長輸管道閥門內漏失效分析和控制措施

郝小虎 趙 煒 李建國 楊 涵 胡學兵 孫大為

（1. 中國石油天然氣股份有限公司管道秦皇島輸油氣分公司，河北 秦皇島 066000；2. 中油國際管道公司中烏天然氣管道項目，北京 100007；3. 中國石油西南管道天水輸油氣分公司，甘肅 天水 741002；4. 中油國際管道公司中緬天然氣管道項目，北京 100007；5. 中國人民解放軍32723部隊，河北 承德 067400）

0 引言

我國長輸天然氣管道發展迅速，隨著西氣東輸、川氣東送、中緬和中貴等大型天然氣管道建設運行，我國實現大口徑球閥國產化，逐漸替代國外進口產品。閥門是長輸天然氣管道系統的重要設施，由于制造、施工、維護和保養原因導致閥門內漏，對天然氣管道運行造成嚴重威脅，例如西氣東輸三線西段工程霍爾果斯-烏魯木齊段，閥門一次試壓內漏率達到了27%（2014年數據），烏蘇站電動球閥（DN900，Class900）和瑪納斯站電動球閥（DN450，Class900）解體存在球體表面劃痕、閥座損傷、軟密封缺失和球體及閥體存在焊渣等缺陷[1]。研究閥門內漏失效機理和控制措施，制定科學合理的維修方案，可以消除管道安全隱患，避免管道事故和天然氣放空損耗，對于提升管道管理水平具有積極意義。

1 閥門內漏失效機理分析

閥門根據驅動方式分類為手動、電動、氣動以及氣液聯動型。本文探討應用最廣泛的固定式全焊接球閥。球閥包括閥體、球體、閥座、閥桿及傳動機構，閥體設有放空閥和排污閥。長輸天然氣管道球閥型式為 DIB-1 型，也稱為雙隔離泄壓閥，具有兩側閥座密封面。在關閉狀態，泄放密封面間的內腔壓力，每個密封面承受一側介質的壓力。球閥密封機理是以帶圓形通孔的球體為啟閉裝置，以閥桿為軸，球體隨閥桿旋轉90°，實現連接和截斷管道中流體功能。閥體和密封圈之間存在閥腔，閥門運行一定時間后，密封材料可能硬化失效，管道內氣體進入閥腔，產生內漏。

2 閥門內漏失效原因分析

2.1 制造階段

制造過程可能造成閥門內漏的情形如下：

（1）制造過程中質量控制不嚴格，閥門密封結構存在缺陷，或者嚴密性試驗不到位，例如行程調節不完整、球體表面研磨精度不夠等情形，閥門出廠前存在內漏；

（2）閥門試壓后排污、干燥、防腐處理不嚴格，密封面銹蝕形成內漏；

（3）閥門安裝時限位位置不準確產生微滲漏，長期運行對密封面造成累積損傷；

（4）注脂管路存在鐵銹雜質，隨著注脂進入閥座密封面造成內漏。

2.2 施工階段

安裝施工過程可能造成閥門內漏的情形如下：

（1）閥門運輸中固體雜質進入，或者吊裝中外力損傷造成閥門內漏；

（2）施工現場防護不到位，閥門兩側保護罩遺失，沙子等固體硬物進入閥門造成內漏；

（3）閥門現場焊接預熱不充分，或者層間、焊接溫度控制不嚴格，可能對密封圈和密封面造成損傷，造成內漏；

（4）焊接飛濺物處理不當，對密封面造成損傷，導致內漏；

（5）焊渣等施工遺留物未完全清理，閥門開關操作導致密封面劃傷導致內漏；

（6）管道清管后雜質留在球閥內，影響閥門密封造成內漏。

2.3 運行階段

管道運行中可能造成閥門內漏的情形如下：

（1）閥門定期維護保養不到位，例如密封脂硬化，阻礙閥座移動，密封失效導致閥門內漏；

（2）閥桿腐蝕松動，不能保證球體旋轉到位；執行機構腐蝕、螺母松動或限位位置不精確，導致閥門開關不到位，導致內漏；

（3）長期用球閥調節管道流量和壓力，天然氣攜帶固體顆粒高速沖刷對球面和密封面造成損傷，影響閥門密封性能；

（4）長期處于閑置狀態的閥門，閥座和球體抱死，閥門開關造成密封面損傷導致內漏。

3 閥門內漏檢測技術

3.1 閥門氣體放空檢測

確認閥門處于全開或者全關狀態，通過放空閥將閥內壓力氣體進行放空，檢測是否存在持續性氣體排出，證明閥門存在內漏。該方法廣泛應用于運行狀態的閥門，簡單易行，但不準確，需結合專業設備確定漏點，閥門就地放空存在風險隱患。

3.2 管段壓力檢測

關閉管段前后截斷閥，管段內氣體進行放空，關閉放空閥。通過有無氣體節流聲確認閥門內是否存在氣體，如存在節流聲，證明閥門存在內漏；如不存在節流聲，在10小時后打開放空閥，再次確認氣體節流聲。該方法簡單直觀，需要操作切換工藝流程，驗證過程需要時間多；如出現壓力回升，需借助專業設備確定泄漏點。

3.3 閥門放空注氮檢測

閥門進行放空，如閥腔仍存在氣體，證明閥門密封性能不完善。閥門放空后采用氮氣置換，對排出氣體進行組分檢測，確定閥門是否內漏。該方法適合閥門嚴重內漏的情形，操作復雜且費時，天然氣的放空和注氮成本較高，造成一定能源損耗。該方法主要用于閥門嚴重內漏和關閉不到位的情形。

3.4 專業設備檢測

應用超聲波檢測儀進行天然氣閥門內漏檢測。操作原理是測試密封圈處壓差，假如閥體和閥座之間的密封圈存在間隙，高壓側氣體通過密封圈間隙進入到低壓側，在間隙處形成渦流，產生聲波。如內漏間隙較大，聲波頻率低于20kHz，甚至能聽到節流聲音；如果間隙較小，聲波頻率高于20kHz，不能聽到聲音。根據上述四種方法的優缺點，考慮采用超聲波檢測結合閥門放空檢測的組合式方法，避免使用單個方法的局限性和誤判[2]。

4 閥門內漏處理方法

閥門微小滲漏采用清洗及注脂維護方式，或者調節行程限位以減緩泄漏。閥門處理后持續監測，運行一年后進行檢測。如閥門內漏量達到不可接受數值，考慮進行維修或替換，分體式法蘭連接閥門的閥座和密封圈允許現場維修或更換；全焊接式閥門應返廠維修。如檢測閥門存在內漏，可按照下列程序對閥門進行簡易處理。

（1）調整工藝流程，開關閥門若干次，利用管道中高速氣流吹掃球體和密封面上的雜質；

（2）檢查、調整閥門限位，確認閥門全開或全關狀態；

（3）緩慢注入少量潤滑脂，結合注脂槍出口壓力表變化，判斷閥門內漏程度和止漏情況；

（4）如密封脂已硬化，應注入清洗液，清潔密封面和閥座的固體雜質，再注入新的潤滑脂，開關操作閥門幾次，將雜質、污物排出閥座和密封面；

（5）將閥門處于全關狀態，如仍存在內漏，可能是密封面產生損傷，注入加強型密封脂。

5 結論和建議

（1）閥座密封設計宜采用多重密封方式和耐磨損措施，提高密封脂產品性能指標；

（2）閥門制造中加強注脂管路防護，例如防止焊渣等雜質進入，考慮管壁防腐處理；

（3）閥門運輸中注意對放空、排污管路和注脂管路的保護，避免磕碰擠壓，必要設置支撐；

（4）閥門和執行機構在調試階段做定位標識，閥門安裝時檢查確認限位是否準確；

（5）加強閥門施工全過程管理。焊接前，禁止拆卸閥門兩側的保護罩，保證閥門處于全開狀態；焊接操作嚴格控制預熱、層間和焊接溫度；焊接后應閥門內雜質、污物清理干凈；

（6）選擇專用流量和壓力調節閥替代球閥控制管道運行工況；

（7）按照規定周期進行閥門維護保養。