减压阀内部结构受损原因分析及应对措施

刘超

国家石油天然气管网集团有限公司油气调控中心

减压阀广泛使用在石油化工管输系统中，通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作调整阀腔内节流部件相对位置，改变有效过流面积，最终控制介质流量、压力、温度、液位等工艺参数[1-2]。对于线路上存在高点或翻越点的长输液体管道，多通过设置减压站的方式保持站前管段压力为正压，避免高点发生拉空运行的现象[3-4]。由于减压阀受高速流体冲刷、冲击且其工作条件严酷，其故障率也较高。

1 减压阀工作原理

我国某长输管道由于在线路上存在高点和翻越点，因此设置有三座减压站（甲、乙、丙），均采用CCI（Control Components Inc.，美国控件有限公司）迷宫结构减压阀，为防止阀门、执行机构突发故障或失效，采用一用一备设置，同时为避免管道内机械杂质对减压阀的损伤及堵塞，在减压阀流程上游设有卧式过滤器，同样采用一用一备设置[5-6]。

阀笼是减压阀的核心部件，该结构又被称为迷宫套。管输介质在阀腔内部进入阀笼方式为侧进底出。阀笼由多层盘片结构叠合而成，每一层碟片设有多条流道，每一流道均设有特定数量的直角转弯（图1）。流体沿流道经过每一个直角转弯时，其具有的能量被消耗，从而达到逐级减压的目的[7-8]。

图1 阀门内部迷宫结构Fig.1 Labyrinth structure inside the valve

阀塞外径与迷宫内径相等，在阀杆驱动下，阀塞在迷宫套内上下移动做轴向活塞运动。当阀塞完全进入迷宫套时，流道被全部堵死，阀门开度为零；当阀塞底部上升至迷宫套顶部时，其内部空间被完全腾空，全部流道可供流体通过，阀门开度为100%。

2 减压阀故障分析

2.1 故障简况

2009 年该管道采用油推水的方式进行投产试运。考虑到管道内杂质较多，出于保护减压阀的目的，在投产初期输水时曾使用节流截止阀暂时代替站场内迷宫减压阀控制进站压力，保证管道满管运行；柴油头进站前拆除节流截止阀，将CCI减压阀装回并进行PID（Proportion Integration Differentiation，比例积分微分）调试；投产之后全线减压阀运行均较稳定。然而自投产后第四年开始，乙、丙两站减压阀运行逐渐出现异常。在稳定输油工况下，阀门阀位与投产完成后相比明显偏小，例如乙站减压阀开度仅有7%；且减压阀在PID 自动控制状态下阀位不能保持稳定，阀门开度周期性变化，继而使过站流量及进出站压力也产生相应波动。查阅投产完成后该阀门运行记录，在流量为750 m3/h的工况下，减压阀开度为32%，且运行平稳可靠。维修人员对减压阀进行拆解后发现阀芯受到严重损伤（图2）。该部件由26 层碟片叠合而成，位于下部的三至四层碟片损伤程度最严重，此现象与运行时阀门开度仅为7%左右的情况相吻合。由于阀笼密封面也被损坏，如果不及时对阀门进行维修，将很快危及阀座。

图2 阀芯下部受损照片Fig.2 Photo of damaged bottom of valve core

2.2 故障原因

由于规划设计部门对管道油源及沿途市场需求预测失误，管道投产后实际输量一直较小。单次启输的管输量少于站间距管容量，因而管道自投产后一直未进行清管作业（否则停输时，清管器将留在管道内）。管道内机械杂质在投产期随气/水隔离球和油水隔离球排出一部分，但仍有相当部分被留在管道内。尽管减压阀前设置有过滤器，但小颗粒机械杂质不可避免随液流进入阀门。油流经过迷宫套内流道时速度较快，高速液流裹挟机械杂质在迷宫内流过时高速撞击流道内壁，使得迷宫受到杂质的磨蚀损伤，而这种损伤一旦开始则不可逆转并将加速进行。迷宫设计的目的即为变单级减压为多级减压，防止节流结构遭受气蚀，然而流道受损后，多级减压级数减少，甚至变为单级减压，因此迷宫内壁运行后期还会同时受到气蚀损伤[9]。

在液流冲蚀、杂质磨蚀和闪蒸气蚀的共同作用下，迷宫流道不断变大，导致阀门开度逐渐变小，最终的结果是最下方7%的流道节流效果与原来32%的流道所产生的效果相当，同时也意味着7%的流道将遭受原32%的流道所受到冲击和磨损。如图3中实线与虚线分别为厂家给出调节阀特性曲线和迷宫受损后发生畸变的曲线。CCI减压阀调节特性为线性，由于迷宫套受到损伤，其特性曲线也发生改变，7%左右的开度承担了受损前30%开度的过流任务，并且开度在7%以内阀门调节特性发生变化，呈快开特性；而迷宫上部大部分的流道由于未曾使用，所以未受影响，仍具有线性特性，其特性曲线应与原特性曲线斜率相同[10]。

3 故障处理方式

通过现场图片（图4）可知，阀笼受损部分主要位于下方，大约占流道总数的7%，而位于该部分上方的绝大多数流道由于长期得不到使用，其内部迷宫结构并未受损。阀笼作为调节阀的核心部件，不仅造价高而且加工周期长，对其进行彻底更换不仅不经济而且管道运行时间窗口也不允许。因此，在考虑阀门维修方案时，如何避开已经损坏的流道而使用上部尚未受损的部分是修理的主要方向。

图4 堵塞受损流道后的阀笼与倒置安装于阀座之上的阀笼Fig.4 Valve cage after blocking the damaged passage and valve cage installed upside down on the valve seat

3.1 堵塞受损流道

确定故障处理思路后，最终决定丙站采取焊接的方法对迷宫下部受损部分进行机械封堵（图4）。通过对减压阀工作原理的分析可知，阀门开度随阀塞在迷宫空腔内的上下位移而变化，阀门全关时，阀塞完全进入空腔，流道全部被堵塞；阀门全开时，阀塞由空腔内全部退出，油流通过全部流道。对受损流道封堵后，当阀塞位移约7%时，阀门实际过流能力为零；随着阀塞的继续位移，上部未受损的流道开始过流，过流能力开始由零增大；当阀塞全部退出迷宫空腔时，阀杆位移为100%，但其实际过流能力约为原值的93%。

3.2 阀笼倒置

将迷宫倒置安装是另一种维修方式，这种方式更加简单易行。通过对乙减压站阀笼进行测量，发现CCI 迷宫阀笼上下两端内外径的尺寸完全相同，密封面处理程度也相似，因此采取了直接将其倒置安装的处理方式。阀笼倒置安装后，受损的流道处于上部，原来完好的流道处于下部，同样也可以达到避开受损部分的目的。当阀塞在迷宫内空腔开始向上进行位移时，阀门Kv值变化情况过程与原来的情况并没有很大差别，只是在阀门开度约为90%及以上时，其过流能力突然增大（呈现等百分比特性）。

4 减压阀维修效果评价

两种方式都可以避开已经损坏的流道而使用上部尚未受损的部分最终达到排除故障的目的，但二者既有相同之处又各有特点。

这两种故障维修方式都改变了减压阀特性曲线（图5），受损流道堵塞后阀位开度在0～7%时阀门过流能力实际为零；由于原特性曲线为线性，所以当阀杆位移超过7%后，阀门开度与其过流能力变化关系仍然呈线性特性；当阀门开度到达100%时，虽然已有流道全部打开，但下部7%的受损流道已被堵死，其过流能力约为原值的93%。在投产初期正常工况下丙站阀位只有30%，显然不存在使用减压阀过流能力93%及以上的工况。所以这种牺牲部分过流能力的方式可以满足管道运行工况的需要。

图5 维修后减压阀特性曲线Fig.5 Characteristic curve of pressure reducing valve after maintenance

乙站将阀笼倒置后，减压阀特性曲线也相应的会发生倒置，变化后的特性曲线与原曲线呈中心对称。由于原阀门特性为线性，故倒置后的新曲线在中小开度时其曲线也是线性的，当阀杆位移到原来受损的部分时，其过流能力会突然增大。同理，由于正常工况下乙站减压阀开度仅为32%，不会使用最上部受损的部分，因而将阀笼倒置的方式也可以满足管道实际运行的需要。

此外，堵塞受损流道的维修方式还可以进行有限次数的重复，只要阀笼上部未受损部分占40%及以上（主要考虑满足管道运行工况需要），就可以采用此方法进行重复性修复（图5即为丙站第二次修复曲线）；而倒置安装阀笼的方式仅能够使用一次，当迷宫再次被伤蚀，依然要采用堵塞流道的方式进行维修。

5 结论

（1）针对减压阀受损故障在不更换新阀笼的前提下，通过以上两种维修处理方式都可以达到最终排除故障的目的。因此对同一种故障处理不应拘泥于一种方式，而要通过思维发散有所创新。

（2）对减压阀的修复目的是使其恢复至原有运行状态，本质是修复其畸变的阀门特性，但最终都直观地反映到阀门特性曲线上并获得解释。

（3）在当前管道关键设备国产化的趋势背景下，进口设备核心部件的成功维修对于国产设备研发工作有着重大的指导意义。