馮裕祥 吳超 汪偉為

國家管網(wǎng)集團西氣東輸合肥輸氣分公司

摘要：分輸調壓橇是天然氣分輸站重要的生產(chǎn)設備，直接關(guān)系著(zhù)輸氣任務(wù)的完成。調壓橇的監控調壓閥是一種氣動(dòng)薄膜調壓閥，其橡膠膜片突然疲勞失效，會(huì )導致輸氣中斷。分析調壓橇疲勞失效過(guò)程，從設計、運維、應急等角度，積極采取有效應對策略能顯著(zhù)減輕對生產(chǎn)造成的負面影響，夯實(shí)安全生產(chǎn)基礎，提高輸氣保障能力。

關(guān)鍵詞：監控調壓閥；動(dòng)態(tài)平衡；疲勞失效；應對策略

分輸調壓橇是天然氣分輸站的關(guān)鍵設備之一，一旦疲勞失效，會(huì )導致輸氣生產(chǎn)中斷，影響范圍廣，處理難度大。本文從介紹分輸調壓橇的結構組成與工作原理入手；分析總結了調壓橇疲勞失效的影響因素和形成過(guò)程；并針對分析得出的結論，提出了具有可操作性的應對策略。

1  分輸調壓橇工作原理

分輸調壓橇主要由安全切斷閥、監控調壓閥、工作調節閥組成。工作調節閥根據下游壓力變化，實(shí)時(shí)調節閥門(mén)開(kāi)度，穩定下游壓力。當工作調節閥效應滯后時(shí)，調壓橇監控閥就自動(dòng)調節閥門(mén)開(kāi)度，進(jìn)而控制流通氣量，以實(shí)現輔助調節效果。當下游壓力繼續升高到預定值時(shí)，安全切斷閥自動(dòng)關(guān)斷，以確保下游安全。這三個(gè)閥門(mén)既相互獨立，又相互影響，相輔相成。

2  監控調壓閥工作原理

監控調壓閥主要由指揮器與主閥兩個(gè)部分組成。

指揮器分為負載級與控制級。負載級為控制級提供穩定的工作壓力環(huán)境�？刂萍壷苯涌刂七M(jìn)入主閥膜腔氣量。指揮器本質(zhì)上是一個(gè)負反饋調節，當下游壓力增大時(shí)，控制級雙膜結構上腔的壓力增大，膜片向下移動(dòng)，使噴嘴的開(kāi)度減小，同時(shí)增大了負載級上腔的壓力，負載級噴嘴的開(kāi)度也減小，指揮器流入監控閥主閥下膜腔的氣體減少，壓力降低。反之，則指揮器流入監控閥主閥下游膜腔的氣體增加，壓力升高。

監控閥主閥主要有閥體、套筒、閥芯、橡膠膜片、關(guān)閉彈簧等構成。皮膜將閥腔分割為上、下游兩個(gè)膜腔。上膜腔內彈簧與下游反饋過(guò)來(lái)的氣體共同在皮膜上產(chǎn)生關(guān)閉力P1，由指揮器控制流入下膜腔中的氣體在皮膜上產(chǎn)生開(kāi)啟力P2。

當調壓橇膜腔壓力平衡時(shí)，即P1=P2，調壓橇處在一個(gè)平衡穩態(tài)，閥位開(kāi)度保持不變。當下游氣體壓力升高時(shí)，指揮器進(jìn)入下膜腔中的氣量減少，作用在膜片上的壓力P2降低，同時(shí)上膜腔接受的反饋壓力增大，使得P1>P2，閥門(mén)套筒向下游移動(dòng)，開(kāi)度減小，流過(guò)的氣量減少，下游壓力逐步降低以達到新的平衡，反之亦然。

監控調壓閥就是通過(guò)調節閥門(mén)套筒和閥芯之間的間隙，進(jìn)而調節其流通氣量，控制下游壓力，在“平衡—不平衡—再平衡”動(dòng)態(tài)調節中，監控閥完成輔助穩壓功能。監控調壓閥閥位每次從一個(gè)平衡態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡態(tài)，通常不是一次調整到位，而是以新的平衡位置為目標，多次往復震蕩漸進(jìn)的結果，在逼近目標過(guò)程中震蕩的幅度逐漸減小，最終穩定在一個(gè)新的平衡位置，其本質(zhì)是個(gè)類(lèi)似PID調節的機械式穩態(tài)調節過(guò)程。

3  調壓橇疲勞失效形成過(guò)程

調壓橇最典型故障就是監控調壓閥橡膠膜片疲勞失效，導致輸氣中斷。下面簡(jiǎn)要分析橡膠膜片疲勞失效的發(fā)生過(guò)程。

3.1  調壓橇橡膠膜片基本情況

（1）主要材質(zhì)。為丁腈橡膠或氯丁橡膠 。

（2）結構特點(diǎn)。① 環(huán)型波紋化結構 ，提高閥芯伸縮空間；② 兩面橡膠中夾尼龍布，提高膜片強度。

（3）主要作用。 壓差放大，增加有效接觸面積，提高閥芯對微小壓差的感知靈敏度。          

（4）膜片壽命的影響因素。①厚度與硬度因素：一般厚度越大，硬度越大，剛度越大，抗壓能力越強，抗疲勞能力越弱；②結構因素：波紋膜片波紋越陡峭，閥體邊緣銳變越明顯，應力越集中，越易疲勞；③溫度因素：溫度過(guò)低，橡膠易硬化脆化；溫度過(guò)高，橡膠易疲勞老化，膜片最佳工作溫度15℃～35 ℃；④安裝因素：如安裝時(shí)螺栓緊固力矩、閥芯與閥體同軸度偏差等安裝精度的控制等 。

3.2  調壓橇疲勞失效過(guò)程探析

以失效率較高的DN150  GASCAT調壓橇主閥膜片為例，探究疲勞失效的發(fā)生過(guò)程，揭示膜片疲勞失效形成機理。

（1）分輸流量與下游壓力的周期性波動(dòng)。分輸站日常輸氣生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)調壓橇的瞬時(shí)流量以及調壓橇的下游壓力始終在一個(gè)范圍內波動(dòng)，并呈現周期性特征。尤其是在每日計量交接前后，即執行啟停輸轉換的過(guò)程中，壓力波動(dòng)幅度最為明顯，正常輸氣生產(chǎn)過(guò)程中，下游壓力不可避免的波動(dòng)，迫使調壓橇不斷地動(dòng)作，來(lái)實(shí)現穩定下游壓力的效果。

（2）調壓橇工作閥反應遲鈍與監控閥反應靈敏。正常狀態(tài)下，監控調壓閥處于全開(kāi)或全閉狀態(tài)，下游壓力主要由工作調節閥通過(guò)PID來(lái)控制。但工作調節閥因其結構及PID控制方式特點(diǎn)，在實(shí)際運行中，其調節作用往往存在著(zhù)效應遲緩現象。當下游壓力發(fā)生波動(dòng)，即使工作調節閥開(kāi)始動(dòng)作，也不能立即起到明顯的穩壓效果。

監控調壓閥是純機械式反饋調節，主閥結構具有對微小壓差放大的作用，因而其對下游壓力的微小波動(dòng)感知靈敏。如果監控調壓閥與工作調節閥之間的壓力級差設定偏小，當下游壓力時(shí)波動(dòng)時(shí)，工作調節閥的穩壓效果還沒(méi)體現出來(lái)，監控調壓閥往往就被迫投入輔助穩壓工作，閥位開(kāi)始動(dòng)態(tài)調節。

（3）調壓橇監控閥調節過(guò)程中的往復震蕩。監控調壓閥閥門(mén)開(kāi)度的調節過(guò)程，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的穩態(tài)調節過(guò)程。從一個(gè)閥位變換到另一個(gè)閥位，不是一次性調整到位，而是以新的平衡位置為漸進(jìn)線(xiàn)，閥門(mén)套筒來(lái)回往復震蕩的結果，只不過(guò)在高頻的震蕩中，震蕩幅度逐漸變小，最終穩定在新的平衡位置附近，達到新的平衡，如圖 1所示。

圖 1 監控閥閥位開(kāi)度的震蕩調節示意圖

（4）調壓撬監控閥頻繁動(dòng)作造成膜片疲勞損傷。監控調壓閥在頻繁的調節過(guò)程中，橡膠膜片容易受到拉伸，產(chǎn)生疲勞應力，并且監控調壓閥閥門(mén)套筒較重、關(guān)閉彈簧較粗，開(kāi)閥阻尼較大。閥芯在開(kāi)啟時(shí)容易出現卡滯，此時(shí)膜片受到較大壓差，進(jìn)一步加劇了膜片的疲勞損傷。

4  調壓橇失效問(wèn)題的應對策略

4.1  提高運行精細化管理

（1）維持24小時(shí)連續分輸，避免頻繁啟停輸、開(kāi)關(guān)閥。

（2）積極與用戶(hù)溝通，爭取用戶(hù)平穩用氣。                                          

4.2  科學(xué)合理使用調壓橇

（1）提高監控閥與工作閥的設定壓力級差（0.3 MPa～0.4 MPa）。

（2）用氣低谷時(shí)，適當下調工作調壓閥出口壓力設定。

（3）均衡使用主備路，定期切換主備路，讓兩路均衡經(jīng)歷冬季與夏季分輸，不宜過(guò)于偏重其中一路。

4.3  定期更換調壓橇橡膠膜片

（1）更換周期過(guò)短，過(guò)度維護，造成人力、物力浪費；更換周期過(guò)長(cháng)，膜片突然失效，分輸中斷，負面影響較大。

（2）綜合現場(chǎng)使用工況及失效數據統計分析結果、結合美國DIA波紋膜片系列理論、國家標準GB/T 20739―2006等因素，合理確定各品牌調壓橇橡膠膜片更換周期。GASCAT監控閥主膜片建議更換周期為3～5年，RMG、TARTARINI監控閥主膜為6～7年。

4.4  調壓橇失效的應急措施

對于用氣要求嚴苛的用戶(hù)，當調壓撬失效且未能及時(shí)獲得備件時(shí)，為保障供氣，可采取臨時(shí)拆除監控閥閥芯的應急措施來(lái)臨時(shí)恢復供氣，待膜片備件到貨后再予以更換。

4.5  實(shí)施適應性改造

對于頻繁失效的調壓撬，可履行設計變更程序后，將監控調壓閥改造更換為安全切斷閥，設置兩級切斷壓力，實(shí)現“雙切斷”，來(lái)實(shí)現安全平穩供氣。

4.6  優(yōu)化工藝設計

在未來(lái)擴建項目中，建議不再采用調壓橇而是采用直輸方式為用戶(hù)供氣，徹底消除調壓橇失效風(fēng)險。當不得不采用調壓橇時(shí)，應選用FO（失效開(kāi)）型監控閥的調壓橇，從本質(zhì)上減小調壓橇失效給輸氣生產(chǎn)帶來(lái)的影響。

作者簡(jiǎn)介：馮裕祥 ，1988年生，工程師，畢業(yè)于西安交通大學(xué)，主要從事設備管理工作。聯(lián)系方式：15155194750 ，646587528@qq.com。