浅议CCI减压阀在成品油管道输油站存在的问题及处理措施

发布时间:2011-02-13  点击数:2814
    中石化华南成品油管网茂昆线输油站按功能分为泵站、分输站和分输泵站,采用密闭顺序输送工艺。分输站和分输泵站有分输下载系统,即将主输油管线上经进站过滤器过滤后的部分油品下载到相邻的油库。下载管线上安装了CCI减压阀对油品进行降压限量分输。油品单位时间的下载量根据油库当地的油品需求量和管道运行的工况来确定。
一、CCI减压阀结构特点及工作原理
    CCI减压阀属套筒式多级调节阀,减压阀由阀体、碟片组、阀芯组件、阀帽组件、执行机构与控制组件5部分组成。
    阀体结构设计采用流闭型的结构,即液体从阀笼外侧流入阀芯,当液体进入阀体后流过碟片组流经阀芯,并从阀座环孔流出。采用这种流向阀笼起到了过滤器的作用,可以降低流体中的颗粒物对阀芯和阀座环密封面的损伤。
    碟片组(又称阀笼)和阀芯组件(包括阀芯和阀杆)是减压阀的关键部件,碟片组采用专利技术DRAG盘片制作,碟片组由许多盘片组成,每一盘片上都凿出一个固定的流量通道,形成迷宫式流道,这一系列拐角形成了流体阻抗,通过每一通道的具体拐角把流速限制在预先的计算值内。介质通过碟片内的流道,必须通过许多直角转弯的流路,消耗能量,分段降压,使压力损失最大。这种迂回通路可以使减压阀的噪音明显下降。
    CCI减压阀应用两种工艺制造DRAG盘片:放电加工(EDM)和冲压。EDM工艺是在每个盘片上凿出一道拐道,而所有碟片叠加在一起就形成了碟片组。DGAR碟片组通过迫使工艺流体通过一些曲折的拐角穿过阀芯组件来控制流速,这一系列的拐角给流速提供了阻抗而限制了阀芯出口速度。通过阀芯组件流体的高流速是引起减压阀严重故障的根本原因。用多级减压阀可实现多级降压,每级都不超过介质临介压力,防止因临界压力出现闪蒸和空化现象。
    阀帽组件包括座环、平衡缸、阀帽、密封垫和密封填料。执行机构安装在阀轭上,阀轭固定在阀帽上,所有的CCI减压阀阀芯组件都有快换和耐用的功能。
    选用电液执行机构,执行机构带动阀芯上下移动对阀芯组件进行调节。
二、CCI减压阀在输油站使用中存在的问题
    CCI减压阀在华南管网茂昆线输油站投用2年来运行状况基本良好,但也出现了一些问题,到目前为止,将出现故障的CCI减压阀统计见表1。表1中,1″=2.54cm。


    出现故障的CCI减压阀普遍存在易堵塞的情况,管线内杂质较多。从表1中可以看出,CCI减压阀失效的主要原因是因为阀内件被损坏而导致减压阀失去调节功能,同时小口径的减压阀存在严重堵塞而达不到下载量要求,而且存在噪音大的问题。
三、阀内件损坏原因分析
    由于华南管网茂昆线下载自动控制系统PID整定存在问题,下载阀的控制现采用手动操作,即根据油品的计划下载量直接输入下载阀的阀位值来调整减压阀的开度。
    都匀站操作规程中规定下载减压阀的流量范围为27~152m3/h,下载阀前压力为1.3~815MPa,下载阀后压力小于0.5MPa。实际运行中下载减压阀的流量通常为40~50t/h(输油站工艺运行记录表中记录的为质量流量),下载阀前压力为3.0~5.0MPa,下载阀后压力小于0.15MPa。
    1、管线内固体颗粒使CCI减压阀内件产生严重冲蚀
    由于下载减压阀前没有安装过滤器,而管线中的泥沙锈渣等杂质又多,所以下载减压阀堵塞较频繁,有时被迫中断下载来清洗减压阀。下载减压阀堵塞频繁,造成减压阀的调节性能降低,阀位需要不断调整,加快了碟片组盘片的损坏速率。
    下载减压阀前后压差较大,含固体颗粒介质在节流处具有很大的速度(特别在小开度工作时),而物质的动能与物质速率的平方成正比,因此经过节流处的颗粒就具备了相当大的动能,对盘片和阀芯产生很大的破坏作用。其破坏过程类似于喷砂过程。喷砂过程是空气作为载体带着磨粒高速运动,对金属表面冲撞,从而产生切削作用。严重的冲刷使减压阀的寿命大大缩短。压差越大,流速越高,颗粒越多,冲刷就越严重。
    另外,减压阀长期在不清洁的环境下工作,阀内件还容易产生腐蚀破坏。
    2、CCI减压阀内存在闪蒸和空化现象
    冲蚀损坏的阀芯表面一般较光滑,但从现场阀芯损坏的情况来看,阀芯的表面并不光滑,而是成蜂窝状的粗糙表面,这说明减压阀内存在闪蒸和空化现象,当油品急速流过减压阀时,静压力骤然下降,当压力降到低于该流体所在情况下的饱和蒸汽压时,部分液体就汽化成气体,出现气液两相共存的现象,这种现象称为闪蒸。产生闪蒸时,对阀芯、阀座材料已开始有侵蚀破坏作用,如果产生闪蒸之后,压力不是保持在饱和蒸汽压以下,而是在离开节流通道之后又骤然上升,这时气泡产生破裂并转化为液态,这个过程即为空化作用。空化作用会对阀内件产生汽蚀破坏。产生空化作用时,在缩流处的后面由于压力恢复,升高的压力压缩气泡,达到临界尺寸的气泡开始变为椭圆形,接着在上游表面开始变平,然后突然爆裂。所有的能量集中在破裂点上,产生极大的冲击力。如果气泡在接近节流通道附近固体表面处破裂,这种冲击力会慢慢地撕裂材料表面,形成类似于煤渣的粗糙表面。
    3、减压阀长期在低开度下工作,冲蚀和汽蚀更加严重
    表2中的原始数据反映了都匀分输泵站减压阀在没有堵塞情况下的运行工况。



    从表2中可看出,减压阀通常工作时的开度不到10%。调节阀在小开度工作时存在着急剧的流阻、流速和压力变化,会带来如下问题:
    (1)节流间隙最小,流速最大,冲刷最厉害,严重影响阀的使用寿命。
    (2)急剧的流速、压力变化,油品产生闪蒸和空化的可能性加大,汽蚀更严重。
    (3)开度小,阀芯密封面离节流口近,有损于阀芯密封面。
    (4)急剧的流速、压力变化,超过阀的刚度时,阀稳定性差,甚至产生严重振荡。
四、处理措施
    1、在CCI下载减压阀前安装过滤器
    在CCI下载减压阀前安装过滤器,防止固体颗粒进入阀体内对盘片和阀芯产生堵塞和冲蚀磨损。由于CCI减压阀碟片流道间隙很小,不同规格的CCI减压阀碟片的流道间隙又不相同,过滤器应根据减压阀的规格型号选择合适的滤网目数,滤网目数不能选太小,宜选取30~60目。根据管内杂质情况制定定期清洗计划,及时清洗过滤器。
    3、采取措施使减压阀在较大开度下工作
    为了提高减压阀的使用寿命、稳定性、正常调节等工作性能,减压阀应避免在小开度下工作,开度通常应大于15%,对于高压调节阀、处于流闭状态的减压阀,开度应大于30%。CCI下载减压阀工作压力较高,且属流闭型,适宜的开度应在20%以上。
    有资料显示,让调节阀一开始在大开度下工作比一开始在中间开度和小开度上工作可提高使用寿命1~5倍以上。
    A、在减压阀前后增设节流孔板
    维持下载系统总压降不变,增大减压阀前管线的压降,可降低减压阀阀上的压差Δp。由流量方程式可知,当压差Δp减小时,Q也减小,为保证通过减压阀的流量不变,就要增大减压阀的开度,从而使减压阀获得较理想的工作开度。在减压阀前或减压阀后安装节流孔板可消耗一部分压降,从而实现上述目标。
    B、调整管道的输送方案
管道调度控制中心在操作调节时可适当调整一些管道运行参数,不要让出现减压阀故障的输油站的进站压力过高,同时适当提高这些输油站油品的单位时间下载量,确保减压阀在适当的开度下工作,避免减压阀遭受冲蚀和汽蚀的严重破坏。
    C、用小口径的减压阀代替大口径的减压阀
    由流量方程式可知,当Kv减小时,Q也减小,为保持通过减压阀的流量不变,就必然加大减压阀的开度,这样,通过选用流量系数小的减压阀代替流量系数大的减压阀也可以避免减压阀在小开度下工作。由公式可知,流量系数Kv与调节阀的接管截面积A成正比,与接管口径的平方成正比,换一台小挡口径的阀,可减小Kv值。某化工厂大修时将节流件由DN10换成DN8,寿命提高了一倍。
    贵阳分输泵站和曲靖分输泵站下载减压阀的故障情况与都匀分输泵站下载减压阀的故障情况类似。晴隆分输泵站下载减压阀与以上3个分输泵站下载减压阀的故障情况不一样,晴隆分输泵站下载减压阀失去调节功能的主要原因是由于管内杂质过多和减压阀的口径选得过小,可以考虑选用大一点口径的减压阀。
五、结论
    冲蚀和汽蚀是影响减压阀调节性能和使用寿命的主要原因。即使是品质最好的调节阀都会不同程度地受到来自介质的冲蚀和汽蚀破坏作用,尤其在高压差、高流速、高杂质、小开度的工作条件下,减压阀受冲蚀和汽蚀的破坏作用更严重。在管线上增设一些附助设施如过滤器和节流孔板;同时优化管道操作,改善减压阀运行的工艺条件;还可以考虑用小口径的减压阀取代大口径的减压阀。通过以上措施可以减缓减压阀受到的冲蚀和破坏,提高调节性能,从而延长使用寿命。

    参考资料
    李仕。固体杂质对成品油长输管道设备的损伤和防范措施。化工设备与管道,2008(2):48-51。
    明赐东。调节阀应用1000问。北京:化学工业出版社,2006。
    陆培文。调节阀实用技术。北京:机械工业出版社,2006。