調壓裝置監控調壓閥性能對比測試分析研究

陶國慶，郝紹淳，劉貴超，劉建峰，張紹華，陳鳳官

（1.合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031；2.國家管網集團建設項目管理分公司，河北廊坊 065000；3.渤海卡麥龍流體控制設備（天津）有限公司，天津 300280）

0 引言

天然氣長輸管道用調壓裝置是保障天然氣輸送安全及平穩運行的關鍵設備，目前在西氣東輸工程中已實現安全切斷閥、監控調壓閥和工作調壓閥等關鍵用閥的國產化，國產化設備在出廠、現場試驗時，產品的技術指標和性能測試均滿足國產化試制技術條件及國產化試驗大綱的要求。為了進一步提高國產設備的質量和應用水平，需要跟蹤評價國產化設備運行情況，梳理出現的問題，以反饋廠家改進、指導國產設備的選擇和維護等，更加有效地保證管道系統的可靠性，保障管道安全平穩運行［1-3］。

本文詳細介紹了調壓裝置關鍵閥門中的監控調壓閥（Pressure Control Valve，PCV）國產化實際使用情況，并進行了跟蹤調研；為找出國產化設備與進口設備存在的差距，對國產化設備與進口設備進行現場性能測試和對比分析，并對測試過程中出現的故障原因進行分析，為后期閥門產品的優化升級、使用及維護提供數據支撐和建議。

1 測試方案

目前，國產化監控調壓閥主要安裝在昆山、樟木頭2個站場。昆山站安裝有1臺國內特瑞斯的DN250 CL600監控調壓閥；樟木頭站安裝有2臺國內貝特爾的DN300 CL600監控調壓閥（位號6203，6103）。為了使國產閥門和進口閥門盡可能在相同或相近的測試條件下進行測試，根據站場上游氣來源、下游用戶實際情況、壓力波動范圍、備用管路情況等實際運行情況，選取上海白鶴站、常州芙蓉站安裝的國外RMG監控調壓閥與昆山站國產閥門進行對比測試；選取深圳求雨嶺站、東莞站安裝的國外RMG監控調壓閥與樟木頭站國產閥門進行對比測試。國內外閥門按相同性能指標進行測試，除內泄漏按各自站場要求不同外，其余測試項目驗收要求均一致，測試方法及程序也完全相同。各個站場選取的現場測試的監控調壓閥相關信息見表1。

表1 測試選取的監控調壓閥相關信息Tab.1 List of information on pressure control valves selected for testing

結合監控調壓閥相關產品標準（EN 334，ISO 5208，IEC 60534等）［4-9］，以及油氣管線關鍵設備調壓裝置關鍵閥門國產化工業性試驗大綱，制定監控調壓閥現場測試大綱及相關性能指標。現場測試的天然氣調壓裝置工藝流程如圖1所示。

圖1 調壓裝置工藝流程Fig.1 Process flow chart of pressure regulating device

圖1中，調壓裝置關鍵閥門有安全切斷閥、監控調壓閥和工作調壓閥3種，再加上進出口球閥，按照從上游至下游的順序，將其串聯組成調壓裝置。為使調節工作更加穩定、快速，設計為多路調壓系統。在正常工作狀態時，安全切斷閥、監控調壓閥處于全開狀態，管線下游壓力和流量由工作調壓閥進行調節。當工作調壓閥不能正常進行壓力和流量調節時，監控調壓閥開始以略高于正常壓力亦即設定的監控壓力進行工作，對下游壓力進行調節。當監控調壓閥也不能正常工作時，出口壓力出現波動，超出安全切斷閥設定值范圍時，安全切斷閥將迅速關閉，切斷管線壓力。待故障排除后，需要現場手動復位安全切斷閥。

具體測試步驟如下：

（1）調整安全切斷閥的切斷壓力，使其在監控調壓閥測試過程中不發生切斷。

（2）在分輸允許的范圍內，分別設定高、中、低3個出口壓力值進行穩壓精度測試：關閉出口球閥，通過調節監控調壓閥指揮器，使下游管道壓力調節至測試所需的設定值，然后打開出口放空閥，通過調節上游切斷球閥給定不同的進口壓力值（在最小到最大工況壓力之間變化），記錄出口壓力設定值、出口壓力實測值及調節過程中出口壓力的波動范圍（最高到最低的變化）。

（3）用分貝儀檢測不同出口設定壓力值下距離監控調壓閥1 m處和閥下游的噪聲。

（4）待進、出口壓力均穩定后，緩慢關閉放空閥，使出口流量降為0，在關閉2 min后測量2次出口壓力，時間間隔5 min。計算關閉壓力等級時取2次出口壓力實測值的較大值。

（5）給定進口壓力為管線正常工作壓力，在分輸允許的范圍內，分別將監控調壓閥調至出口壓力范圍的最低值和最高值，緩慢關閉放空閥至流量為零，閥門關閉2 min后記錄2次出口壓力值，2次間隔時間為5 min，測試監控調壓閥的內泄漏量。

2 測試結果及故障原因分析

2.1 測試結果對比分析

根據制定的測試方案，對選取的各站場監控調壓閥進行性能測試，詳細記錄測試數據，按照標準要求對數據進行分析處理［10-13］，尤其是監控調壓閥的2個關鍵性能指標穩壓精度和關閉壓力等級，以及閥門的內泄漏量。通過分析處理、計算，整理各個規格監控調壓閥測試數據，結果見表2和表3。

表3 DN300監控調壓閥測試數據Tab.3 List of test data for DN300 pressure control valves

從表2，3可知，針對DN250規格的監控調壓閥，國產監控調壓閥（昆山站）除外觀、內泄漏、穩壓精度符合要求外，其余幾項指標因閥門主膜片及指揮器膜片故障，未能進行有效檢測，而國外監控調壓閥（白鶴站和芙蓉站）基本滿足測試大綱要求。針對DN300規格的監控調壓閥，國產監控調壓閥（樟木頭站）除關閉壓力等級及噪聲略微超標外，其余指標均符合要求，國外監控調壓閥中，東莞站6103號監控調壓閥基本符合要求，求雨嶺站6103號監控調壓閥則完全無法滿足正常運行需要。

綜合各站場測試結果，不論是國產監控調壓閥還是國外監控調壓閥，發生故障的概率都較大。通過查閱站場的維保記錄，也可以明顯看出監控調壓閥發生故障較為頻繁（尤其是主膜片及指揮器膜片）。這也是現場某些測試項目不能進行的原因。

由表2，3中完成的各項測試數據可以看出，被測試的8臺國內外監控調壓閥中，除白鶴站5403號監控調壓閥（RMG）各項評價指標測試結果均滿足測試大綱的要求外，剩余7臺閥門的性能評價指標測試結果均不能完全滿足測試大綱的要求。尤其是DN300監控調壓閥，最為重要的兩個性能評價指標穩壓精度和關閉壓力等級，國產和國外的產品均有不符合測試大綱要求的情況，但考慮到國外閥門的投產使用時間要超過國產閥門的使用時間，且從多次測試結果看，RMG監控調壓閥在這兩個關鍵性能指標上要略優于國產閥門。此外，國產監控調壓閥噪聲測試結果不符合測試大綱要求。

2.2 故障原因分析及解決措施

通過監控調壓閥的現場測試，以及查閱站場的維保記錄，監控調壓閥存在以下常見故障：

（1）芙蓉站監控調壓閥（位號5203）穩壓測試，降低設定壓力時，管道下游壓力響應時間較長，響應不靈敏。

故障原因分析：由于閥門長期在較高的設定壓力下工作，加上投產后長期未改動設定值（2003年投產），致使主膜片（見圖2）長期處于拉伸狀態，造成疲勞變形。

圖2 監控調壓閥結構Fig.2 Structure diagram of pressure control valve

解決措施：檢查并更換主膜片，固緊膜片時注意使膜片受力均勻，或者更換抗疲勞更優的膜片材料，延長膜片正常運行的壽命。

（2）樟木頭站6103號監控調壓閥在開度極小、下游介質壓力降低至遠低于設定值的情況下，仍不能開啟（如圖3所示），氣流經過閥門產生尖銳刺耳的響聲（噪聲實測值達122.3 dB（A））。

圖3 6103號監控閥Fig.3 No.6103 pressure control valve

故障原因分析：

①主膜片出現破損，主膜片左側腔室內的下游出口壓力和右側腔室內的負載壓力互相平衡，膜片兩側不能產生有效的壓力差，致使調壓功能大幅度減弱；

②指揮器膜片或密封圈出現破損，內部發生串氣現象，指揮調節功能散失。

解決措施：

①分別檢查主膜片和指揮器膜片、密封圈，排查原因后更換相應損壞的零件；

②在監控調壓閥出口設置消噪聲裝置。

（3）求雨嶺站6103號監控閥響應緩慢，關閥時間長（實測≥6 min）。

故障原因分析：

①閥門長期處于工作狀態，即膜片處于拉伸狀態，造成主膜片老化；

②指揮器膜片或上下兩腔室間密封圈老化；

③在長期調壓過程中，主閥關閉彈簧頻繁動作而發生疲勞變形，回彈性變弱，閥門關閉遲緩。由此造成在較高的設定壓力下（5.50 MPa），閥門開度大，由于閥門關閉遲緩，在閥門未關閉之前，下游壓力已快速升至接近上游壓力，而在較低的設定壓力下（3.61 MPa），閥門開度也小，下游壓力上升速率相對緩慢（關閉壓力等級超標）。

解決措施：

①檢查并更換主膜片，固緊膜片時注意使膜片受力均勻，或者更換抗疲勞更優的膜片材料，延長膜片正常運行的壽命；

②檢查并更換指揮器膜片或上下兩腔室間密封圈；

③檢查并更換主閥關閉彈簧，或者更換抗疲勞更優的彈簧材料。

（4）求雨嶺站6103號監控閥關閥后下游壓力持續上升。

故障原因分析：

①閥芯或閥座粘附有雜質，造成閥門未能關嚴；

②閥芯與閥座密封面長期受介質沖刷，密封性能下降；

③由于下游用戶的生產需求，閥門設定壓力長期處于4.0 MPa以下，膜片老化及彈簧的疲勞變形造成閥門在較高的設定壓力下，出口壓力響應慢、低于設定值（穩壓精度超標）。

解決措施：

①檢查閥座和閥芯上是否有異物并清除；

②檢查閥芯和閥座密封面是否已被介質沖刷，對損傷處進行修復，必要時更換新部件；

③檢查并更換主膜片，固緊膜片時注意使膜片受力均勻，或者更換抗疲勞更優的膜片材料，延長膜片正常運行的壽命；

④檢查并更換主閥關閉彈簧，或者更換抗疲勞更優的彈簧材料。

（5）求雨嶺站6203號閥位指示環到一定開度（約30%）有卡阻，不能達到全開狀態。

故障原因分析：

①主膜片輕微破損；

②主膜片固定邊口輕微脫落，脫落程度不大，雖不影響調壓閥的正常使用，但影響閥芯總長的活動行程，使閥門不能達到全開狀態；

③閥芯或閥座上粘附有異物，閥芯運動產生卡阻。

本研究在基本假設的基礎上，從農民工返鄉創業的“生存性創業質量”和“成長性創業質量”兩個維度提出兩個分假設，即H1和H2。

解決措施：

①檢查主膜片破損程度，必要時更換主膜片；

②檢查并重新固定主膜片，固緊膜片時注意使膜片受力均勻；

③檢查閥座和閥芯上是否有異物并清除。

（6）求雨嶺站6303號監控調壓閥出口壓力低于設定值且不能關閥（現場測試時，站控室顯示100%開度到47%開度，經歷了9min），現場閥位指示塑料管丟失（如圖4所示），無現場閥門指示。

圖4 6303號監控閥Fig.4 No.6303 pressure control valve

故障原因分析：

②閥芯或閥座粘附有異物，使得閥芯運動產生卡阻，閥門不能達到全關狀態；

③主閥關閉彈簧發生塑性變形，失去彈性，造成閥門不能關閉。

解決措施：

①檢查并更換閥位指示器，或者設計帶卡扣固定的指示器，防止再次丟失；

②檢查閥座和閥芯上是否有異物、關閉彈簧是否卡阻或者失去彈性，清除異物；

③調整關閉彈簧，必要時更換關閉彈簧，或者更換強度更高的彈簧材料，防止彈簧發生塑性變形。

3 結論

（1）國產化監控調壓閥在穩壓精度及關閉壓力等級等關鍵性能上與國外知名品牌的產品水平差距不大，國內外閥門實測穩壓精度差值在1.2%以內，關閉壓力等級差值在1.1%以內。

（2）國產和國外監控調壓閥發生故障的概率相對調壓裝置中的安全切斷閥和工作調壓閥故障率都要高，主要是因為監控調壓閥在調壓過程中反復動作而處于動態平衡，不僅使閥芯、閥座產生磨損，而且膜片和主閥關閉彈簧也會產生疲勞。

（3）指揮器膜片和主閥膜片損壞是造成監控調壓閥頻繁失效的原因，對膜片研發升級的同時，急需根據閥門實際運行數據（如：穩定運行時間、壓力波動范圍、閥門動作頻率、零件失效數量統計、單個零件失效時間和失效模式等）建立橡膠膜片、關閉彈簧、氣動活塞、活塞密封環等易損件的可靠度計算模型，進而對其使用壽命進行預測，提出預見性維護方案，給出最優更換時間間隔，降低費用成本。