长输管道阀门内漏失效分析和控制措施

郝小虎 赵 炜 李建国 杨 涵 胡学兵 孙大为

（1. 中国石油天然气股份有限公司管道秦皇岛输油气分公司，河北 秦皇岛 066000；2. 中油国际管道公司中乌天然气管道项目，北京 100007；3. 中国石油西南管道天水输油气分公司，甘肃 天水 741002；4. 中油国际管道公司中缅天然气管道项目，北京 100007；5. 中国人民解放军32723部队，河北 承德 067400）

0 引言

我国长输天然气管道发展迅速，随着西气东输、川气东送、中缅和中贵等大型天然气管道建设运行，我国实现大口径球阀国产化，逐渐替代国外进口产品。阀门是长输天然气管道系统的重要设施，由于制造、施工、维护和保养原因导致阀门内漏，对天然气管道运行造成严重威胁，例如西气东输三线西段工程霍尔果斯-乌鲁木齐段，阀门一次试压内漏率达到了27%（2014年数据），乌苏站电动球阀（DN900，Class900）和玛纳斯站电动球阀（DN450，Class900）解体存在球体表面划痕、阀座损伤、软密封缺失和球体及阀体存在焊渣等缺陷[1]。研究阀门内漏失效机理和控制措施，制定科学合理的维修方案，可以消除管道安全隐患，避免管道事故和天然气放空损耗，对于提升管道管理水平具有积极意义。

1 阀门内漏失效机理分析

阀门根据驱动方式分类为手动、电动、气动以及气液联动型。本文探讨应用最广泛的固定式全焊接球阀。球阀包括阀体、球体、阀座、阀杆及传动机构，阀体设有放空阀和排污阀。长输天然气管道球阀型式为 DIB-1 型，也称为双隔离泄压阀，具有两侧阀座密封面。在关闭状态，泄放密封面间的内腔压力，每个密封面承受一侧介质的压力。球阀密封机理是以带圆形通孔的球体为启闭装置，以阀杆为轴，球体随阀杆旋转90°，实现连接和截断管道中流体功能。阀体和密封圈之间存在阀腔，阀门运行一定时间后，密封材料可能硬化失效，管道内气体进入阀腔，产生内漏。

2 阀门内漏失效原因分析

2.1 制造阶段

制造过程可能造成阀门内漏的情形如下：

（1）制造过程中质量控制不严格，阀门密封结构存在缺陷，或者严密性试验不到位，例如行程调节不完整、球体表面研磨精度不够等情形，阀门出厂前存在内漏；

（2）阀门试压后排污、干燥、防腐处理不严格，密封面锈蚀形成内漏；

（3）阀门安装时限位位置不准确产生微渗漏，长期运行对密封面造成累积损伤；

（4）注脂管路存在铁锈杂质，随着注脂进入阀座密封面造成内漏。

2.2 施工阶段

安装施工过程可能造成阀门内漏的情形如下：

（1）阀门运输中固体杂质进入，或者吊装中外力损伤造成阀门内漏；

（2）施工现场防护不到位，阀门两侧保护罩遗失，沙子等固体硬物进入阀门造成内漏；

（3）阀门现场焊接预热不充分，或者层间、焊接温度控制不严格，可能对密封圈和密封面造成损伤，造成内漏；

（4）焊接飞溅物处理不当，对密封面造成损伤，导致内漏；

（5）焊渣等施工遗留物未完全清理，阀门开关操作导致密封面划伤导致内漏；

（6）管道清管后杂质留在球阀内，影响阀门密封造成内漏。

2.3 运行阶段

管道运行中可能造成阀门内漏的情形如下：

（1）阀门定期维护保养不到位，例如密封脂硬化，阻碍阀座移动，密封失效导致阀门内漏；

（2）阀杆腐蚀松动，不能保证球体旋转到位；执行机构腐蚀、螺母松动或限位位置不精确，导致阀门开关不到位，导致内漏；

（3）长期用球阀调节管道流量和压力，天然气携带固体颗粒高速冲刷对球面和密封面造成损伤，影响阀门密封性能；

（4）长期处于闲置状态的阀门，阀座和球体抱死，阀门开关造成密封面损伤导致内漏。

3 阀门内漏检测技术

3.1 阀门气体放空检测

确认阀门处于全开或者全关状态，通过放空阀将阀内压力气体进行放空，检测是否存在持续性气体排出，证明阀门存在内漏。该方法广泛应用于运行状态的阀门，简单易行，但不准确，需结合专业设备确定漏点，阀门就地放空存在风险隐患。

3.2 管段压力检测

关闭管段前后截断阀，管段内气体进行放空，关闭放空阀。通过有无气体节流声确认阀门内是否存在气体，如存在节流声，证明阀门存在内漏；如不存在节流声，在10小时后打开放空阀，再次确认气体节流声。该方法简单直观，需要操作切换工艺流程，验证过程需要时间多；如出现压力回升，需借助专业设备确定泄漏点。

3.3 阀门放空注氮检测

阀门进行放空，如阀腔仍存在气体，证明阀门密封性能不完善。阀门放空后采用氮气置换，对排出气体进行组分检测，确定阀门是否内漏。该方法适合阀门严重内漏的情形，操作复杂且费时，天然气的放空和注氮成本较高，造成一定能源损耗。该方法主要用于阀门严重内漏和关闭不到位的情形。

3.4 专业设备检测

应用超声波检测仪进行天然气阀门内漏检测。操作原理是测试密封圈处压差，假如阀体和阀座之间的密封圈存在间隙，高压侧气体通过密封圈间隙进入到低压侧，在间隙处形成涡流，产生声波。如内漏间隙较大，声波频率低于20kHz，甚至能听到节流声音；如果间隙较小，声波频率高于20kHz，不能听到声音。根据上述四种方法的优缺点，考虑采用超声波检测结合阀门放空检测的组合式方法，避免使用单个方法的局限性和误判[2]。

4 阀门内漏处理方法

阀门微小渗漏采用清洗及注脂维护方式，或者调节行程限位以减缓泄漏。阀门处理后持续监测，运行一年后进行检测。如阀门内漏量达到不可接受数值，考虑进行维修或替换，分体式法兰连接阀门的阀座和密封圈允许现场维修或更换；全焊接式阀门应返厂维修。如检测阀门存在内漏，可按照下列程序对阀门进行简易处理。

（1）调整工艺流程，开关阀门若干次，利用管道中高速气流吹扫球体和密封面上的杂质；

（2）检查、调整阀门限位，确认阀门全开或全关状态；

（3）缓慢注入少量润滑脂，结合注脂枪出口压力表变化，判断阀门内漏程度和止漏情况；

（4）如密封脂已硬化，应注入清洗液，清洁密封面和阀座的固体杂质，再注入新的润滑脂，开关操作阀门几次，将杂质、污物排出阀座和密封面；

（5）将阀门处于全关状态，如仍存在内漏，可能是密封面产生损伤，注入加强型密封脂。

5 结论和建议

（1）阀座密封设计宜采用多重密封方式和耐磨损措施，提高密封脂产品性能指标；

（2）阀门制造中加强注脂管路防护，例如防止焊渣等杂质进入，考虑管壁防腐处理；

（3）阀门运输中注意对放空、排污管路和注脂管路的保护，避免磕碰挤压，必要设置支撑；

（4）阀门和执行机构在调试阶段做定位标识，阀门安装时检查确认限位是否准确；

（5）加强阀门施工全过程管理。焊接前，禁止拆卸阀门两侧的保护罩，保证阀门处于全开状态；焊接操作严格控制预热、层间和焊接温度；焊接后应阀门内杂质、污物清理干净；

（6）选择专用流量和压力调节阀替代球阀控制管道运行工况；

（7）按照规定周期进行阀门维护保养。