西氣東輸管道在用球閥內漏治理研究

張兵強

中石油管道有限責任公司西氣東輸分公司鄭州管理處, 河南 鄭州 450008

0 前言

雙活塞效應(Double Piston Effect,DPE)球閥具有雙向截斷隔離功能[1-2],管道內介質壓力越高其密封力越大,其獨特的密封效果使其在天然氣管道輸送場站得到了廣泛應用,目前西氣東輸站場有90%以上球閥均為DPE型球閥[3-4]。球閥在工藝管道中主要用于管道輸送介質隔離、截斷,其密封性好壞直接影響設備檢修、流程切換以及事故處置,目前隨著西氣東輸一線、二線運行時間增加,此類球閥出現內漏的數量日趨增加,嚴重影響了輸氣站場日常的運、維、檢作業,因此通過研究DPE型球閥內漏治理技術,實現球閥能量隔離截斷功能,對天然氣輸送系統安全、平穩、高效運行有重要意義。

1 DPE型球閥工作原理及其作用

DPE[5-7]型球閥在關閉狀態下可以截斷管道上下游任意方向單一壓力源的壓力,并且在軟密封無損傷情況下,壓力越高閥座壓緊球面的密封力越大,因此在天然氣輸氣領域得到廣泛應用,球閥上下游任意方向的壓力連同腔體里截留的介質壓力共同將閥座推向球體,從而實現雙向截斷作用。這種效應被稱為“雙活塞效應”,其工作原理見圖1～2。

圖1 p管線>p閥腔時DPE型球閥閥座密封示意圖

圖2 p管線

圖注:FF為閥座彈簧作用力,N;FR為閥座受到的彈簧作用力和介質作用力之和,N;FΔA為閥座受到管線(閥腔)內介質的有效作用力,N;Aa為閥體側閥座受介質作用面積,m2;Ai為球體側閥座受介質作用面積,m2;ΔA為閥座受兩側介質作用面積之差，m2。

球閥在工藝流程中只能處于常開或常關狀態,因此對于常開球閥是否內漏都不影響其正常使用,但不能用于隔離截斷維檢修或者工藝調整,因此這些內漏球閥在被用于隔離截斷維檢修或工藝調整時,必須對其進行可靠的內漏治理或者更換新球閥才能保證維檢修作業安全開展。

從DPE型球閥閥座受力分析可知,不論什么情況,閥座受力作用方向均為壓緊球面方向的作用力,因此管道內介質壓力越高,該類型球閥密封效果越好,故廣泛應用于天然氣輸送工藝。

2 球閥內漏原因分析

球閥內漏[7-12]多數都是由于施工過程中監管、養護不到位或者后期運行過程中維護不當所致,據統計,因施工過程中監管、養護不到位導致的球閥內漏占80%以上,且多數情況都是由管道內的硬顆粒雜質對球面或者軟密封的機械損傷,這類損傷為永久性損傷,在線狀態下無法徹底修復。

2.1 閥座失效

球閥在長期使用過程中,介質中的水和酸性氣體相互作用,導致閥座彈簧銹蝕,卡澀無法回彈,致使閥座失效。由閥座失效引起的內漏,內漏量巨大,球閥幾乎完全失效。關閉球閥,從閥腔排空時從壓力表不能檢測到閥腔壓力降低。

2.2 球面或軟密封墊粘

球閥在運行過程中,特別是長期不動作的球閥,可能在球面或閥座軟密封上墊粘有雜質、燥化的脂類或者銹蝕,由于此類原因引起的球閥內漏,通常在閥腔排空時,閥腔壓力表可以檢測到壓力有降低,這種情況的內漏通常可以通過在線維護徹底消除故障,因此通常稱為假內漏(假漏)。

2.3 球面或軟密封劃傷

球閥在運輸、安裝、工藝管線吹掃試壓過程中,由于工作人員操作不當,養護不到位,管線內的焊渣、沙土等硬顆粒雜物可以造成球面或者閥座軟密封面永久性劃傷。該原因引起的內漏通常在閥腔排空時也能從壓力表示數看出閥腔有明顯壓降,最后會穩定在某一示數。此類損傷現場無法根本解決,除非將球閥解體返廠維修,但是可以通過加注密封脂臨時實現球閥的截斷隔離功能,降低返廠維修成本。

2.4 閥位設置不當

球閥限位螺栓調整不當、運行過程中限位螺栓松動或電動球閥電子限位設置錯誤導致球閥關閉不到位,也可導致球閥內漏,此種內漏可以通過重新設置機械限位或電子限位,徹底消除內漏故障。

3 球閥內漏治理研究

3.1 球閥內漏治理原理

球閥通常每側閥座至少有1個注脂嘴,通過注脂通道和密封面連通,主要用于日常加注潤滑脂維護,當球閥存在內漏時,也可以用于加注5050型專用密封脂進行堵漏密封。

球閥內漏治理主要基于流體動力學“堰塞流”原理[13-18],即在閥腔和管道壓力差作用下,密封脂在流動過程中,帶動不同大小聚四氟乙烯顆粒(微米級),向泄漏處聚集,并且壓差越大流動速度越快。當某一時刻聚四氟乙烯顆粒聚集量足以堵住劃痕時,內漏故障即可臨時性消除。即在球閥關閉狀態下,球閥可以實現絕對的截斷隔離功能,為維檢修提供可靠的隔離保障,其中密封脂堵漏原理見圖3～4。

圖3 球閥注脂嘴結構及注脂通道示意圖

從球閥堵漏原理圖上可以看出,密封脂中聚四氟乙烯顆粒是治理內漏球閥的關鍵,如果密封脂內不添加聚四氟乙烯顆粒,堵漏效果將明顯降低,甚至起不到堵漏作用。

a)密封脂顆粒集聚初期

b)密封脂顆粒集聚過程

c)密封脂顆粒集聚堵漏完成

3.2 球閥內漏治理流程

通過分析球閥內漏原理并結合西氣東輸歷年內漏球閥治理經驗可知,內漏球閥治理通常需要經過球閥限位設置確認、閥座完好性判斷、內漏原因判斷、注密封脂治理、內漏故障消除等。通常球閥球面密封寬度大約在2～5 cm環形面上,即可以通過微調球閥限位,改變閥座軟密封和球面相對位置,將球面非貫穿性劃傷避開,達到消除內漏故障目的,該方法通常和注密封脂配合使用能取得更好的治理效果,球閥內漏檢測及治理標準流程見圖5。

3.3 現場應用

3.3.1 總體應用情況

2016至2018年中石油管道有限責任公司西氣東輸管道分公司按照上述內漏治理流程對所轄100多座場站99臺直徑DN 500以上內漏球閥進行了內漏治理,在關閉狀態下有95臺內漏球閥通過注清洗液浸泡,加注密封脂后,內漏故障消除,滿足現場截斷隔離要求,內漏處置完成率達95.9%,統計數據柱狀圖見圖6。

3.3.2 現場處置過程

2018年西氣東輸二線A閥室和B閥室之間內檢測發現管道本體存在長達10 m缺陷,急需換管維修消除隱患,換管前需要截斷A、B閥室,并確保1101#隔離截斷球閥不內漏。在對A閥室干線1101#球閥(DN 1200)內漏檢測時發現該閥內漏嚴重,不能作為換管動火隔離截斷球閥,需要進行維修處置,現場準備注脂泵、注脂槍、EQ-80潤滑脂、5050密封脂、電子壓力表等。

作業前對球閥閥腔進行排污,無液體排出,將預先準備的電子壓力表安裝在閥腔排污接口,然后打開閥腔放空閥對閥腔進行放空,經測試約15 min內閥腔壓力從最高7.9 MPa降低至5.5 MPa,并且繼續測試5 min,閥腔壓力不再降低,壓降趨勢見圖7。

從1101#閥腔壓力變化趨勢可以判斷,該球閥閥座完好,可能存在球面或者軟密封劃傷,或者密封面墊粘情況。為了降低維修期間對西氣東輸二線輸氣影響,計劃將注清洗液浸泡時間控制在24 h以內,根據《球閥注脂操作作業規程》要求對應每25 mm(1英寸)口徑加注0.028 kg(1盎司)清洗液的標準[19],球閥關閉狀態下,在兩側閥座各注清洗液約1.344 kg(48盎司),然后靜置浸泡23 h,然后再次對閥腔放空測試,確認閥腔壓降速率和清洗前無明顯變化,兩次測試閥腔壓力對比變化趨勢見圖8。

從注清洗液浸泡前后閥腔壓降速率測試結果可以判斷該球閥內漏原因不屬于密封面墊粘,確認是球面劃傷或者軟密封損傷。

圖5 球閥內漏檢測及治理標準流程圖

圖6 西氣東輸99臺大口徑內漏球閥現場治理效果柱狀圖

圖7 A閥室1101#球閥閥腔放空壓力變化趨勢圖

圖8 A閥室1101#球閥注清洗液清洗前后閥腔放空壓力變化趨勢圖

確認球閥內漏原因后,按照球閥內漏治理流程對該球閥加注專用密封脂進行堵漏作業,首先在該球閥上游側2個注脂嘴各注約1.344 kg 5050密封脂,通過放空閥腔增大差壓,提高密封脂在脂道的流動性,然后測試球閥內漏情況,最終閥腔壓力穩定在0.021 MPa,壓力變化趨勢見圖9。從注密封脂后閥腔壓力變化趨勢進一步證明該球閥上游側球面或閥座軟密封劃傷較為嚴重。

圖9 A閥室1101#球閥注密封脂后閥腔放空壓力變化趨勢圖

接著在該球閥下游側2個注脂嘴各注約1.344 kg 5050密封脂,并在注脂過程中持續對閥腔進行放空,經約10 min放空后,閥腔壓力降低至0 MPa,內漏故障消除。觀察4 h,并在放空口用可燃氣體檢測儀測試,未見閥腔有氣體排出,符合隔離截斷閥門要求。安排人員 24 h 持續觀察,整個換管動火作業期間,未檢測到該球閥內漏發生,為本次換管應急搶修提供了可靠的隔離保障,也降低了天然氣放空量和放空風險。

4 結論

通過對球閥閥座密封原理及球閥內漏原因的分析研究,以及現場實驗驗證可以得出以下結論:

1)提出了一種球閥內漏治理標準流程,經現場測試驗證,該方法效果明顯,切實可行。

2)通過加注密封脂進行內漏治理,多數存在內漏故障球閥也可以實現截斷隔離功能,可以降低大口徑球閥更換成本,為天然氣行業生產現場維搶修作業提供保障。

3)通過在5050密封脂中添加適當比例的EQ-80潤滑脂,或者在注脂過程中不斷排空閥腔壓力建立差壓,均可以提高密封脂在脂道中的流動性,增強堵漏效果。

4)內漏球閥在用作隔離閥門結束后,應通過注EQ-80潤滑脂將球閥脂道及密封處的密封脂替換掉,防止密封脂在脂道和密封面燥化,加劇球閥內漏或堵塞注脂通道。