天然氣油氣分離器液位調節閥失效的根源及解決方案

　　在天然氣采集裝置中，油氣分離器液位調節閥普遍存在調節精度差，使用壽命短，有些場(chǎng)合甚至不超過(guò)三個(gè)月。由于地質(zhì)不同，天然氣組分比較復雜，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；介質(zhì)水及JT效應會(huì )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(huì )急劇加大，多重因素的疊加，閥內件很快被沖蝕；介質(zhì)含硫化氫會(huì )導致SSC應力腐蝕開(kāi)裂，氯離子容易發(fā)生晶間腐蝕和點(diǎn)蝕。

　　上述除了高溫，幾乎包括所有嚴酷工況，如果處理不當，閥門(mén)在很短時(shí)間內失效。而看似錯綜復雜的各種破壞因素，歸納起來(lái)罪魁禍首——流速。

1、氣蝕和閃蒸的產(chǎn)生

　　很多時(shí)候氣蝕和閃蒸是孿生兄弟。根據伯努利原理，當流體流過(guò)閥門(mén)時(shí)，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

　　當液體加速通過(guò)收縮斷面，壓力下降到低于液體飽和蒸汽壓，會(huì )導致流體中產(chǎn)生氣泡，這就是氣蝕的第一階段。當流體流過(guò)收縮斷面后，隨著(zhù)過(guò)流面積增加，流速下降，壓力回升，當壓力恢復到高于飽和蒸氣壓，造成氣泡爆炸，氣泡破裂時(shí)產(chǎn)生的壓力高達100000磅/英寸2(6897bar)。爆炸能量會(huì )將金屬表面撕成細小金屬碎片。從液體—氣體—液體的過(guò)程往往發(fā)生在閥芯和閥座局部范圍內并在微秒內進(jìn)行。破壞初期表面像噴砂，后期嚴重時(shí)像煤渣表面，閥門(mén)完全失效。在本案中，這一現象常常發(fā)生在分離器氣田水調節閥。另外，當表面的增量受到?jīng)_擊時(shí)，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，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(mén)內件的腐蝕。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(gè)小時(shí)里就被損壞。

　　如果下游的壓力正好相當于或者小于流體飽和蒸汽壓，體積急劇增加，流速持續增長(cháng)，結果將產(chǎn)生閃蒸而不是氣蝕。往往由于流速極快，閃蒸破壞類(lèi)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)顆粒趨向于達到與氣體一樣高的速度。這些高速硬質(zhì)顆粒沖擊表面，使閥門(mén)內件節流面很快沖蝕，短時(shí)間影響調節特性，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為嚴重時(shí)完全失效。在本案中，這一現象常常發(fā)生在分離器凝析油調節閥。

2、JT效應的產(chǎn)生

　　當入口壓力為，流過(guò)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(diǎn)時(shí)，流速達到峰值，急劇膨脹，疊加天然氣特性，產(chǎn)生JT效應，溫度急劇下降，天然氣的濕氣含量凝結的小水滴，甚至會(huì )生成水合物(冰晶)，以最大速度流動(dòng)，會(huì )迅速沖蝕閥芯并損壞閥體。如圖2所示。

圖2 JT效應產(chǎn)生機理圖

3、解決方案

　　下面例舉一個(gè)二年多前技改項目案例。

　　1)閥門(mén)使用地點(diǎn)：中石油塔里木油田天然氣技改項目。

　　2)閥門(mén)用途：油氣分離器液位調節閥。

　　3)現場(chǎng)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(jiàn)下表。

　　介質(zhì)溫度：-20℃～30℃；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、氣田規劃方案硫化氫含量統計表

　　中石油塔里木作業(yè)區天然氣技改項目中，由于壓差達8MPa，對閥芯及閥座沖刷嚴重，運行過(guò)程中出現泄漏量大、運行過(guò)程不穩定，噪聲及振動(dòng)嚴重等現象。由于介質(zhì)存在固體狀顆粒等雜質(zhì)，閥門(mén)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(mén)材質(zhì)還需有抗硫化物應力腐蝕斷裂及裂紋的要求。

　　對于這種工況，以往使用的一般的單座閥或籠式閥，幾周內就會(huì )發(fā)生泄漏、密封面損傷等問(wèn)題，3個(gè)月就要進(jìn)行閥內件的更換及維護。如圖3所示。

圖3 原裝置閥門(mén)使用狀況

　　通過(guò)仔細分析該調節閥的技術(shù)參數，并與設計院和現場(chǎng)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)結構或天然氣來(lái)源不同，調節閥在某些調節工況下，會(huì )產(chǎn)生JT效應，而造成的介質(zhì)的溫度波動(dòng)很大。因此采用窮盡的法則，即要達到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，這樣能夠避免因結冰而導致閥門(mén)填料卡澀或致使定位器凍結的可能。

　　閥門(mén)的選型。此調節閥的工況屬于大壓差，壓差達7.75MPa，如何選擇閥的類(lèi)型是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。對此工況，可供選擇的常規閥門(mén)是高壓?jiǎn)巫�調節閥、高壓籠式雙座閥、高壓多級孔板降壓系列等。若采用高壓?jiǎn)巫�調節閥，在降噪方面和降流速方面無(wú)法取得理想效果，此類(lèi)型閥在該工況下會(huì )產(chǎn)生噪音和閥門(mén)的振動(dòng)，另外閥內件會(huì )被很快沖蝕掉。如果采用高壓籠式雙座調節閥，在閥的振動(dòng)方面和耐壓差方面有些改善，但噪音和沖蝕方面仍沒(méi)有改善。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，閥內腔空間小，用孔板受空間限制，最多能做到2~3級降壓，仍達不到理想效果�？偨Y上面各種閥門(mén)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定選用maze®300多級串式調節閥。

5、特殊閥芯結構的設計

　　1)90度轉角、多級降壓

　　閥籠及閥芯采用特殊工藝加工而成，閥籠上每個(gè)臺階及閥芯上的每級缺口尺寸、位置都經(jīng)過(guò)精確計算，結合CFD流場(chǎng)分析，根據實(shí)際工況設計。如圖4所示。

圖4 多級降壓閥芯CFD流場(chǎng)分析圖

　　根據用戶(hù)系統的壓差、流量等特殊工況需求，可選擇不同的降壓級數來(lái)實(shí)現逐級降壓效果。閥芯為90度轉角設計，在有限的閥桿長(cháng)度上，延長(cháng)了流道的長(cháng)度，從而提高了節流效果。如圖5所示。

圖5 多級降壓壓力分布圖

　　2)全程導向

　　閥芯為全導向結構，在旋轉的全過(guò)程中，閥籠都可以為閥芯提供支撐導向，從而保證運動(dòng)過(guò)程中的相對穩定，閥桿不彎曲，有效降低了噪聲和振動(dòng)。正是這種全程導向的獨特設計，使得maze®300控制閥在同類(lèi)產(chǎn)品中具有突出的優(yōu)勢。maze®300控制閥經(jīng)過(guò)現場(chǎng)應用，顯著(zhù)提高控制閥壽命。

　　3)N個(gè)犧牲閥+1個(gè)切斷閥——解決氣蝕方案

　　相當于采用了N個(gè)犧牲閥加一個(gè)調節閥的結構，針對密封面有很好的保護功能，特殊結構的閥芯籠剪切機構設計，針對結晶、雜質(zhì)等問(wèn)題有很好的自清洗功能，運用CFD流體分析軟件進(jìn)行模擬，多級降壓結構及閥芯全導向結構的設計，有效控制介質(zhì)流速，并解決了介質(zhì)對閥芯沖刷造成的震動(dòng)及噪音等問(wèn)題，閥門(mén)正常工作在大壓差時(shí)，介質(zhì)在閥體內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(wú)法將氣蝕問(wèn)題從根本上解決的。因為發(fā)生氣蝕時(shí)氣泡破裂的壓力最高能達到100000磅/英寸2(6897bar)以上，且能量非常大，所以無(wú)論材質(zhì)多么堅固，都能把所金屬材料或多或少的局部撕裂，因此只有從結構上設法解決氣蝕方案。

　　形成氣蝕的關(guān)鍵在于持續壓差與節流裝置的共存。為此對于控制閥的設計必須解決一個(gè)問(wèn)題就是持續的壓差現象，在閥門(mén)啟閉過(guò)程中的氣蝕問(wèn)題也順理成章得到了解決。

　　當閥門(mén)關(guān)閉的同時(shí)第一、二級及閥口也處于關(guān)閉狀態(tài)，閥口的緊密性能要比第一、二級好得多，因為第一、二級屬于動(dòng)配合，存在間隙，這時(shí)液體幾乎不傳遞任何的壓力。閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，閥口的高壓瞬時(shí)得到了化解，閥口就沒(méi)有收到持續的壓差作用了，同樣各節流級也發(fā)揮了正常的作用。這樣一來(lái)，氣蝕在閥口處產(chǎn)生的可能性就沒(méi)有了。在閥門(mén)關(guān)閉的過(guò)程中，各級的節流降壓性能沒(méi)有受到任何影響，直到閥門(mén)關(guān)閉。如圖所示體現了該結構的巧妙之處就是閥口不參與節流，其開(kāi)度也始終大于節流級，并且閥門(mén)在開(kāi)啟時(shí)一直都超前于節流級的開(kāi)啟，關(guān)閉時(shí)就滯后于節流級的“關(guān)閉”，綜上可知，防止氣蝕的發(fā)生就是在啟閉的全過(guò)程中閥口沒(méi)有受到持續的壓差作用。如圖6所示。

圖6 節流面和切斷面分析圖

　　(4)顆粒容差設計

　　閥芯與閥籠之間對流體中的顆粒、粉塵、結晶等雜質(zhì)具有剪切作用，因此在運動(dòng)過(guò)程中具有顯著(zhù)的自清潔功能。同時(shí)閥芯和閥籠之間流道較大，能容納一定粒度的雜質(zhì)通過(guò)閥體具有顆粒容差設計。

　　現場(chǎng)使用maze®300多級串式調節閥后，實(shí)踐證明閥門(mén)運轉良好，閥門(mén)仍處于正常工作狀態(tài)。

6、總結

　　經(jīng)過(guò)多年的潛心研究，maze®系列控制閥從根本上解決并改善了嚴酷工況下對控制閥的嚴重損壞。一經(jīng)投入市場(chǎng)，起初用戶(hù)對本產(chǎn)品缺乏了解與信任，持懷疑態(tài)度，但通過(guò)對該產(chǎn)品的不斷了解，從抱著(zhù)試試看的態(tài)度使用幾臺，到如今，maze®系列控制閥已成為嚴酷工況下的首選解決方案。隨著(zhù)市場(chǎng)份額的不斷擴大，市場(chǎng)占有率不斷攀升，對嚴酷工況下控制閥的解決方案已具備了一定的經(jīng)驗。實(shí)際上，每種應用看似相似，實(shí)則不同，每個(gè)工況都需仔細分析以保證控制閥選擇正確。一般來(lái)說(shuō)，選型人員往往過(guò)多關(guān)注滿(mǎn)足工廠(chǎng)的測試及規格，而沒(méi)花足夠的時(shí)間了解閥門(mén)實(shí)際應用。這使得所選擇的規格要么不能滿(mǎn)足應用，要么超出應用要求——具體來(lái)說(shuō)，常常會(huì )選擇超出實(shí)際應用需求的昂貴閥門(mén)。閥門(mén)的設計有很多種不同的技術(shù)，但是沒(méi)有一種設計可以適用于所有應用。maze®系列控制閥在應用過(guò)程中由擁有豐富閥門(mén)選型經(jīng)驗的設計工程師評估每一個(gè)實(shí)際應用，再根據實(shí)際情況提供合適的解決方案。