馮裕祥 吳超 汪偉為

國家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸合肥輸氣分公司

摘要：分輸調(diào)壓橇是天然氣分輸站重要的生產(chǎn)設(shè)備，直接關(guān)系著輸氣任務(wù)的完成。調(diào)壓橇的監(jiān)控調(diào)壓閥是一種氣動薄膜調(diào)壓閥，其橡膠膜片突然疲勞失效，會導(dǎo)致輸氣中斷。分析調(diào)壓橇疲勞失效過程，從設(shè)計、運維、應(yīng)急等角度，積極采取有效應(yīng)對策略能顯著減輕對生產(chǎn)造成的負(fù)面影響，夯實安全生產(chǎn)基礎(chǔ)，提高輸氣保障能力。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控調(diào)壓閥；動態(tài)平衡；疲勞失效；應(yīng)對策略

分輸調(diào)壓橇是天然氣分輸站的關(guān)鍵設(shè)備之一，一旦疲勞失效，會導(dǎo)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(diào)壓橇的結(jié)構(gòu)組成與工作原理入手；分析總結(jié)了調(diào)壓橇疲勞失效的影響因素和形成過程；并針對分析得出的結(jié)論，提出了具有可操作性的應(yīng)對策略。

1  分輸調(diào)壓橇工作原理

分輸調(diào)壓橇主要由安全切斷閥、監(jiān)控調(diào)壓閥、工作調(diào)節(jié)閥組成。工作調(diào)節(jié)閥根據(jù)下游壓力變化，實時調(diào)節(jié)閥門開度，穩(wěn)定下游壓力。當(dāng)工作調(diào)節(jié)閥效應(yīng)滯后時，調(diào)壓橇監(jiān)控閥就自動調(diào)節(jié)閥門開度，進(jìn)而控制流通氣量，以實現(xiàn)輔助調(diào)節(jié)效果。當(dāng)下游壓力繼續(xù)升高到預(yù)定值時，安全切斷閥自動關(guān)斷，以確保下游安全。這三個閥門既相互獨立，又相互影響，相輔相成。

2  監(jiān)控調(diào)壓閥工作原理

監(jiān)控調(diào)壓閥主要由指揮器與主閥兩個部分組成。

指揮器分為負(fù)載級與控制級。負(fù)載級為控制級提供穩(wěn)定的工作壓力環(huán)境。控制級直接控制進(jìn)入主閥膜腔氣量。指揮器本質(zhì)上是一個負(fù)反饋調(diào)節(jié)，當(dāng)下游壓力增大時，控制級雙膜結(jié)構(gòu)上腔的壓力增大，膜片向下移動，使噴嘴的開度減小，同時增大了負(fù)載級上腔的壓力，負(fù)載級噴嘴的開度也減小，指揮器流入監(jiān)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(jiān)控閥主閥下游膜腔的氣體增加，壓力升高。

監(jiān)控閥主閥主要有閥體、套筒、閥芯、橡膠膜片、關(guān)閉彈簧等構(gòu)成。皮膜將閥腔分割為上、下游兩個膜腔。上膜腔內(nèi)彈簧與下游反饋過來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)生開啟力P2。

當(dāng)調(diào)壓橇膜腔壓力平衡時，即P1=P2，調(diào)壓橇處在一個平衡穩(wěn)態(tài)，閥位開度保持不變。當(dāng)下游氣體壓力升高時，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，同時上膜腔接受的反饋壓力增大，使得P1>P2，閥門套筒向下游移動，開度減小，流過的氣量減少，下游壓力逐步降低以達(dá)到新的平衡，反之亦然。

監(jiān)控調(diào)壓閥就是通過調(diào)節(jié)閥門套筒和閥芯之間的間隙，進(jìn)而調(diào)節(jié)其流通氣量，控制下游壓力，在“平衡—不平衡—再平衡”動態(tài)調(diào)節(jié)中，監(jiān)控閥完成輔助穩(wěn)壓功能。監(jiān)控調(diào)壓閥閥位每次從一個平衡態(tài)過渡到另一個平衡態(tài)，通常不是一次調(diào)整到位，而是以新的平衡位置為目標(biāo)，多次往復(fù)震蕩漸進(jìn)的結(jié)果，在逼近目標(biāo)過程中震蕩的幅度逐漸減小，最終穩(wěn)定在一個新的平衡位置，其本質(zhì)是個類似PID調(diào)節(jié)的機械式穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過程。

3  調(diào)壓橇疲勞失效形成過程

調(diào)壓橇最典型故障就是監(jiān)控調(diào)壓閥橡膠膜片疲勞失效，導(dǎo)致輸氣中斷。下面簡要分析橡膠膜片疲勞失效的發(fā)生過程。

3.1  調(diào)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(jié)構(gòu)特點。① 環(huán)型波紋化結(jié)構(gòu) ，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(jié)構(gòu)因素：波紋膜片波紋越陡峭，閥體邊緣銳變越明顯，應(yīng)力越集中，越易疲勞；③溫度因素：溫度過低，橡膠易硬化脆化；溫度過高，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(diào)壓橇疲勞失效過程探析

以失效率較高的DN150  GASCAT調(diào)壓橇主閥膜片為例，探究疲勞失效的發(fā)生過程，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。分輸站日常輸氣生產(chǎn)過程中，經(jīng)過調(diào)壓橇的瞬時流量以及調(diào)壓橇的下游壓力始終在一個范圍內(nèi)波動，并呈現(xiàn)周期性特征。尤其是在每日計量交接前后，即執(zhí)行啟停輸轉(zhuǎn)換的過程中，壓力波動幅度最為明顯，正常輸氣生產(chǎn)過程中，下游壓力不可避免的波動，迫使調(diào)壓橇不斷地動作，來實現(xiàn)穩(wěn)定下游壓力的效果。

（2）調(diào)壓橇工作閥反應(yīng)遲鈍與監(jiān)控閥反應(yīng)靈敏。正常狀態(tài)下，監(jiān)控調(diào)壓閥處于全開或全閉狀態(tài)，下游壓力主要由工作調(diào)節(jié)閥通過PID來控制。但工作調(diào)節(jié)閥因其結(jié)構(gòu)及PID控制方式特點，在實際運行中，其調(diào)節(jié)作用往往存在著效應(yīng)遲緩現(xiàn)象。當(dāng)下游壓力發(fā)生波動，即使工作調(diào)節(jié)閥開始動作，也不能立即起到明顯的穩(wěn)壓效果。

監(jiān)控調(diào)壓閥是純機械式反饋調(diào)節(jié)，主閥結(jié)構(gòu)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感知靈敏。如果監(jiān)控調(diào)壓閥與工作調(diào)節(jié)閥之間的壓力級差設(shè)定偏小，當(dāng)下游壓力時波動時，工作調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)壓效果還沒體現(xiàn)出來，監(jiān)控調(diào)壓閥往往就被迫投入輔助穩(wěn)壓工作，閥位開始動態(tài)調(diào)節(jié)。

（3）調(diào)壓橇監(jiān)控閥調(diào)節(jié)過程中的往復(fù)震蕩。監(jiān)控調(diào)壓閥閥門開度的調(diào)節(jié)過程，是一個動態(tài)的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過程。從一個閥位變換到另一個閥位，不是一次性調(diào)整到位，而是以新的平衡位置為漸進(jìn)線，閥門套筒來回往復(fù)震蕩的結(jié)果，只不過在高頻的震蕩中，震蕩幅度逐漸變小，最終穩(wěn)定在新的平衡位置附近，達(dá)到新的平衡，如圖 1所示。

圖 1 監(jiān)控閥閥位開度的震蕩調(diào)節(jié)示意圖

（4）調(diào)壓撬監(jiān)控閥頻繁動作造成膜片疲勞損傷。監(jiān)控調(diào)壓閥在頻繁的調(diào)節(jié)過程中，橡膠膜片容易受到拉伸，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，并且監(jiān)控調(diào)壓閥閥門套筒較重、關(guān)閉彈簧較粗，開閥阻尼較大。閥芯在開啟時容易出現(xiàn)卡滯，此時膜片受到較大壓差，進(jìn)一步加劇了膜片的疲勞損傷。

4  調(diào)壓橇失效問題的應(yīng)對策略

4.1  提高運行精細(xì)化管理

（1）維持24小時連續(xù)分輸，避免頻繁啟停輸、開關(guān)閥。

（2）積極與用戶溝通，爭取用戶平穩(wěn)用氣。                                          

4.2  科學(xué)合理使用調(diào)壓橇

（1）提高監(jiān)控閥與工作閥的設(shè)定壓力級差（0.3 MPa～0.4 MPa）。

（2）用氣低谷時，適當(dāng)下調(diào)工作調(diào)壓閥出口壓力設(shè)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，不宜過于偏重其中一路。

4.3  定期更換調(diào)壓橇橡膠膜片

（1）更換周期過短，過度維護(hù)，造成人力、物力浪費；更換周期過長，膜片突然失效，分輸中斷，負(fù)面影響較大。

（2）綜合現(xiàn)場使用工況及失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果、結(jié)合美國DIA波紋膜片系列理論、國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20739―2006等因素，合理確定各品牌調(diào)壓橇橡膠膜片更換周期。GASCAT監(jiān)控閥主膜片建議更換周期為3～5年，RMG、TARTARINI監(jiān)控閥主膜為6～7年。

4.4  調(diào)壓橇失效的應(yīng)急措施

對于用氣要求嚴(yán)苛的用戶，當(dāng)調(diào)壓撬失效且未能及時獲得備件時，為保障供氣，可采取臨時拆除監(jiān)控閥閥芯的應(yīng)急措施來臨時恢復(fù)供氣，待膜片備件到貨后再予以更換。

4.5  實施適應(yīng)性改造

對于頻繁失效的調(diào)壓撬，可履行設(shè)計變更程序后，將監(jiān)控調(diào)壓閥改造更換為安全切斷閥，設(shè)置兩級切斷壓力，實現(xiàn)“雙切斷”，來實現(xiàn)安全平穩(wěn)供氣。

4.6  優(yōu)化工藝設(shè)計

在未來擴(kuò)建項目中，建議不再采用調(diào)壓橇而是采用直輸方式為用戶供氣，徹底消除調(diào)壓橇失效風(fēng)險。當(dāng)不得不采用調(diào)壓橇?xí)r，應(yīng)選用FO（失效開）型監(jiān)控閥的調(diào)壓橇，從本質(zhì)上減小調(diào)壓橇失效給輸氣生產(chǎn)帶來的影響。

作者簡介：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(shè)備管理工作。聯(lián)系方式：15155194750 ，646587528@qq.com。