產品設計、試制生產和產品工業性考核試驗。首批國產化電動執行機構產品的性能達到了研制技術條件要求和國內外相關技術標準要求,具備批量生產條件。天然氣長輸管道閥門電動執行機構國產化后將產生以下效果:

1)提高我國天然氣長輸管道設備保障能力,保障國家能源供應安全。

2)降低天然氣長輸管道工程建設成本。

3)縮短供貨周期,改善售后服務。

4)降低設備備品備件價格,節省天然氣長輸管道運行成本。

5)促進現行國標GB/T 28270-2012 《智能型閥門電動裝置》等相關技術標準的修訂和完善。

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2016-03-25

中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項資助項目(2012 E-2802)

郝一博(1989-)，男，河北獻縣人，助理工程師，學士，主要從事天然氣長輸管道QHSE工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.018