節(jié)流閥在塔里木油田應用中的幾個問題
本文從節(jié)流閥流量特性、節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)的動作、節(jié)流閥籠套材料四個方面論述了國外知名公司節(jié)流閥在塔里木油田的使用狀況。在四種表現(xiàn)中，節(jié)流閥流量特性不匹配對閥的使用性能影響最為突出，應特別注意額定流量系數(shù)的選擇，重視閥的流量特性與氣井流量特性的匹配。
節(jié)流閥(俗稱油嘴)是用于高壓、大流量氣田開采節(jié)流的特殊專用裝置，為適應塔里木油田高壓高產(chǎn)氣田的惡劣工況，均使用國外知名公司的產(chǎn)品，進口的節(jié)流閥平均價格在5萬美元以上。但在實際使用中，這些閥無一例外出現(xiàn)了不同程度的沖蝕磨損、沖蝕失效，存在著穩(wěn)定性差、失效周期不確定等缺陷。塔里木油田使用的節(jié)流閥主要類型有兩種，一是外套—籠套式;二是籠套—柱塞式，兩種節(jié)流閥都以水壓能量消耗原理為基礎，利用外套在籠套上滑動(或柱塞在籠套內(nèi)滑動)產(chǎn)生不同的過流面積來控制流量與壓力。
為保證高壓高產(chǎn)氣田源源不斷地為“西氣東輸”管道輸送天然氣，對節(jié)流閥在塔里木油田使用中出現(xiàn)的問題應進行認真的研討。
1、節(jié)流閥流量特性不匹配
節(jié)流閥流量特性不匹配主要有兩方面，一是流量系數(shù)Cv與氣井的產(chǎn)量不匹配;二是節(jié)流閥的流量特性曲線與氣井的流量特性不匹配。
1.1、節(jié)流閥流量系數(shù)Cv與氣井的產(chǎn)量不匹配
最典型的實例為3口井用的A公司節(jié)流閥，其特征是：長期在小開度下運行且產(chǎn)量波動大。三口井的基本狀況見表1。
表1 A-3、A-8、-14井基本狀況
從表1可看出，A-3和A-8井節(jié)流閥長期在小開度下工作，若按該態(tài)勢發(fā)展，有可能出現(xiàn)節(jié)流閥開度為零，而產(chǎn)量不為零的現(xiàn)象。節(jié)流閥長期在小開度下運行是使用的最大禁忌，這將大大降低節(jié)流閥的壽命。正確的方法是讓節(jié)流閥一開始就盡量在最大開度上工作，如90%。這樣沖蝕等破壞發(fā)生在閥籠套前部。隨著籠套孔逐步被破壞，流量增加，閥再關(guān)小一點，不斷破壞，逐步關(guān)閉，使整個籠套全部得到利用。有資料指出，大開度工作時過流面積大，沖蝕減弱，可比一開始讓閥在中開度和小開度上工作提高壽命1～5倍以上。如某化工廠采用此法，閥的使用壽命提高了2倍。
對于A-3、A-8井，小開度下工作和產(chǎn)量波動的主要原因是，額定流量系數(shù)Cv值與井的實際流量不匹配，即閥的Cv280選大了，也即閥的口徑選大了。流量系數(shù)又稱流通能力，是節(jié)流閥選型的主要參數(shù)之一。在節(jié)流閥計算時，可用兩種流量系數(shù)，一為公制，另一為英制。兩種定義分別如下：AV定義(公制)：為節(jié)流閥全開時，閥兩端壓差為0.1MPa，流體密度1g/cm3，每小時流經(jīng)節(jié)流閥的流量數(shù)，以t/h表示單位;Cv定義(英制)：當節(jié)流閥全開時，閥兩端壓差為1磅/英寸2，介質(zhì)為60°F清水時，每分鐘流經(jīng)節(jié)流閥的流量數(shù)，以加侖/分計。
1.2、閥的流量特性曲線與氣井的流量特性不匹配
對于A-14井，進口壓力較高(50～52Mpa)、日產(chǎn)量較低(通常為55萬方)，閥的額定流量系數(shù)Cv值=70是較恰當?shù)?見表1)。但節(jié)流閥仍然在小開度下運行，產(chǎn)量照樣波動，顯然，不僅是閥的口徑選擇不當，而是閥的流量特性與氣井的流量特性不匹配的問題。
閥的流量特性是指介質(zhì)流經(jīng)節(jié)流閥時相對流量與相對位移(即開度)間的關(guān)系，具體體現(xiàn)在籠套中孔的大小、數(shù)量及分布規(guī)律。當孔的大小、數(shù)量和分布規(guī)律發(fā)生變化時，閥的流量特性亦隨之而改變。節(jié)流閥理想的流量特性曲線如圖1(a)所示，有快開型、直線型(線性)、拋物線型、等百分比型、雙曲線型和修正拋物線型。用得最多的是直線型和等百分比型，有許多種調(diào)節(jié)閥的流量特性居于直線型與等百分比型之間。
圖2為A公司節(jié)流閥籠套的失效照片并標出了1、2、3、4、5排孔，1、2、3排孔損壞嚴重，尤以1排孔最甚。這是長期小開度運行造成的，意味著第3排孔對應的開度已滿足實際流量要求，而第4排孔所對應的流量將超過實際流量，顯然，第4排孔以后的開度范圍均起不到調(diào)節(jié)作用，如果把籠套上的孔改小一些，或把孔的數(shù)量減少一些，則實際流量要求的開度范圍會加大，閥的壽命由此而延長。
圖1 理想流量曲線及三種閥的開度與過流面積曲線
圖2 A公司節(jié)流閥籠套失效狀況
2、節(jié)流閥結(jié)構(gòu)各不相同
塔里木油田使用了兩種結(jié)構(gòu)形式的節(jié)流閥，一種是外套—籠套式節(jié)流閥，以A公司和C公司的產(chǎn)品為代表;另一種是籠套—柱塞式節(jié)流閥，以B公司產(chǎn)品為代表。由于結(jié)構(gòu)形式不統(tǒng)一，由此引起使用性能不同，失效特征亦不同。
2.1、外套—籠套式節(jié)流閥使用特性
該種節(jié)流閥，籠套與外套均為懸臂安裝，對中要求較高，外套與籠套間的間隙較大，形成較大的環(huán)隙流動，外套移動后，在籠套上形成了凹陷的外徑表面，改變了介質(zhì)流體力學特性，易形成擾流，引起沖蝕磨損。外套—籠套式節(jié)流閥的沖蝕磨損主要在籠套外表面，損傷較嚴重。
2.2、籠套—柱塞式節(jié)流閥使用特性
該種節(jié)流閥，由于籠套嵌裝在閥體中，剛度好，且有徑向密封，能在一定程度上減少環(huán)隙流動;籠套外徑無凹陷或凸部，能有效減少擾流的產(chǎn)生;籠套與柱塞間的間隙較小，對中性較好。籠套—柱塞式節(jié)流閥的沖蝕磨損主要在籠套內(nèi)表面。從總體損傷程度看，籠套—柱塞式節(jié)流閥要比外套—籠套式節(jié)流閥損傷要輕一些。
3、執(zhí)行機構(gòu)動作不確定
執(zhí)行機構(gòu)動作的不確定是指：(1)執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)不同對節(jié)流閥正常工作造成波動;(2)輸入信號可能受到干擾;(3)執(zhí)行機構(gòu)沒有很好標定;(4)執(zhí)行機構(gòu)位移后沒有鎖定;(5)節(jié)流閥的流量系數(shù)Cv值不匹配，Cv值過大時波動越突出;(6)系統(tǒng)內(nèi)部可能存在滲漏等。
節(jié)流閥由閥體和執(zhí)行機構(gòu)兩部分組成。執(zhí)行機構(gòu)可以是手動、氣動、電動和液動，氣動、電動和液動執(zhí)行機構(gòu)可根據(jù)自動化系統(tǒng)中的控制信號，自動調(diào)節(jié)閥門的開度，實現(xiàn)對流量、壓力、溫度和液位的調(diào)節(jié)。塔里木油田主要使用的執(zhí)行機構(gòu)有手動、電動和液動，其表現(xiàn)為：
3.1 手動執(zhí)行機構(gòu)節(jié)流閥開度平穩(wěn)
手動執(zhí)行機構(gòu)節(jié)流閥投用以來，開度一直平穩(wěn)。因每次節(jié)流閥開度調(diào)節(jié)后，需要上緊鎖緊螺母，閥的開度處于保位狀態(tài)，手動執(zhí)行機構(gòu)能夠把開度鎖定。但是，開度讀取不夠準確，因為節(jié)流閥手輪上的刻度套不便于讀取，且容易轉(zhuǎn)動，零刻度不易校對。
3.2 電動執(zhí)行機構(gòu)節(jié)流閥開度波動不明顯
電動執(zhí)行機構(gòu)節(jié)流閥投用以來，讀取的開度一直較平穩(wěn)。電動執(zhí)行機構(gòu)節(jié)流閥開度變化小的原因與位移的傳動機構(gòu)有關(guān)，如果傳動副為螺旋—螺桿的話，由于螺桿的自鎖作用，能夠較好地避免因振動而引起開度增大的現(xiàn)象。
3.3、液動執(zhí)行機構(gòu)節(jié)流閥開度影響明顯
現(xiàn)場使用報告指出：液壓節(jié)流閥開度無保位功能。在生產(chǎn)過程中，節(jié)流閥開度每天都呈現(xiàn)波動變化，變化范圍在每天1～2%，導致產(chǎn)量不穩(wěn)定，頻繁波動。液壓執(zhí)行機構(gòu)節(jié)流閥造成產(chǎn)量波動的主要原因，一是執(zhí)行機構(gòu)沒有鎖定;二是溫度對液壓油產(chǎn)生影響。
4、節(jié)流閥籠套材料存在差異
塔里木油田使用的三種進口節(jié)流閥籠套均為硬質(zhì)合金，材料性能分析及現(xiàn)場使用情況表明，三種進口閥的籠套材料性質(zhì)存在明顯差異，性能最優(yōu)者為B公司節(jié)流閥，其次為A公司節(jié)流閥，最后是C公司節(jié)流閥，后兩者實際上相差不大。
上述節(jié)流閥的四種特性表現(xiàn)中，節(jié)流閥流量特性不匹配對閥的使用性能的影響最為突出。使用者應當注意額定流量系數(shù)的選擇，重視閥的流量特性與氣井流量特性的調(diào)整和匹配。
