減壓閥內部結構受損原因分析及應對措施

劉超

國家石油天然氣管網集團有限公司油氣調控中心

減壓閥廣泛使用在石油化工管輸系統中，通過接受調節控制單元輸出的控制信號，借助動力操作調整閥腔內節流部件相對位置，改變有效過流面積，最終控制介質流量、壓力、溫度、液位等工藝參數[1-2]。對于線路上存在高點或翻越點的長輸液體管道，多通過設置減壓站的方式保持站前管段壓力為正壓，避免高點發生拉空運行的現象[3-4]。由于減壓閥受高速流體沖刷、沖擊且其工作條件嚴酷，其故障率也較高。

1 減壓閥工作原理

我國某長輸管道由于在線路上存在高點和翻越點，因此設置有三座減壓站（甲、乙、丙），均采用CCI（Control Components Inc.，美國控件有限公司）迷宮結構減壓閥，為防止閥門、執行機構突發故障或失效，采用一用一備設置，同時為避免管道內機械雜質對減壓閥的損傷及堵塞，在減壓閥流程上游設有臥式過濾器，同樣采用一用一備設置[5-6]。

閥籠是減壓閥的核心部件，該結構又被稱為迷宮套。管輸介質在閥腔內部進入閥籠方式為側進底出。閥籠由多層盤片結構疊合而成，每一層碟片設有多條流道，每一流道均設有特定數量的直角轉彎（圖1）。流體沿流道經過每一個直角轉彎時，其具有的能量被消耗，從而達到逐級減壓的目的[7-8]。

圖1 閥門內部迷宮結構Fig.1 Labyrinth structure inside the valve

閥塞外徑與迷宮內徑相等，在閥桿驅動下，閥塞在迷宮套內上下移動做軸向活塞運動。當閥塞完全進入迷宮套時，流道被全部堵死，閥門開度為零；當閥塞底部上升至迷宮套頂部時，其內部空間被完全騰空，全部流道可供流體通過，閥門開度為100%。

2 減壓閥故障分析

2.1 故障簡況

2009 年該管道采用油推水的方式進行投產試運。考慮到管道內雜質較多，出于保護減壓閥的目的，在投產初期輸水時曾使用節流截止閥暫時代替站場內迷宮減壓閥控制進站壓力，保證管道滿管運行；柴油頭進站前拆除節流截止閥，將CCI減壓閥裝回并進行PID（Proportion Integration Differentiation，比例積分微分）調試；投產之后全線減壓閥運行均較穩定。然而自投產后第四年開始，乙、丙兩站減壓閥運行逐漸出現異常。在穩定輸油工況下，閥門閥位與投產完成后相比明顯偏小，例如乙站減壓閥開度僅有7%；且減壓閥在PID 自動控制狀態下閥位不能保持穩定，閥門開度周期性變化，繼而使過站流量及進出站壓力也產生相應波動。查閱投產完成后該閥門運行記錄，在流量為750 m3/h的工況下，減壓閥開度為32%，且運行平穩可靠。維修人員對減壓閥進行拆解后發現閥芯受到嚴重損傷（圖2）。該部件由26 層碟片疊合而成，位于下部的三至四層碟片損傷程度最嚴重，此現象與運行時閥門開度僅為7%左右的情況相吻合。由于閥籠密封面也被損壞，如果不及時對閥門進行維修，將很快危及閥座。

圖2 閥芯下部受損照片Fig.2 Photo of damaged bottom of valve core

2.2 故障原因

由于規劃設計部門對管道油源及沿途市場需求預測失誤，管道投產后實際輸量一直較小。單次啟輸的管輸量少于站間距管容量，因而管道自投產后一直未進行清管作業（否則停輸時，清管器將留在管道內）。管道內機械雜質在投產期隨氣/水隔離球和油水隔離球排出一部分，但仍有相當部分被留在管道內。盡管減壓閥前設置有過濾器，但小顆粒機械雜質不可避免隨液流進入閥門。油流經過迷宮套內流道時速度較快，高速液流裹挾機械雜質在迷宮內流過時高速撞擊流道內壁，使得迷宮受到雜質的磨蝕損傷，而這種損傷一旦開始則不可逆轉并將加速進行。迷宮設計的目的即為變單級減壓為多級減壓，防止節流結構遭受氣蝕，然而流道受損后，多級減壓級數減少，甚至變為單級減壓，因此迷宮內壁運行后期還會同時受到氣蝕損傷[9]。

在液流沖蝕、雜質磨蝕和閃蒸氣蝕的共同作用下，迷宮流道不斷變大，導致閥門開度逐漸變小，最終的結果是最下方7%的流道節流效果與原來32%的流道所產生的效果相當，同時也意味著7%的流道將遭受原32%的流道所受到沖擊和磨損。如圖3中實線與虛線分別為廠家給出調節閥特性曲線和迷宮受損后發生畸變的曲線。CCI減壓閥調節特性為線性，由于迷宮套受到損傷，其特性曲線也發生改變，7%左右的開度承擔了受損前30%開度的過流任務，并且開度在7%以內閥門調節特性發生變化，呈快開特性；而迷宮上部大部分的流道由于未曾使用，所以未受影響，仍具有線性特性，其特性曲線應與原特性曲線斜率相同[10]。

3 故障處理方式

通過現場圖片（圖4）可知，閥籠受損部分主要位于下方，大約占流道總數的7%，而位于該部分上方的絕大多數流道由于長期得不到使用，其內部迷宮結構并未受損。閥籠作為調節閥的核心部件，不僅造價高而且加工周期長，對其進行徹底更換不僅不經濟而且管道運行時間窗口也不允許。因此，在考慮閥門維修方案時，如何避開已經損壞的流道而使用上部尚未受損的部分是修理的主要方向。

圖4 堵塞受損流道后的閥籠與倒置安裝于閥座之上的閥籠Fig.4 Valve cage after blocking the damaged passage and valve cage installed upside down on the valve seat

3.1 堵塞受損流道

確定故障處理思路后，最終決定丙站采取焊接的方法對迷宮下部受損部分進行機械封堵（圖4）。通過對減壓閥工作原理的分析可知，閥門開度隨閥塞在迷宮空腔內的上下位移而變化，閥門全關時，閥塞完全進入空腔，流道全部被堵塞；閥門全開時，閥塞由空腔內全部退出，油流通過全部流道。對受損流道封堵后，當閥塞位移約7%時，閥門實際過流能力為零；隨著閥塞的繼續位移，上部未受損的流道開始過流，過流能力開始由零增大；當閥塞全部退出迷宮空腔時，閥桿位移為100%，但其實際過流能力約為原值的93%。

3.2 閥籠倒置

將迷宮倒置安裝是另一種維修方式，這種方式更加簡單易行。通過對乙減壓站閥籠進行測量，發現CCI 迷宮閥籠上下兩端內外徑的尺寸完全相同，密封面處理程度也相似，因此采取了直接將其倒置安裝的處理方式。閥籠倒置安裝后，受損的流道處于上部，原來完好的流道處于下部，同樣也可以達到避開受損部分的目的。當閥塞在迷宮內空腔開始向上進行位移時，閥門Kv值變化情況過程與原來的情況并沒有很大差別，只是在閥門開度約為90%及以上時，其過流能力突然增大（呈現等百分比特性）。

4 減壓閥維修效果評價

兩種方式都可以避開已經損壞的流道而使用上部尚未受損的部分最終達到排除故障的目的，但二者既有相同之處又各有特點。

這兩種故障維修方式都改變了減壓閥特性曲線（圖5），受損流道堵塞后閥位開度在0～7%時閥門過流能力實際為零；由于原特性曲線為線性，所以當閥桿位移超過7%后，閥門開度與其過流能力變化關系仍然呈線性特性；當閥門開度到達100%時，雖然已有流道全部打開，但下部7%的受損流道已被堵死，其過流能力約為原值的93%。在投產初期正常工況下丙站閥位只有30%，顯然不存在使用減壓閥過流能力93%及以上的工況。所以這種犧牲部分過流能力的方式可以滿足管道運行工況的需要。

圖5 維修后減壓閥特性曲線Fig.5 Characteristic curve of pressure reducing valve after maintenance

乙站將閥籠倒置后，減壓閥特性曲線也相應的會發生倒置，變化后的特性曲線與原曲線呈中心對稱。由于原閥門特性為線性，故倒置后的新曲線在中小開度時其曲線也是線性的，當閥桿位移到原來受損的部分時，其過流能力會突然增大。同理，由于正常工況下乙站減壓閥開度僅為32%，不會使用最上部受損的部分，因而將閥籠倒置的方式也可以滿足管道實際運行的需要。

此外，堵塞受損流道的維修方式還可以進行有限次數的重復，只要閥籠上部未受損部分占40%及以上（主要考慮滿足管道運行工況需要），就可以采用此方法進行重復性修復（圖5即為丙站第二次修復曲線）；而倒置安裝閥籠的方式僅能夠使用一次，當迷宮再次被傷蝕，依然要采用堵塞流道的方式進行維修。

5 結論

（1）針對減壓閥受損故障在不更換新閥籠的前提下，通過以上兩種維修處理方式都可以達到最終排除故障的目的。因此對同一種故障處理不應拘泥于一種方式，而要通過思維發散有所創新。

（2）對減壓閥的修復目的是使其恢復至原有運行狀態，本質是修復其畸變的閥門特性，但最終都直觀地反映到閥門特性曲線上并獲得解釋。

（3）在當前管道關鍵設備國產化的趨勢背景下，進口設備核心部件的成功維修對于國產設備研發工作有著重大的指導意義。