调压装置监控调压阀性能对比测试分析研究

陶国庆，郝绍淳，刘贵超，刘建峰，张绍华，陈凤官

（1.合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031；2.国家管网集团建设项目管理分公司，河北廊坊 065000；3.渤海卡麦龙流体控制设备（天津）有限公司，天津 300280）

0 引言

天然气长输管道用调压装置是保障天然气输送安全及平稳运行的关键设备，目前在西气东输工程中已实现安全切断阀、监控调压阀和工作调压阀等关键用阀的国产化，国产化设备在出厂、现场试验时，产品的技术指标和性能测试均满足国产化试制技术条件及国产化试验大纲的要求。为了进一步提高国产设备的质量和应用水平，需要跟踪评价国产化设备运行情况，梳理出现的问题，以反馈厂家改进、指导国产设备的选择和维护等，更加有效地保证管道系统的可靠性，保障管道安全平稳运行［1-3］。

本文详细介绍了调压装置关键阀门中的监控调压阀（Pressure Control Valve，PCV）国产化实际使用情况，并进行了跟踪调研；为找出国产化设备与进口设备存在的差距，对国产化设备与进口设备进行现场性能测试和对比分析，并对测试过程中出现的故障原因进行分析，为后期阀门产品的优化升级、使用及维护提供数据支撑和建议。

1 测试方案

目前，国产化监控调压阀主要安装在昆山、樟木头2个站场。昆山站安装有1台国内特瑞斯的DN250 CL600监控调压阀；樟木头站安装有2台国内贝特尔的DN300 CL600监控调压阀（位号6203，6103）。为了使国产阀门和进口阀门尽可能在相同或相近的测试条件下进行测试，根据站场上游气来源、下游用户实际情况、压力波动范围、备用管路情况等实际运行情况，选取上海白鹤站、常州芙蓉站安装的国外RMG监控调压阀与昆山站国产阀门进行对比测试；选取深圳求雨岭站、东莞站安装的国外RMG监控调压阀与樟木头站国产阀门进行对比测试。国内外阀门按相同性能指标进行测试，除内泄漏按各自站场要求不同外，其余测试项目验收要求均一致，测试方法及程序也完全相同。各个站场选取的现场测试的监控调压阀相关信息见表1。

表1 测试选取的监控调压阀相关信息Tab.1 List of information on pressure control valves selected for testing

结合监控调压阀相关产品标准（EN 334，ISO 5208，IEC 60534等）［4-9］，以及油气管线关键设备调压装置关键阀门国产化工业性试验大纲，制定监控调压阀现场测试大纲及相关性能指标。现场测试的天然气调压装置工艺流程如图1所示。

图1 调压装置工艺流程Fig.1 Process flow chart of pressure regulating device

图1中，调压装置关键阀门有安全切断阀、监控调压阀和工作调压阀3种，再加上进出口球阀，按照从上游至下游的顺序，将其串联组成调压装置。为使调节工作更加稳定、快速，设计为多路调压系统。在正常工作状态时，安全切断阀、监控调压阀处于全开状态，管线下游压力和流量由工作调压阀进行调节。当工作调压阀不能正常进行压力和流量调节时，监控调压阀开始以略高于正常压力亦即设定的监控压力进行工作，对下游压力进行调节。当监控调压阀也不能正常工作时，出口压力出现波动，超出安全切断阀设定值范围时，安全切断阀将迅速关闭，切断管线压力。待故障排除后，需要现场手动复位安全切断阀。

具体测试步骤如下：

（1）调整安全切断阀的切断压力，使其在监控调压阀测试过程中不发生切断。

（2）在分输允许的范围内，分别设定高、中、低3个出口压力值进行稳压精度测试：关闭出口球阀，通过调节监控调压阀指挥器，使下游管道压力调节至测试所需的设定值，然后打开出口放空阀，通过调节上游切断球阀给定不同的进口压力值（在最小到最大工况压力之间变化），记录出口压力设定值、出口压力实测值及调节过程中出口压力的波动范围（最高到最低的变化）。

（3）用分贝仪检测不同出口设定压力值下距离监控调压阀1 m处和阀下游的噪声。

（4）待进、出口压力均稳定后，缓慢关闭放空阀，使出口流量降为0，在关闭2 min后测量2次出口压力，时间间隔5 min。计算关闭压力等级时取2次出口压力实测值的较大值。

（5）给定进口压力为管线正常工作压力，在分输允许的范围内，分别将监控调压阀调至出口压力范围的最低值和最高值，缓慢关闭放空阀至流量为零，阀门关闭2 min后记录2次出口压力值，2次间隔时间为5 min，测试监控调压阀的内泄漏量。

2 测试结果及故障原因分析

2.1 测试结果对比分析

根据制定的测试方案，对选取的各站场监控调压阀进行性能测试，详细记录测试数据，按照标准要求对数据进行分析处理［10-13］，尤其是监控调压阀的2个关键性能指标稳压精度和关闭压力等级，以及阀门的内泄漏量。通过分析处理、计算，整理各个规格监控调压阀测试数据，结果见表2和表3。

表3 DN300监控调压阀测试数据Tab.3 List of test data for DN300 pressure control valves

从表2，3可知，针对DN250规格的监控调压阀，国产监控调压阀（昆山站）除外观、内泄漏、稳压精度符合要求外，其余几项指标因阀门主膜片及指挥器膜片故障，未能进行有效检测，而国外监控调压阀（白鹤站和芙蓉站）基本满足测试大纲要求。针对DN300规格的监控调压阀，国产监控调压阀（樟木头站）除关闭压力等级及噪声略微超标外，其余指标均符合要求，国外监控调压阀中，东莞站6103号监控调压阀基本符合要求，求雨岭站6103号监控调压阀则完全无法满足正常运行需要。

综合各站场测试结果，不论是国产监控调压阀还是国外监控调压阀，发生故障的概率都较大。通过查阅站场的维保记录，也可以明显看出监控调压阀发生故障较为频繁（尤其是主膜片及指挥器膜片）。这也是现场某些测试项目不能进行的原因。

由表2，3中完成的各项测试数据可以看出，被测试的8台国内外监控调压阀中，除白鹤站5403号监控调压阀（RMG）各项评价指标测试结果均满足测试大纲的要求外，剩余7台阀门的性能评价指标测试结果均不能完全满足测试大纲的要求。尤其是DN300监控调压阀，最为重要的两个性能评价指标稳压精度和关闭压力等级，国产和国外的产品均有不符合测试大纲要求的情况，但考虑到国外阀门的投产使用时间要超过国产阀门的使用时间，且从多次测试结果看，RMG监控调压阀在这两个关键性能指标上要略优于国产阀门。此外，国产监控调压阀噪声测试结果不符合测试大纲要求。

2.2 故障原因分析及解决措施

通过监控调压阀的现场测试，以及查阅站场的维保记录，监控调压阀存在以下常见故障：

（1）芙蓉站监控调压阀（位号5203）稳压测试，降低设定压力时，管道下游压力响应时间较长，响应不灵敏。

故障原因分析：由于阀门长期在较高的设定压力下工作，加上投产后长期未改动设定值（2003年投产），致使主膜片（见图2）长期处于拉伸状态，造成疲劳变形。

图2 监控调压阀结构Fig.2 Structure diagram of pressure control valve

解决措施：检查并更换主膜片，固紧膜片时注意使膜片受力均匀，或者更换抗疲劳更优的膜片材料，延长膜片正常运行的寿命。

（2）樟木头站6103号监控调压阀在开度极小、下游介质压力降低至远低于设定值的情况下，仍不能开启（如图3所示），气流经过阀门产生尖锐刺耳的响声（噪声实测值达122.3 dB（A））。

图3 6103号监控阀Fig.3 No.6103 pressure control valve

故障原因分析：

①主膜片出现破损，主膜片左侧腔室内的下游出口压力和右侧腔室内的负载压力互相平衡，膜片两侧不能产生有效的压力差，致使调压功能大幅度减弱；

②指挥器膜片或密封圈出现破损，内部发生串气现象，指挥调节功能散失。

解决措施：

①分别检查主膜片和指挥器膜片、密封圈，排查原因后更换相应损坏的零件；

②在监控调压阀出口设置消噪声装置。

（3）求雨岭站6103号监控阀响应缓慢，关阀时间长（实测≥6 min）。

故障原因分析：

①阀门长期处于工作状态，即膜片处于拉伸状态，造成主膜片老化；

②指挥器膜片或上下两腔室间密封圈老化；

③在长期调压过程中，主阀关闭弹簧频繁动作而发生疲劳变形，回弹性变弱，阀门关闭迟缓。由此造成在较高的设定压力下（5.50 MPa），阀门开度大，由于阀门关闭迟缓，在阀门未关闭之前，下游压力已快速升至接近上游压力，而在较低的设定压力下（3.61 MPa），阀门开度也小，下游压力上升速率相对缓慢（关闭压力等级超标）。

解决措施：

①检查并更换主膜片，固紧膜片时注意使膜片受力均匀，或者更换抗疲劳更优的膜片材料，延长膜片正常运行的寿命；

②检查并更换指挥器膜片或上下两腔室间密封圈；

③检查并更换主阀关闭弹簧，或者更换抗疲劳更优的弹簧材料。

（4）求雨岭站6103号监控阀关阀后下游压力持续上升。

故障原因分析：

①阀芯或阀座粘附有杂质，造成阀门未能关严；

②阀芯与阀座密封面长期受介质冲刷，密封性能下降；

③由于下游用户的生产需求，阀门设定压力长期处于4.0 MPa以下，膜片老化及弹簧的疲劳变形造成阀门在较高的设定压力下，出口压力响应慢、低于设定值（稳压精度超标）。

解决措施：

①检查阀座和阀芯上是否有异物并清除；

②检查阀芯和阀座密封面是否已被介质冲刷，对损伤处进行修复，必要时更换新部件；

③检查并更换主膜片，固紧膜片时注意使膜片受力均匀，或者更换抗疲劳更优的膜片材料，延长膜片正常运行的寿命；

④检查并更换主阀关闭弹簧，或者更换抗疲劳更优的弹簧材料。

（5）求雨岭站6203号阀位指示环到一定开度（约30%）有卡阻，不能达到全开状态。

故障原因分析：

①主膜片轻微破损；

②主膜片固定边口轻微脱落，脱落程度不大，虽不影响调压阀的正常使用，但影响阀芯总长的活动行程，使阀门不能达到全开状态；

③阀芯或阀座上粘附有异物，阀芯运动产生卡阻。

本研究在基本假设的基础上，从农民工返乡创业的“生存性创业质量”和“成长性创业质量”两个维度提出两个分假设，即H1和H2。

解决措施：

①检查主膜片破损程度，必要时更换主膜片；

②检查并重新固定主膜片，固紧膜片时注意使膜片受力均匀；

③检查阀座和阀芯上是否有异物并清除。

（6）求雨岭站6303号监控调压阀出口压力低于设定值且不能关阀（现场测试时，站控室显示100%开度到47%开度，经历了9min），现场阀位指示塑料管丢失（如图4所示），无现场阀门指示。

图4 6303号监控阀Fig.4 No.6303 pressure control valve

故障原因分析：

②阀芯或阀座粘附有异物，使得阀芯运动产生卡阻，阀门不能达到全关状态；

③主阀关闭弹簧发生塑性变形，失去弹性，造成阀门不能关闭。

解决措施：

①检查并更换阀位指示器，或者设计带卡扣固定的指示器，防止再次丢失；

②检查阀座和阀芯上是否有异物、关闭弹簧是否卡阻或者失去弹性，清除异物；

③调整关闭弹簧，必要时更换关闭弹簧，或者更换强度更高的弹簧材料，防止弹簧发生塑性变形。

3 结论

（1）国产化监控调压阀在稳压精度及关闭压力等级等关键性能上与国外知名品牌的产品水平差距不大，国内外阀门实测稳压精度差值在1.2%以内，关闭压力等级差值在1.1%以内。

（2）国产和国外监控调压阀发生故障的概率相对调压装置中的安全切断阀和工作调压阀故障率都要高，主要是因为监控调压阀在调压过程中反复动作而处于动态平衡，不仅使阀芯、阀座产生磨损，而且膜片和主阀关闭弹簧也会产生疲劳。

（3）指挥器膜片和主阀膜片损坏是造成监控调压阀频繁失效的原因，对膜片研发升级的同时，急需根据阀门实际运行数据（如：稳定运行时间、压力波动范围、阀门动作频率、零件失效数量统计、单个零件失效时间和失效模式等）建立橡胶膜片、关闭弹簧、气动活塞、活塞密封环等易损件的可靠度计算模型，进而对其使用寿命进行预测，提出预见性维护方案，给出最优更换时间间隔，降低费用成本。