天然气长输管道阀门电动执行机构国产化研制

郝一博 梁 浩 李 锴 吴昌汉 彭忍社

中国石油西气东输管道公司,上海 200122



天然气长输管道阀门电动执行机构国产化研制

郝一博 梁 浩 李 锴 吴昌汉 彭忍社

中国石油西气东输管道公司,上海 200122

目前我国天然气长输管道阀门电动执行机构主要依靠进口,增加了天然气管道建设和运营成本,制约了天然气管道行业的发展。有必要开展天然气长输管道设备的国产化研究,在大口径天然气管道上使用国产电动执行机构替代国外进口产品,提高我国天然气管道设备的保障能力。中国石油西气东输管道公司联合4个厂家开展了天然气管道阀门电动执行机构的研制工作,对标国外先进产品关键指标,制定了电动执行机构研制技术条件,完成了首批国产化电动执行机构的产品设计、样机试制、工厂试验和产品工业性试验。国产化电动执行机构产品的性能达到了研制技术条件要求和国内外相关技术标准要求,具备批量生产条件,电动执行机构国产化定型产品可在天然气长输管道建设中推广应用。

天然气管道;阀门;执行机构;电动机;减速器;工业性试验

0 前言

自从2000年我国建设西气东输等天然气长输管道工程以来,长距离、大口径天然气管道进入了建设高峰期[1-2],截至2015年,国内天然气管道总长度达9×104km。随着天然气长输管道工程建设的快速发展,对管道设备的需求大幅增加,然而天然气长输管道设备中的阀门电动执行机构主要依靠进口,增加了天然气管道建设和运营成本[3-4],而且进口产品一般供货周期较长,制约了我国天然气管道行业的发展。目前天然气长输管道设备国产化需求日益迫切,在大口径天然气管道上使用国产阀门电动执行机构替代国外进口产品,可降低成本,提高天然气管道设备的保障能力,提升我国机械装备制造水平。

1 国内外阀门电动执行机构技术概况

1.1 国外技术状况

大型天然气长输管道阀门电动执行机构市场[5]主要被国外公司控制,国外电动执行机构主要生产厂商为英国ROTORK公司[6]、美国Limitorque公司、德国AUMA集团公司、法国Bernard公司等。目前国外阀门电动执行机构厂家在不断运用新技术,如英国ROTORK公司采用两段位位置测量技术,提高产品的调节定位精度;美国Limitorque公司采用光电绝对编码器提升产品可靠性,并解决了设备中需配置备用电池电源的结构缺陷;德国西博思电动执行机构有限公司(SIPOS Aktorik GmbH)在变频、调速、节能方面做出了改进[7-8]。国外阀门电动执行器正朝着小型化、一体化、数字化、智能化、总线化和网络化方向快速发展[9]。

国外阀门执行机构相关标准有API Specification 6D-2014 《Specification for Pipeline and Pipeline Valves》[10],ISO DIS 12490-2010 《Petroleum and Natural Gas Industries.Actuation,Mechanical Integrity and Sizing for Pipeline Valves》[11]。

1.2 国内技术状况

从20世纪60年代末仿制苏联有触点的电动执行机构开始,经过30多年发展,我国电动执行机构多数产品实现了智能化,技术相对成熟[12-13]。但国产执行机构主要应用于市政、电力、冶金等普通场所,天然气长输管道阀门电动执行机构还是依赖进口,特别是大口径、高压力长输管道干线阀门的执行机构,由于其大扭矩、快速开关及高可靠性等要求,目前使用进口产品。

国内阀门执行机构相关标准有GB/T 24923-2010 《普通型阀门电动装置技术条件》[14],GB/T 24922-2010 《隔爆型阀门电动装置技术条件》[15],GB/T 26155-2010 《工业过程测量和控制系统用智能电动执行机构》[16],GB/T 28270-2012 《智能型阀门电动装置》[17]。

虽然目前我国中小型普通级阀门电动执行机构实现了国产化,但大型天然气长输管道阀门电动执行机构依赖进口,因此迫切需要开展大型天然气长输管道阀门电动执行机构的研制及产品可靠性的工业性试验。

2 阀门电动执行机构国产化研制

阀门电动执行机构是长距离天然气输送管道的关键设备之一,它的作用是接收计算机发出的控制信号,并把它转换成阀门的开关动作,使生产过程按照预先规定的要求正常进行[18-19]。阀门电动执行机构主要由电动机、减速器、力矩行程限制器、开关控制箱、手轮、机械限位装置以及位置发送器等组成。

首套国产化阀门电动执行机构研制确定为12 MPa、DN 1 200阀门(含12 MPa、DN 1 200及以下阀门)配套的智能电动执行机构。其结构特点为[20]:机械整机结构采用非侵入式双密封结构设计,达到最高IP 68防护等级;具有增量和绝对编码器可选择的位置测量方式,具有自主研发的扭矩测量机构,能够进行精确的力矩检测;具有自诊断、自巡检、现场总线和多重保护等完善的自保护功能。

2.1 研制技术条件

电动执行机构研制技术条件如下:

1)研制12 MPa、DN 1200阀门配套电动执行机构及输出最大力矩250 kN·m、开关时间210～260 s的齿轮箱。

4)中文操作系统。

5)使用寿命大于8 000次(执行器)或1 000次(整机)。

2.2 产品

2011年8月,在国家能源局、中国机械工业联合会的支持下,中国石油天然气集团开展了油气管道关键设备国产化工作,并设立了重大科技专项进行研究。中国石油西气东输管道公司与4个研制厂家(分别为厂家1、2、3、4)联合承担了油气管道关键设备国产化项目中阀门电动执行机构的研制任务。研制厂家对标国外先进产品关键指标,按照天然气关键阀门电动执行机构研制技术条件,完成了产品设计、样机试制、工厂试验及第三方检测取证等工作。阀门电动执行机构国产化产品性能见表1,各厂家所研制的阀门电动执行机构产品通过了出厂验收,并通过了中国机械工业联合会和中国石油天然气集团组织的新产品鉴定。

表1 阀门电动执行机构国产化产品性能

研制技术条件产品性能研制12MPa、DN1200阀门配套电动执行机构及输出最大力矩250kN·m、开关时间210～260s的齿轮箱各制造厂家均完成自行设计和制造,产品涵盖12MPa、DN1200以下阀门所需执行机构电动执行机构内部控制器的精度应≤1%,电动执行机构和阀门配套后的整体精度应保证≤1.5%内部精度:厂家1<0.56%;厂家2<0.1%;厂家3<0.5%;厂家4<0.1%蜗轮蜗杆机械传动效率≥35%厂家1为54%;厂家2为35.5%;厂家3为40%;厂家4为58%中文操作系统自主研发中文操作系统使用寿命大于8000次(执行器)或1000次(整机)厂家1整机1100次;厂家2整机1000次;厂家3整机1200次;厂家4整机1003次

3 工业性试验

为了检验研制的电动执行机构与阀门配套后性能的稳定性和操作可靠性,按照替换原有在用进口电动执行机构的方案制定了《电动执行机构现场工业性试验大纲》。2014年12月完成了电动执行机构在西气东输二线4个场站的安装调试,开始工业性试验。

3.1 试验目的

1)检验电动执行机构替换原有进口电动执行机构后,在实际运行工况条件下整机性能的稳定性及操作可靠性,验证研制产品是否达到研制技术条件要求,检验国产化电动执行机构在实际工程中的运行状态。

2)为研制产品应用到实际生产工况中提供参考。

3)为研制方提供产品制造参考数据。

3.2 试验过程

国产化电动执行机构安装在收、发球筒的1202#、1203#、1302#、1303#阀门处(图1),替换原有在用的英国ROTORK公司电动执行机构。按《电动执行机构现场工业性试验大纲》要求,定期对各制造厂家研制的电动执行机构进行测试,经多次测试,国产化电动执行机构各项指标达到了研制技术条件要求,设备运行正常。将各厂家所研制的电动执行机构与英国ROTORK公司电动执行机构阀门开关时间进行对比(图2～3)。

图1 电动执行机构安装位置工艺流程图

图2 厂家2、4 研制产品与被替换ROTORK IQ 35-IW 11电动执行机构性能对比

图3 厂家1、3 研制产品与被替换ROTORK IQ 25-IW 10电动执行机构性能对比

3.3 试验结果

2015年12月,国产化电动执行机构产品的工业性试验通过了中国机械工业联合会和中国石油天然气集团组织的验收,电动执行机构国产化定型产品可在天然气长输管道建设中推广应用。

4 结论

天然气长输管道阀门电动执行机构国产化研制工作采用“政产学研用”模式,确保了国产化工作顺利推进,在国家能源局、中国机械工业联合会的支持下,以中国石油天然气长输管道业务需求为主导,联合产学研等相关行业共同进行科技攻关,完成了电动执行机构研制产品技术条件制定、新产品设计、试制生产和产品工业性考核试验。首批国产化电动执行机构产品的性能达到了研制技术条件要求和国内外相关技术标准要求,具备批量生产条件。天然气长输管道阀门电动执行机构国产化后将产生以下效果:

1)提高我国天然气长输管道设备保障能力,保障国家能源供应安全。

2)降低天然气长输管道工程建设成本。

3)缩短供货周期,改善售后服务。

4)降低设备备品备件价格,节省天然气长输管道运行成本。

5)促进现行国标GB/T 28270-2012 《智能型阀门电动装置》等相关技术标准的修订和完善。

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2016-03-25

中国石油天然气股份有限公司重大科技专项资助项目(2012 E-2802)

郝一博(1989-)，男，河北献县人，助理工程师，学士，主要从事天然气长输管道QHSE工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.018