Mokveld軸流式調節閥和安全切斷閥故障與處理分析

謝麗媛，任 聰，張 雄

(1.國家管網集團西南管道南寧輸油氣分公司，廣西 南寧 530000；2.國家管網集團西南管道有限責任公司 昆明維搶修分公司,云南 昆明 650000)

0 引 言

中緬、廣南天然氣場站的基本功能有過濾分離、調壓計量、正反輸等。站場中的調壓設備由安全切斷閥、監控調壓閥、工作調壓閥以及壓力表、壓力變送器、管路附件等附屬設備設施組成。通常情況下以安全切斷閥、監控調壓閥、工作調壓閥或安全切斷閥、安全切斷閥、工作調壓閥構成三級調壓裝置，安全切斷閥和監控調壓閥為常開狀態，以下游壓力為取壓信號對工作調壓閥進行自動調節，當工作調壓閥出現故障時，由監控調壓閥進行二級調節。同理，當下游壓力已超過監控調節閥控制范圍時，監控調節閥二級調節已失效，由安全切斷閥進行一級調節。當下游壓力超過了安全切斷閥的設定壓力時，安全切斷閥自動切斷，停止分輸，保護下游設備和管線的安全，其可靠性對站場的安全平穩運行具有重大意義。

目前中緬、廣南天然氣站場使用安全切斷閥、安全切斷閥、工作調壓閥模式對流量、壓力進行切斷或調節。安全切斷閥在接收到控制單元的信號后，對執行機構發出全開或全關命令，完成切斷或復位動作。工作調壓閥則是控制執行機構使閥門開度在0～100%范圍內進行改變，從而實現對壓力和流量的調節。國內外目前對Mokveld閥門的深入研究較少。楊永勝[1]，王陳讓[2]通過研究mokveld閥門的使用特性，提出了站場中該類閥門的常見故障及處理辦法。韓治廣[3]提出了中腔帶壓情況和沖蝕問題的處理辦法。筆者通過詳細分析Mokveld軸流式調節閥和安全切斷閥的結構和工作原理，分析中緬天然氣站場中Mokveld調節閥和安全切斷閥的常見故障、相應原因及處理辦法。

1 Mokveld工作調壓閥結構及工作原理

1.1 設備結構

Mokvled(如圖1所示)工作調壓閥由閥體、電動執行機構、壓力泄放口、呼吸口、壓力變送器等附屬設備組成。當Mokveld工作調壓閥接受到下游壓變信號后，對電動執行機構發出信號從而實現閥門動作。圖2、3是閥體剖面圖，狀態分別為全關位和全開位。閥體由殼體、水平閥桿、垂直閥桿、籠套、活塞構成。殼體為鑄造體，由殼內體和殼外體組成，在殼內、外體之間形成一對稱流道，避免造成紊流或局部高速流。籠套是Mokveld工作調壓閥的關鍵結構，選用三層壁面，孔洞壁面上按規律進行排列，壁面也按一定規律進行組合。閥桿與活塞桿形成90°角式傳動機構，活塞在傳動機構的作用下沿導軌在閥門軸向中心線上前后運動。活塞桿與閥桿通過齒形角為45°的斜齒齒條進行嚙合(如圖4所示)，當電動執行機構帶動閥桿上下運動時，閥桿帶動活塞桿及活塞沿軸向前后運動。為保持活塞內、外部壓力平衡，避免活塞受到軸向壓力的影響，在活塞端面上均勻分布了若干孔洞。

圖1 Mokveld軸向調壓閥結構 圖2 閥體剖面圖(全關位)

圖3 閥體剖面圖(全開位) 圖4 斜齒齒條

1.2 工作原理

Mokveld工作調壓閥是軸流式控制閥，氣流通過籠套進入孔洞，在活塞邊緣和孔洞處產生節流效應，從而使籠套內氣體流速加快，因此籠套的材質應該具備極強的抗腐蝕性。

閥桿和活塞呈現為正交狀態，閥桿通過斜齒齒條帶動活塞桿運動，在導軌的引導下實現活塞前后運動。開閥原理為電動執行機構帶動垂直閥桿向上運動，在斜齒齒條傳動機構的作用下活塞向前運動打開閥門。反之則關閉閥門。

2 調壓設備的功能特性[1]

2.1 介質的軸流性

Mokveld采用軸向對稱流道，從結構上避免了間接流、局部高速流和噴射流，防止流向發生不必要的改變，極大提高了橫截面積的流量，同時對降低噪聲和紊流效果明顯。

2.2 密封零泄漏級

密封系統由兩個密封環構成，通過彈簧進行預緊，這種采用自緊式壓力設計的方法使得閥門處于關閉狀態時，在上游流體壓力下密封圈被壓緊，實現零泄露。

2.3 壓力平衡

孔洞在活塞端面上均勻分布，使得活塞左右處于平衡狀態，左右運動時不受軸向壓力的影響，因此當閥門啟閉時使用扭矩較小的執行結構就能達到開啟/關閉的目的。

3 調壓設備常見故障及處理辦法

3.1 閥門輕微內漏

在使用過程中，閥門密封面損傷或者有雜質或者高壓密封組件輕微損壞可能會造成內漏。這種情況下連續啟閉閥門若干次，讓流體對密封面進行吹掃，待密封面清潔后，再恢復正常工作；若依然存在內漏，則對閥門進行拆卸，檢查雜質是否附著在密封面處，如有及時清潔雜質；否則，可能是密封圈已損壞，需更換密封圈。如果閥門仍嚴重內漏，則需考慮閥門已損壞。

3.2 閥門無動作

給定閥門信號后無動作，這種情況原因比較多。首先判斷是否由于閥門兩側壓差過大，難以開啟；執行機構控制部分(電機)出現故障，這種情況可能是電機功率過小或電機過載，需要及時更換電機；執行機構顯示扭矩過大，需利用Rotork手操器對原扭矩進行調整；執行器活塞或閥門活塞被卡住、閥門生銹或者閥桿有雜質等，需要將閥門從管線上拆下來進行內部檢查、除銹清洗。拆卸后觀察水平閥桿與垂直閥桿是否脫落，使垂直閥桿進行上下移動時無法帶動水平閥桿左右移動，無法開啟閥門。

3.3 管道內有撞擊聲響

管道內有撞擊聲響，且泄放口處有天然氣泄漏現象，這種情況可能是管道內出現大顆粒固體雜質。處理方法是將閥門拆解，檢查閥體內部和下游管道內是否存在大顆粒固體雜質。

3.4 流體流通能力顯著下降

當流通能力顯著下降時首先檢查閥門開度，排除執行機構的問題后，對閥門進行拆解，可能是由于籠套上節流孔洞堵塞，此時需要及時清除節流孔洞上堵塞的雜質。

4 閥腔帶壓問題分析

4.1 故障情況

中緬天然氣管道某輸氣站場值班人員在日常巡檢過程中發現Mokveld調壓閥壓力泄放口處存在天然氣泄漏，拆卸后發現導向套筒與閥體之間的密封圈上有劃痕，已發生變形，如圖5所示。

4.2 原因分析

壓力泄放口處檢測發現天然氣泄漏說明高壓密封組件出現損傷或者長期使用已老化，導致高壓天然氣從密封處泄露進入閥腔，再從壓力泄放口逸散到外界空氣。

圖5 密封圈變形

經過分析可能有以下三種情況：

(1) 長期高頻開關或者天然氣中未被過濾的固體顆粒、夾渣等雜質導致導向套筒與活塞連桿的動密封(圖6中件5和件18)被磨損。

(2) 天然氣中的未被過濾的固體顆粒、夾渣等雜質沖刷導致閥內體與活塞連桿處、導向套筒之間的靜密封(圖6中件7和件13)損壞[2]。

(3) 調節閥長期使用或設備維護保養不良導致高壓密封組件老化，從而無法起到密封作用。

圖6 高壓密封組件內部結構圖1.活塞連桿導向套筒 2.活塞連桿 3.錐形螺蓋 4.泛塞密封圈7 5.泛塞密封圈4 6.泛塞密封圈1 7.泛塞密封圈6 8.泛塞密封圈8 9.泛塞密封圈9 10.閥桿襯套蓋 11.閥桿 12.閥體13.泛塞密封圈5 14.泛塞密封圈2 15.籠套 16.閥座 17.活塞 18.泛塞密封圈3 19.HPD-密封(聚四氯乙烯) 20.密封圈(聚四氯乙烯)

4.3 危害及處理分析

(1) 應急處理方法是打開壓力泄放閥上的鉛封，將螺釘向里擰，使壓力泄放口關閉，暫時阻止天然氣泄漏。

(2) 當閥腔帶壓后，壓力會在閥腔內部持續上升，此時需要關注Rotork電動執行機構的扭矩值。原因在于在壓力作用下，關閥力矩增大，開閥力矩減小，當電動執行機構顯示扭矩值即將超過許用值時，可緊急打開壓力泄放口進行泄放，但此種方法不能作為長期處理辦法。

(3) 閥腔帶壓后，繼續按照原壓力和使用頻次可能會導致閥桿密封組件損壞，造成閥腔內的高壓天然氣通過垂直閥桿處擴散至大氣中，造成天然氣泄漏，遇到明火發生爆炸。閥腔內長期帶壓運行還可能導致閥桿-齒條傳動機構損壞、執行機構故障等問題，從而造成更嚴重的損失，因此需要盡快更換密封組件及已損壞的構件。

5 沖擊問題分析

5.1 故障情況

中緬天然氣站場某輸氣站Mokveld工作調節閥遠程電動關閥時，電動頭顯示關到30%時無法繼續關閥，站內值班人員立即就地手動操作繼續關閥，出現卡澀，電動頭處顯示Stopped Torque Trip CL，繼續關閥時力矩跳斷。對閥門進行拆解后發現閥腔內存在大量粉塵、鐵絲及鐵屑、焊渣等雜質，活塞外壁、孔洞有劃痕，內部籠套有微小裂紋，閥腔壁面有微小沖蝕坑(見圖7)。該閥門籠套可繼續使用，但若不清潔閥腔，鐵絲、焊渣等雜質繼續堵塞孔洞，磨損籠套，可能會造成閥體持續沖刷，甚至閥體被沖蝕開裂。

圖7 閥門拆解情況

5.2 原因分析

5.2.1 閥門開度影響

輸氣站內Mokveld工作調壓閥作分輸使用時，閥門開度會根據天然氣壓力在一定范圍內自動調節。中緬天然氣站場的常見開度為30%～50%。有研究表明，在此開度下的籠套經過介質的長期高速沖刷后會形成裂紋，從而在閥體內壁面形成沖蝕坑[3]。

5.2.2 雜質影響

Mokveld工作調壓閥適用于流體介質清潔的場所，當組合式過濾分離器未能有效進行過濾分離，高速的天然氣將泥沙、焊渣、雜質等大顆粒固體雜質攜帶通過調節閥時，堵塞籠套孔洞，對籠套及閥體內壁產生磨損及高速沖刷，從而形成沖蝕坑。

5.2.3 流速影響

Mokveld軸流式調節閥在天然氣站場中主要用于對管線內壓力和流量進行調節。從流體力學角度進行分析，天然氣流經孔洞時，會發生節流效應，此時流體壓力下降，流速增加，在孔洞處形成高速噴射氣流，在該高速氣流中攜帶的固體顆粒、夾渣等雜質會對閥體內壁面造成沖蝕，形成沖蝕坑。

5.3 危害及處理分析

當閥門某處不斷受到高速流的沖蝕后，對閥門本體造成嚴重損害，甚至會造成天然氣從沖蝕口溢出，產生安全事故。天然氣站場中壓力和溫度受上下游站場的影響，一般不可調節。當閥門受到輕微沖蝕時，需要對組合式過濾分離器和旋風分離器進行檢查，觀察濾芯是否堵塞，必要時更換過濾器濾芯以獲得更大的清潔能力。若沖蝕嚴重，則需要對閥門本體進行更換，此種處理辦法耗費人力、物力更多。

6 Mokveld安全切斷閥故障處理分析

6.1 基本結構

Mokveld安全切斷閥由液壓傳動部分和閥體組成，如圖8所示。液壓傳動部分由動力部分(手動液壓泵)、執行部分(執行機構、液壓缸)、控制部分(主閥)、輔助部分(蓄能器、密封件、閥位指示器、連接管線)及工作介質(液壓油)等部位組成，通過液壓油壓來傳遞動力。安全切斷閥的閥體與調節閥基本一致，如圖1～4所示。

圖8 安全切斷閥結構分析

6.2 跳斷問題分析

6.2.1 故障情況

中緬天然氣管道某天然氣站場值班人員在值班過程中發現Mokveld安全切斷閥突然跳斷且無法恢復。現場壓力為4.6 MPa，未達到安全切斷閥切斷壓力的設定值6 MPa，觀察同一管線上的設備，其他設備無報警信息。現場緊急導通備用路后，首先對安全切斷閥上的兩路的電磁閥進行測試，發現電磁閥電壓不足，低于正常供電電壓24 V。對電磁閥進行拆解后發現，電磁閥油路密封圈已損壞，無法穩壓，如圖9所示。

6.2.2 原因分析

如圖10所示。正常情況下，當連續按壓手動液壓泵操作桿時，液壓系統中液壓油會進入液壓缸下腔室，在液壓油壓的作用下，彈簧被壓縮，活塞桿帶動閥桿向上移動，從而打開閥門。Mokveld安全切斷閥突然跳斷且無法恢復原因可能是電磁閥故障掉電，造成液壓單元的旁路被打開，使得液壓油壓力被釋放，彈簧復位，閥門關閉。還有可能是液壓油乳化變質導致承壓不足，連續按壓手動液壓泵無法對變質的液壓油進行繼續加壓，彈簧無法壓縮，使閥門保持關閉狀態，此處需要對變質的液壓油進行全部更換。

圖9 電磁閥拆解

圖10 工作原理1.電磁閥 2.手動式液壓泵操作桿 3.彈簧 4.液壓缸下閥腔 5.閥體

6.2.3 危害處理分析

(1) 緊急切換導通備用流程，恢復天然氣供應，防止下游壓力過低，產生不平穩供氣。

(2) Mokveld安全切斷閥長期無法恢復，當備用流程故障，無法實現恢復供氣，造成嚴重損失，因此建議檢查電磁閥是否故障失電，若不是則可能是由于液壓油乳化變質無法承壓，此時及時更換液壓油。需注意的是，更換液壓油時需保證液壓油在液壓系統中循環運行，更換后無變質液壓油和微小空氣包。

6.2.4 液壓油乳化變質處理

Mokveld安全切斷閥，維修不便，價格昂貴的情況下，進行自制工裝。如圖11中位置3所示。對液壓缸頂部快速接頭安裝一針形閥，便于控制液壓油在系統中循環運行，排盡變質液壓油。

如圖12所示，將液壓油管與液壓單元底部的快速接頭相連，另一端連接壓力表進行觀察。對Mokveld閥門逐級更換變質液壓油，以圖11中位置點1-2-3的順序進行。先松開液壓單元上部的內六角絲堵，手動按壓液壓泵，將干凈的液壓油注入液壓系統，變質的液壓油在絲堵處排出。待液壓單元處變質液壓油排盡后，依次對蓄能器、液壓缸內的變質液壓油進行更換。直至液壓單元處、蓄能器處和針形閥處均沒有任何殘存空氣或者泡沫時，才可上緊絲堵或擰緊針形閥。

重復三次上述過程，直至液壓系統內部不再存有空氣或者變質液壓油。隨后上電開閥。操作后需要檢查是否有漏氣、漏油以及閥門開關狀態。

圖11 排液順序 圖12 排液

7 結論與展望

文中對Mokveld軸流式調節閥的設備結構、工作原理進行詳細分析，研究了常見故障及相應處理措施，得出以下結論。

(1) Mokveld軸流式調壓閥的常見故障有閥門輕微內漏、無動作、管道內有撞擊聲響，且天然氣從壓力泄放口逸出、流體流通能力顯著下降等，建議對該處進行加密巡檢。

(2) Mokveld安全切斷閥無法關斷問題有兩種原因，一種是液壓油乳化變質導致無法承壓，造成閥門關斷無法恢復，因此需要定期檢查液壓油質量，未發生乳化變質的情況下建議每年進行一次液壓油更換。還有一種是電磁閥故障失電，液壓油不能穩壓，導致閥門無法復位，建議定期對電磁閥電壓進行檢測。

(3) 沖擊問題和閥腔帶壓問題的原因在于組合式過濾分離器清潔能力弱，使流經工作調節閥的天然氣中攜帶雜質，造成密封損壞，因此在巡檢過程中需要關注過濾器壓差變化情況，定期對濾芯進行清洗，提高清潔能力。當閥門出現開關卡澀或扭矩報警時，可能是籠套孔眼被固體雜質堵塞，此時若強制開關閥門，可能造成活塞、籠套出現被固體雜質劃傷。

(4) 根據閥門服役情況，建議每年開展管道壁厚檢測時，對閥腔內部易受沖擊的部位進行多點檢測，分析比對。

(5) 后續研究可以對沖擊問題進行有限元模擬分析，根據影響因素得出最優解，從而可開展壽命分析。