天然氣油氣分離器液位調節(jié)閥失效的根源及解決方案
在天然氣采集裝置中，油氣分離器液位調節(jié)閥普遍存在調節(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，有些還高含硫或氯等酸性介質。部分氣井天然氣壓力高，使得閥前后壓降較大，很容易產生氣蝕、閃蒸及JT效應；介質水及JT效應會產生細微冰晶，加上硬質顆粒，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，閥內件很快被沖蝕；介質含硫化氫會導致SSC應力腐蝕開裂，氯離子容易發(fā)生晶間腐蝕和點蝕。
上述除了高溫，幾乎包括所有嚴酷工況，如果處理不當，閥門在很短時間內失效。而看似錯綜復雜的各種破壞因素，歸納起來罪魁禍首——流速。
1、氣蝕和閃蒸的產生
很多時候氣蝕和閃蒸是孿生兄弟。根據(jù)伯努利原理，當流體流過閥門時，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，會導致流體中產生氣泡，這就是氣蝕的第一階段。當流體流過收縮斷面后，隨著過流面積增加，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，氣泡破裂時產生的壓力高達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并在微秒內進行。破壞初期表面像噴砂，后期嚴重時像煤渣表面，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節(jié)閥。另外，當表面的增量受到沖擊時，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生化學反應，形成薄膜，薄膜破裂，隨之暴露出新的表面，加速酸性介質對閥門內件的腐蝕。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小時里就被損壞。
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(xù)增長，結果將產生閃蒸而不是氣蝕。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，以致于使硬質顆粒趨向于達到與氣體一樣高的速度。這些高速硬質顆粒沖擊表面，使閥門內件節(jié)流面很快沖蝕，短時間影響調節(jié)特性，真空技術網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為嚴重時完全失效。在本案中，這一現(xiàn)象常常發(fā)生在分離器凝析油調節(jié)閥。
2、JT效應的產生
當入口壓力為，流過這些閥芯的流體固有的低壓和高速，使得介質可能發(fā)生膨脹，壓力變?yōu)�。到達該點時，流速達到峰值，急劇膨脹，疊加天然氣特性，產生JT效應，溫度急劇下降，天然氣的濕氣含量凝結的小水滴，甚至會生成水合物(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效應產生機理圖
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：中石油塔里木油田天然氣技改項目。
2)閥門用途：油氣分離器液位調節(jié)閥。
3)現(xiàn)場工況：介質：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。
介質溫度：-20℃～30℃；閥前壓力：8MPa；閥后：0.25MPa；流量：1500Nm3/h；安全位：關位。
工藝管徑：65mm。
4、氣田規(guī)劃方案硫化氫含量統(tǒng)計表
中石油塔里木作業(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，噪聲及振動嚴重等現(xiàn)象。由于介質存在固體狀顆粒等雜質，閥門容易卡死，另外天然氣介質屬高含硫氣田，H2S含量高達607000mg/m3，因此對閥門材質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，幾周內就會發(fā)生泄漏、密封面損傷等問題，3個月就要進行閥內件的更換及維護。如圖3所示。
圖3 原裝置閥門使用狀況
通過仔細分析該調節(jié)閥的技術參數(shù)，并與設計院和現(xiàn)場工程人員的多次溝通，對該項目工況作如下分析：
首先介質為天然氣，含硫量很高，因此材質必須是耐腐蝕，抗硫化氫，備選材質有：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生的縮孔或裂紋等不安全因素。
由于地質結構或天然氣來源不同，調節(jié)閥在某些調節(jié)工況下，會產生JT效應，而造成的介質的溫度波動很大。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填料卡澀或致使定位器凍結的可能。
閥門的選型。此調節(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鍵。對此工況，可供選擇的常規(guī)閥門是高壓單座調節(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生噪音和閥門的振動，另外閥內件會被很快沖蝕掉。如果采用高壓籠式雙座調節(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上面各種閥門的優(yōu)缺點，最終確定選用maze®300多級串式調節(jié)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，閥籠上每個臺階及閥芯上的每級缺口尺寸、位置都經過精確計算，結合CFD流場分析，根據(jù)實際工況設計。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度轉角設計，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，在旋轉的全過程中，閥籠都可以為閥芯提供支撐導向，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。正是這種全程導向的獨特設計，使得maze®300控制閥在同類產品中具有突出的優(yōu)勢。maze®300控制閥經過現(xiàn)場應用，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
相當于采用了N個犧牲閥加一個調節(jié)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、雜質等問題有很好的自清洗功能，運用CFD流體分析軟件進行模擬，多級降壓結構及閥芯全導向結構的設計，有效控制介質流速，并解決了介質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達到100000磅/英寸2(6897bar)以上，且能量非常大，所以無論材質多么堅固，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。
當閥門關閉的同時第一、二級及閥口也處于關閉狀態(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，氣蝕在閥口處產生的可能性就沒有了。在閥門關閉的過程中，各級的節(jié)流降壓性能沒有受到任何影響，直到閥門關閉。如圖所示體現(xiàn)了該結構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，關閉時就滯后于節(jié)流級的“關閉”，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通過閥體具有顆粒容差設計。
現(xiàn)場使用maze®300多級串式調節(jié)閥后，實踐證明閥門運轉良好，閥門仍處于正常工作狀態(tài)。
6、總結
經過多年的潛心研究，maze®系列控制閥從根本上解決并改善了嚴酷工況下對控制閥的嚴重損壞。一經投入市場，起初用戶對本產品缺乏了解與信任，持懷疑態(tài)度，但通過對該產品的不斷了解，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，對嚴酷工況下控制閥的解決方案已具備了一定的經驗。實際上，每種應用看似相似，實則不同，每個工況都需仔細分析以保證控制閥選擇正確。一般來說，選型人員往往過多關注滿足工廠的測試及規(guī)格，而沒花足夠的時間了解閥門實際應用。這使得所選擇的規(guī)格要么不能滿足應用，要么超出應用要求——具體來說，常常會選擇超出實際應用需求的昂貴閥門。閥門的設計有很多種不同的技術，但是沒有一種設計可以適用于所有應用。maze®系列控制閥在應用過程中由擁有豐富閥門選型經驗的設計工程師評估每一個實際應用，再根據(jù)實際情況提供合適的解決方案。
