天然氣油氣分離器液位調(diào)節(jié)閥失效的根源及解決方案

1、天然氣油氣分離器液位調(diào)節(jié)閥失效的根源及解決方案 在天然氣采集裝置中，油氣分離器液位調(diào)節(jié)閥普遍存在調(diào)節(jié)精度差，使用壽命短，有些場合甚至不超過三個月。由于地質(zhì)不同，天然氣組分比較復(fù)雜，大多含輕烴、凝析油、氣田水和顆粒雜質(zhì)，有些還高含硫或氯等酸性介質(zhì)。部分氣井天然氣壓力高，使得閥前后壓降較大，很容易產(chǎn)生氣蝕、閃蒸及JT效應(yīng)；介質(zhì)水及JT效應(yīng)會產(chǎn)生細微冰晶，加上硬質(zhì)顆粒，還由于天然氣本身的特性極易發(fā)生閃蒸，流速會急劇加大，多重因素的疊加，閥內(nèi)件很快被沖蝕；介質(zhì)含硫化氫會導(dǎo)致SSC應(yīng)力腐蝕開裂，氯離子容易發(fā)生晶間腐蝕和點蝕。 上述除了高溫，幾乎包括所有嚴(yán)酷工況，如果處理不當(dāng)，閥門在很短時間內(nèi)失效。而看似

2、錯綜復(fù)雜的各種破壞因素，歸納起來罪魁禍?zhǔn)琢魉佟?1、氣蝕和閃蒸的產(chǎn)生 很多時候氣蝕和閃蒸是孿生兄弟。根據(jù)伯努利原理，當(dāng)流體流過閥門時，流速增加，壓力下降。最高流速和最低壓力發(fā)生在收縮斷面。如圖1所示。 圖1 收縮斷面壓力分布圖 當(dāng)液體加速通過收縮斷面，壓力下降到低于液體飽和蒸汽壓，會導(dǎo)致流體中產(chǎn)生氣泡，這就是氣蝕的第一階段。當(dāng)流體流過收縮斷面后，隨著過流面積增加，流速下降，壓力上升，當(dāng)壓力恢復(fù)到高于飽和蒸氣壓，造成氣泡爆炸，氣泡破裂時產(chǎn)生的壓力高達100000磅/英寸2(6897bar)。爆炸能量會將金屬表面撕成細小金屬碎片。從液體氣體液體的過程往往發(fā)生在閥芯和閥座局部范圍內(nèi)并在微秒內(nèi)開展。破

3、壞初期表面像噴砂，后期嚴(yán)重時像煤渣表面，閥門完全失效。在本案中，這一現(xiàn)象常常發(fā)生在分離器氣田水調(diào)節(jié)閥。另外，當(dāng)表面的增量受到?jīng)_擊時，由于吸收了能量，局部溫度升高，足以使得在流體和材料表面之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成薄膜，薄膜破裂，隨之暴露出新的表面，加速酸性介質(zhì)對閥門內(nèi)件的腐蝕。氣蝕最引人注目的影響也許是材料受到氣蝕損壞。在劇烈的氣蝕情況下，非常硬的控制閥零部件在幾個小時里就被損壞。 如果下游的壓力正好相當(dāng)于或者小于流體飽和蒸汽壓，體積急劇增加，流速持續(xù)增長，結(jié)果將產(chǎn)生閃蒸而不是氣蝕。往往由于流速極快，閃蒸破壞類似切割表面。就閃蒸而言，氣體積遠遠大于液體體積，以致于使硬質(zhì)顆粒趨向于到達與氣體一樣高的

4、速度。這些高速硬質(zhì)顆粒沖擊表面，使閥門內(nèi)件節(jié)流面很快沖蝕，短時間影響調(diào)節(jié)特性，真空技術(shù)網(wǎng)(http:/)認(rèn)為嚴(yán)重時完全失效。在本案中，這一現(xiàn)象常常發(fā)生在分離器凝析油調(diào)節(jié)閥。 2、JT效應(yīng)的產(chǎn)生 當(dāng)入口壓力為，流過這些閥芯的流體固有的低壓和高速，使得介質(zhì)可能發(fā)生膨脹，壓力變?yōu)?。到達該點時，流速到達峰值，急劇膨脹，疊加天然氣特性，產(chǎn)生JT效應(yīng)，溫度急劇下降，天然氣的濕氣含量凝結(jié)的小水滴，甚至?xí)伤衔?冰晶)，以最大速度流動，會迅速沖蝕閥芯并損壞閥體。如圖2所示。 圖2 JT效應(yīng)產(chǎn)生機理圖 3、解決方案 下面例舉一個二年多前技改項目案例。 1)閥門使用地點：*塔里木油田天然氣技改項目。 2)閥門

5、用途：油氣分離器液位調(diào)節(jié)閥。 3)現(xiàn)場工況：介質(zhì)：天然氣，含氣田水、凝析油，且屬高含硫氣田，硫化氫含量見下表。 介質(zhì)溫度：-2030；閥前壓力：8MPa；閥后：0.25MPa；流量：1500Nm3/h；安全位：關(guān)位。 工藝管徑：65mm。 4、氣田規(guī)劃方案硫化氫含量統(tǒng)計表 *塔里木作業(yè)區(qū)天然氣技改項目中，由于壓差達8MPa，對閥芯及閥座沖刷嚴(yán)重，運行過程中出現(xiàn)泄漏量大、運行過程不穩(wěn)定，噪聲及振動嚴(yán)重等現(xiàn)象。由于介質(zhì)存在固體狀顆粒等雜質(zhì)，閥門容易卡死，另外天然氣介質(zhì)屬高含硫氣田，H2S含量高達607000mg/m3，因此對閥門材質(zhì)還需有抗硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂及裂紋的要求。 對于這種工況，以往使用的

6、一般的單座閥或籠式閥，幾周內(nèi)就會發(fā)生泄漏、密封面損傷等問題，3個月就要開展閥內(nèi)件的更換及維護。如圖3所示。 圖3 原裝置閥門使用狀況 通過仔細分析該調(diào)節(jié)閥的技術(shù)參數(shù)，并與設(shè)計院和現(xiàn)場工程人員的多次溝通，對該項目工況作如下分析： 首先介質(zhì)為天然氣，含硫量很高，因此材質(zhì)必須是耐腐蝕，抗硫化氫，備選材質(zhì)有：抗硫型碳鋼、CF8不銹鋼和CF8M不銹鋼。由于該天然氣組分中還含有少量的CO2氣體和水蒸氣，綜合考慮以上條件，確定選用CF8M材料。由于壓力是CL900級，因此最終選用316(鍛鋼)閥體，這樣就從根本上消除了閥體因鑄造可能產(chǎn)生的縮孔或裂紋等不安全因素。 由于地質(zhì)構(gòu)造或天然氣來源不同，調(diào)節(jié)閥在某些調(diào)

7、節(jié)工況下，會產(chǎn)生JT效應(yīng)，而造成的介質(zhì)的溫度波動很大。因此采用窮盡的法則，即要到達在極端溫度下控制閥仍能夠正常運行，所以選用低溫延伸型閥蓋，這樣能夠防止因結(jié)冰而導(dǎo)致閥門填料卡澀或致使定位器凍結(jié)的可能。 閥門的選型。此調(diào)節(jié)閥的工況屬于大壓差，壓差達7.75MPa，如何選擇閥的類型是解決問題的關(guān)鍵。對此工況，可供選擇的常規(guī)閥門是高壓單座調(diào)節(jié)閥、高壓籠式雙座閥、高壓多級孔板降壓系列等。若采用高壓單座調(diào)節(jié)閥，在降噪方面和降流速方面無法取得理想效果，此類型閥在該工況下會產(chǎn)生噪音和閥門的振動，另外閥內(nèi)件會被很快沖蝕掉。如果采用高壓籠式雙座調(diào)節(jié)閥，在閥的振動方面和耐壓差方面有些改善，但噪音和沖蝕方面仍沒有改

8、善。采用高壓多級孔板降壓閥，雖然在綜合因素有所改善，因為此閥選用DN25的，閥內(nèi)腔空間小，用孔板受空間限制，最多能做到23級降壓，仍達不到理想效果。總結(jié)上面各種閥門的優(yōu)缺點，最終確定選用maze300多級串式調(diào)節(jié)閥。 5、特殊閥芯構(gòu)造的設(shè)計 1)90度轉(zhuǎn)角、多級降壓 閥籠及閥芯采用特殊工藝加工而成，閥籠上每個臺階及閥芯上的每級缺口尺寸、位置都經(jīng)過準(zhǔn)確計算，結(jié)合CFD流場分析，根據(jù)實際工況設(shè)計。如圖4所示。 圖4 多級降壓閥芯CFD流場分析圖 根據(jù)用戶系統(tǒng)的壓差、流量等特殊工況需求，可選擇不同的降壓級數(shù)來實現(xiàn)逐級降壓效果。閥芯為90度轉(zhuǎn)角設(shè)計，在有限的閥桿長度上，延長了流道的長度，從而提高了節(jié)流

9、效果。如圖5所示。 圖5 多級降壓壓力分布圖 2)全程導(dǎo)向 閥芯為全導(dǎo)向構(gòu)造，在旋轉(zhuǎn)的全過程中，閥籠都可以為閥芯提供支撐導(dǎo)向，從而保證運動過程中的相對穩(wěn)定，閥桿不彎曲，有效降低了噪聲和振動。正是這種全程導(dǎo)向的獨特設(shè)計，使得maze300控制閥在同類產(chǎn)品中具有突出的優(yōu)勢。maze300控制閥經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用，顯著提高控制閥壽命。 3)N個犧牲閥+1個切斷閥解決氣蝕方案 相當(dāng)于采用了N個犧牲閥加一個調(diào)節(jié)閥的構(gòu)造，針對密封面有很好的保護功能，特殊構(gòu)造的閥芯籠剪切機構(gòu)設(shè)計，針對結(jié)晶、雜質(zhì)等問題有很好的自清洗功能，運用CFD流體分析軟件開展模擬，多級降壓構(gòu)造及閥芯全導(dǎo)向構(gòu)造的設(shè)計，有效控制介質(zhì)流速，并解決了

10、介質(zhì)對閥芯沖刷造成的震動及噪音等問題，閥門正常工作在大壓差時，介質(zhì)在閥體內(nèi)腔的速度矢量分布圖。(計算閥前壓力：12MPa，閥后壓力：1MPa，介質(zhì)最大速度為m/s)。 從氣蝕形成的機理考慮，僅靠提高材料的抗氣蝕性能是無法將氣蝕問題從根本上解決的。因為發(fā)生氣蝕時氣泡破裂的壓力最高能到達100000磅/英寸2(6897bar)以上，且能量非常大，所以無論材質(zhì)多么牢固，都能把所金屬材料或多或少的局部撕裂，因此只有從構(gòu)造上設(shè)法解決氣蝕方案。 形成氣蝕的關(guān)鍵在于持續(xù)壓差與節(jié)流裝置的共存。為此對于控制閥的設(shè)計必須解決一個問題就是持續(xù)的壓差現(xiàn)象，在閥門啟閉過程中的氣蝕問題也順理成章得到了解決。 當(dāng)閥門關(guān)閉的

11、同時第一、二級及閥口也處于關(guān)閉狀態(tài)，閥口的嚴(yán)密性能要比第一、二級好得多，因為第一、二級屬于動配合，存在間隙，這時液體幾乎不傳遞任何的壓力。閥門開啟時，閥口的高壓瞬時得到了化解，閥口就沒有收到持續(xù)的壓差作用了，同樣各節(jié)流級也發(fā)揮了正常的作用。這樣一來，氣蝕在閥口處產(chǎn)生的可能性就沒有了。在閥門關(guān)閉的過程中，各級的節(jié)流降壓性能沒有受到任何影響，直到閥門關(guān)閉。如下圖表達了該構(gòu)造的巧妙之處就是閥口不參與節(jié)流，其開度也始終大于節(jié)流級，并且閥門在開啟時一直都超前于節(jié)流級的開啟，關(guān)閉時就滯后于節(jié)流級的“關(guān)閉”，綜上可知，防止氣蝕的發(fā)生就是在啟閉的全過程中閥口沒有受到持續(xù)的壓差作用。如圖6所示。 圖6 節(jié)流面和

12、切斷面分析圖 (4)顆粒容差設(shè)計 閥芯與閥籠之間對流體中的顆粒、粉塵、結(jié)晶等雜質(zhì)具有剪切作用，因此在運動過程中具有顯著的自清潔功能。同時閥芯和閥籠之間流道較大，能容納一定粒度的雜質(zhì)通過閥體具有顆粒容差設(shè)計。 現(xiàn)場使用maze300多級串式調(diào)節(jié)閥后，實踐證明閥門運轉(zhuǎn)良好，閥門仍處于正常工作狀態(tài)。 6、總結(jié) 經(jīng)過多年的潛心研究，maze系列控制閥從根本上解決并改善了嚴(yán)酷工況下對控制閥的嚴(yán)重損壞。一經(jīng)投入市場，起初用戶對本產(chǎn)品缺乏了解與信任，持懷疑態(tài)度，但通過對該產(chǎn)品的不斷了解，從抱著試試看的態(tài)度使用幾臺，到如今，maze系列控制閥已成為嚴(yán)酷工況下的首選解決方案。隨著市場份額的不斷擴大，市場占有率不斷攀升，對嚴(yán)酷工況下控制閥的解決方案已具備了一定的經(jīng)驗。實際上，每種應(yīng)用看似相似，實則不同，每個工況都需仔細分析以保證控