馮裕祥 吳超 汪偉為

國家管網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設備，直接關系著輸氣任務的完成。調壓橇的監控調壓閥是一種氣動薄膜調壓閥，其橡膠膜片突然疲勞失效，會導致輸氣中斷。分析調壓橇疲勞失效過程，從設計、運維、應急等角度，積極采取有效應對策略能顯著減輕對生產造成的負面影響，夯實安全生產基礎，提高輸氣保障能力。

關鍵詞：監控調壓閥；動態平衡；疲勞失效；應對策略

 

分輸調壓橇是天然氣分輸站的關鍵設備之一，一旦疲勞失效，會導致輸氣生產中斷，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，實時調節閥門開度，穩定下游壓力。當工作調節閥效應滯后時，調壓橇監控閥就自動調節閥門開度，進而控制流通氣量，以實現輔助調節效果。當下游壓力繼續升高到預定值時，安全切斷閥自動關斷，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  監控調壓閥工作原理

監控調壓閥主要由指揮器與主閥兩個部分組成。

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境。控制級直接控制進入主閥膜腔氣量。指揮器本質上是一個負反饋調節，當下游壓力增大時，控制級雙膜結構上腔的壓力增大，膜片向下移動，使噴嘴的開度減小，同時增大了負載級上腔的壓力，負載級噴嘴的開度也減小，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、關閉彈簧等構成。皮膜將閥腔分割為上、下游兩個膜腔。上膜腔內彈簧與下游反饋過來的氣體共同在皮膜上產生關閉力P1，由指揮器控制流入下膜腔中的氣體在皮膜上產生開啟力P2。

當調壓橇膜腔壓力平衡時，即P1=P2，調壓橇處在一個平衡穩態，閥位開度保持不變。當下游氣體壓力升高時，指揮器進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到新的平衡，反之亦然。

監控調壓閥就是通過調節閥門套筒和閥芯之間的間隙，進而調節其流通氣量，控制下游壓力，在“平衡—不平衡—再平衡”動態調節中，監控閥完成輔助穩壓功能。監控調壓閥閥位每次從一個平衡態過渡到另一個平衡態，通常不是一次調整到位，而是以新的平衡位置為目標，多次往復震蕩漸進的結果，在逼近目標過程中震蕩的幅度逐漸減小，最終穩定在一個新的平衡位置，其本質是個類似PID調節的機械式穩態調節過程。

3  調壓橇疲勞失效形成過程

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。下面簡要分析橡膠膜片疲勞失效的發生過程。

3.1  調壓橇橡膠膜片基本情況

（1）主要材質。為丁腈橡膠或氯丁橡膠 。

（2）結構特點。① 環型波紋化結構 ，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  調壓橇疲勞失效過程探析

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過程中，經過調壓橇的瞬時流量以及調壓橇的下游壓力始終在一個范圍內波動，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程中，壓力波動幅度最為明顯，正常輸氣生產過程中，下游壓力不可避免的波動，迫使調壓橇不斷地動作，來實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。正常狀態下，監控調壓閥處于全開或全閉狀態，下游壓力主要由工作調節閥通過PID來控制。但工作調節閥因其結構及PID控制方式特點，在實際運行中，其調節作用往往存在著效應遲緩現象。當下游壓力發生波動，即使工作調節閥開始動作，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，當下游壓力時波動時，工作調節閥的穩壓效果還沒體現出來，監控調壓閥往往就被迫投入輔助穩壓工作，閥位開始動態調節。

（3）調壓橇監控閥調節過程中的往復震蕩。監控調壓閥閥門開度的調節過程，是一個動態的穩態調節過程。從一個閥位變換到另一個閥位，不是一次性調整到位，而是以新的平衡位置為漸進線，閥門套筒來回往復震蕩的結果，只不過在高頻的震蕩中，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 監控閥閥位開度的震蕩調節示意圖

（4）調壓撬監控閥頻繁動作造成膜片疲勞損傷。監控調壓閥在頻繁的調節過程中，橡膠膜片容易受到拉伸，產生疲勞應力，并且監控調壓閥閥門套筒較重、關閉彈簧較粗，開閥阻尼較大。閥芯在開啟時容易出現卡滯，此時膜片受到較大壓差，進一步加劇了膜片的疲勞損傷。

4  調壓橇失效問題的應對策略

4.1  提高運行精細化管理

（1）維持24小時連續分輸，避免頻繁啟停輸、開關閥。

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

4.2  科學合理使用調壓橇

（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，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  定期更換調壓橇橡膠膜片

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

（2）綜合現場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，當調壓撬失效且未能及時獲得備件時，為保障供氣，可采取臨時拆除監控閥閥芯的應急措施來臨時恢復供氣，待膜片備件到貨后再予以更換。

4.5  實施適應性改造

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，實現“雙切斷”，來實現安全平穩供氣。

4.6  優化工藝設計

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

 

作者簡介：馮裕祥 ，1988年生，工程師，畢業于西安交通大學，主要從事設備管理工作。聯系方式：15155194750 ，646587528@qq.com。