调节阀堵塞问题的研究

调节阀是输油管道安全运行四级保护中的第一级压力保护，一般安装于各输油站的出站高压端，主要用于控制流量，调节进出站压力，以防止管线憋压，保证全线安全平稳运行。
2008年4月份，甬沪宁管线上某中间站的116#调节阀前后压差最大达到1.5MPa，流量下降，从种种迹象可以判定该调节阀已被严重堵塞。本文就针对这一实际问题展开分析讨论，给出解决方案并提出建议。
1 调节阀的结构及工作原理
甬沪宁管线上某中间站选用的调节阀为M okveld Valve公司生产的RZD-RECX 20" Class 600 型气动调节阀(DN500，PN10MPa)，其结构如图1。

1.阀外体 2.阀内体 3.活塞杆 4.阀杆 5.活塞 6.笼套 7.软密封环 8.支撑套

1.1 阀体
阀体包括阀外体和阀内体，是一完整的铸造体，阀内外体之间有一轴向对称流道，见图1箭头所示处。这种轴流式设计，使流体容易通过，并在阀门内部径向均匀分布，完全避免了优先流和不必要的流向改变，从而最大限度地减少了紊流和噪音。
1.2 活塞杆和阀杆
活塞杆与阀杆构成一个90!的角式传动机构(见图1)，活塞借助此传动机构在导轨内沿阀门的中心线运动，活塞杆与阀杆上的45!的齿条相互耦合，阀杆上下传动，带动活塞杆及活塞在全行程上前后移动。活塞在笼套中的位置，以及笼套上孔的不同形状和大小决定了多少流体可以通过调节阀。
1.3 笼套
笼套是调节阀的关键部件(结构见图2)，四周有直径为12mm的孔洞，按等百分比均匀分布，六列为一组，每组14+12+6+4+10+8=54个孔，有20组，共1080个孔。原油从孔内流出集中在阀门的径向，通过相互冲击在阀门轴线上抵消。由于流体本身使得流体能量在笼套内部消散，不接触阀体和阀门的其他部件。因此，可以说调节阀调节压力是通过笼套进行的。

1.4 工作原理
RZD-RECX型调节阀是轴流式活塞型气动调节阀，气动执行机构驱动阀杆上下移动，阀杆又借助它与活塞杆上的45!的齿条传动活塞杆，从而使活塞在笼套内前后移动。活塞在笼套内被导引，通过释放笼套上等百分比分布的节流孔的数量来调节过流面积，从而起到调节流量的作用。当执行机构驱动阀杆向上时，活塞向后移动，开大阀门；当执行机构驱动阀杆向下时，活塞向前移动，关小阀门。此外，该类型调节阀的主密封包括一个梯形的软密封环(见图1)，这种特殊结构使密封圈在流体压力下被压紧，从而达到密封的效果。
RZD-RECX型调节阀采用了带气动阀门定位器的活塞执行机构，气源装置给执行机构提供了一定压力的压缩空气，电/气转换器把从控制室来的4~20mA的直流输入信号经气动中继器放大转换为0.04~0.95MPa的气动输出信号送到执行机构，传输信号为电信号，现场操作为气动信号。执行机构接受到控制信号后再将其转换成相应的直线位移输出，通过推杆带动阀杆上下移动，从而使阀门开度在全行程上变化。
2 性能分析及参数比较
调节阀堵塞会增加不必要的能源消耗，造成经济损失，下面就通过分析其流量特性和运行工况，并通过参数比较来说明其影响。
2.1 流量特性
调节阀的流量特性是指在调节阀前后压差恒定的条件下，介质流过阀门的相对流通能力与阀门的相对开度之间的关系。其中，相对流通能力是阀门某一开度时流通能力与全开时流通能力之比，用q=Q/Qmax表示；相对开度是阀门某一开度与全开度之比，用l=L/Lmax表示。
根据前面介绍，调节阀是通过改变节流面积来控制流量的，而RZD-RECX型调节阀笼套四周的节流孔是按等百分比均匀分布的，因此其具有等百分比流量特性，如图3所示。

假设：调节阀堵塞前流量为Q1，相对流通能力q1，则q1=Q1/Qmax；调节阀堵塞后流量为Q2，相对流通能力q2，则q2=Q2/Qmax；因为Q2<Q1，所以在相对开度相同的情况下，流通能力q2<q1。
由此说明，调节阀堵塞会使流通能力减小。

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2.2 工况分析
2.2.1 调节阀pQ工况曲线
调节阀前、后的伯努利方程式为：

式中
Z1、Z2――阀前、阀后高程(Z1=Z2)，m；
p1、p2――阀前、阀后压力，Pa；
g――油品的重度，N/m3；
υ1、υ2――阀前、阀后平均流体速度，m/s；
hf――流体经过调节阀时的局部摩阻损失，m。
在流量一定的情况下，由于调节阀前、后管径相差很小，根据连续方程，则υ1»υ2，故(1)可简化为

式中
Δ=p——调节阀前、后压差，Pa。
局部摩阻损失hf可用下式计算，即

式中
ξ——局部阻力系数，为一常数；
υ——流体速度，m/s。
又根据连续方程Q=Aυ，可得

式中
A——流体所流经管道的横截面积，m2；
Q——流经调节阀的原油流量，m3/s。
由式(2)和式(4)可以得出

由于调节阀前、后管径相差很小，即其前、后管道的横截面积A1»A2，将式(5)中流量Q前的系数统一用ck表示，则式(5)可简化为

式中
ck——与节流面积有关的系数。
由式(6)可知，Δp与Q呈抛物线关系，故而得出调节阀Δp-Q曲线，如图4所示。

2.2.2 调节阀堵塞前后工况分析
假设：调节阀堵塞前流量为Q1，前后压差为Δp1，则Δp1=ck1Q1；调节阀堵塞后流量为Q2，前后压差为Δp2，则Δp2=ck2Q22；由于堵塞前后的节流面积不同，且ck2>ck1，故可得出调节阀堵塞前后Δp-Q曲线(见图5、图6)。

由图5、6可以看出：在流量一定(Q1=Q2=Q0)时，前后压差Δp2>Δp1；在前后压差一定(Δp1=Δp2=Δp0)时，流量Q2<Q1。
由此说明，调节阀堵塞会使其前后压差增大，流量下降。

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2.3 参数比较
以某中间站116#调节阀堵塞前1个月与堵塞后第4个月的两组运行参数为依据，对其前后压差与流量的变化进行比较。将表1中数据绘成曲线，如图7所示。

通过比较可以看出：正常情况下调节阀前后压差在0.04~0.12MPa之间，堵塞后会造成其前后压差大幅增加，流量下降。116#调节阀实际∃压差与流量的变化曲线%与理论分析相一致。针对这一现象，该站打开旁通114#可调型防爆电动闸阀(DN600，PN10MPa)，并开、关116#调节阀(DN500，PN10MPa)，反复活动后观察发现：压差稍有下降，流量也有所回升。但是运行一段时间后，前后压差又大幅度增加，直至达到1.5MPa，最后经解体处理，才恢复正常运行。
3 原因、办法和建议
3.1 原因分析
2008年4月份，甬沪宁管线上某中间站的116#调节阀被严重堵塞，前后压差达到1.5MPa，究其原因：一是由于该站2007年10月份刚投产，整个系统处于新投运阶段，在施工的过程中有大量焊渣、铁锈、石子等残留在管道内，在投运初期这些杂质会在笼套的流通孔处造成堵塞；二是由于该站的进站过滤器是栅栏式的，栅栏间距有30~40mm宽，而调节阀笼套上的孔径只有12mm，过滤器没能有效地将原油中的杂质过滤掉，再加上长时间不进行清管作业，从而导致了调节阀堵塞。
3.2 解决办法
根据该站处理这一问题的实践经验，以后如若再出现类似情况，可按以下方法处理。首先，可迅速反复开、关旁通阀或调节阀，让脏物从旁通阀或调节阀处被油流冲走，如若不行，再考虑解体处理。由于解体处理是阀门的离线维修，只有在影响阀门正常运行时才为之，应注意观察运行情况，如发现调节阀前后压差继续增加，流量继续下降，则说明调节阀堵塞严重，节流损失过大，已严重影响其调节性能，威胁到安全生产，此时再进行解体处理。调节阀解体维修可按以下步骤进行：
(1) 将调节阀前后法兰拆卸，把阀门从管道上取下(如果阀门与管道是平面法兰连接，只需将法兰直接拆卸再将阀门吊出即可；如果是凸面法兰连接，则需要用爬管机割管后将其吊离管线)，会发现阀内有大量石子、焊渣等异物。
(2) 借助丝杠、撬杠等工具将支撑套和笼套取出，会发现笼套的流通孔被堵塞，逐孔进行清理。
(3) 清洗支撑套、笼套、阀体内部，然后按拆卸时的相反顺序逐个回装。注意：回装笼套前后，要分别涂抹密封润滑脂和螺旋润滑脂。
(4) 用吊车将清理后的调节阀吊回到管线中并安装法兰。如果之前为割管维修，则需打黄油墙进行动火焊接作业。
(5) 恢复气动执行机构上的供风线、阀门定位器上的控制信号线，并用远程信号操作调节阀，看气动信号、电信号及执行机构是否恢复正常。
(6) 做故障信号、掉风保位试验，看调节阀的过载电流保护、反极性保护、掉气保护等各种保护信号是否恢复正常。
(7) 以上试验正常后可重新投用调节阀，并做好维修记录。
3.3 建议
3.3.1 安装施工
由于施工过程中残留在管道内的大量焊渣、铁锈、石子等是造成调节阀堵塞的根本原因，所以调节阀的安装、施工及投产前的管道扫线工序非常关键，应注意以下几点：
(1) 调节阀安装之前，应仔细地检查阀门并清除在储存期间所累积的污垢，在安装过程中也应保持清洁、干燥。
(2) 调节阀在与管道焊接时要特别小心，必须严格避免焊渣飞溅入阀体内。
(3) 投产前进行管道扫线时，调节阀应拆下(封堵两端法兰，保持阀内清洁、干燥)，用相应的直管段相连，必须扫线合格后才能安装调节阀。
3.3.2 运行维护
在保证安装施工质量的前提下，为避免因其他因素造成调节阀堵塞，应健全日常运行维护制度，提出如下建议：
(1) 制定合理的清管周期。调节阀属于站内设备，定期进行清管作业，可防止油流将外管道内的大量杂质带入站内管网。
(2) 在调节阀前安装合适的过滤器。在充分考虑流体通过量的前提下，过滤器滤网的孔径或栅栏间距应略小于调节阀笼套孔径，使原油里的杂物不至于堵塞到调节阀处。
(3) 停泵后倒通全越站流程，尽量不走压力越站流程。因为压力越站流程经过调节阀，倒全越站流程可减少油流经过调节阀的次数，从而降低了调节阀被油流中杂质堵塞的概率。
(4) 定期活动调节阀，让油流将杂质冲走。这样可防止杂物长期不断地堆积在笼套节流孔处，加重堵塞程度。
(5) 加强日常检查维护。调节阀采用气动驱动方式，因此要对气源装置定期维护和保养，确保气源正常。另外，在巡回检查过程中要注意调节阀的运行情况，检查现场阀位指示开度和调节器输出值是否吻合。严格执行操作、运行、维护规程，确保调节阀及各部件完好。
4 结束语
调节阀堵塞会使流通能力减小，调节性能下降，恶化到一定程度，还可能导致其失去调节作用，这样不仅威胁安全生产，而且还会带来重大的经济损失。实践证明，在2100m3/h的流量下，堵塞前压差为0.1MPa左右，堵塞后压差在0.49MPa以上，若保持压差一定(均为0.1MPa)，则调节阀堵塞会造成每小时少输434m3原油，即369t原油。按1m3原油4000元来计算，则每小时经济损失为173.6x104元，全年经济损失可达(173.6x10)x24x360»150x108元。由此可见，解决调节阀堵塞问题对节能降耗和安全生产都有着重要的意义。