在天然氣采集裝置中，油氣分離器液位調(diào)節(jié)閥普遍存在調(diào)節(jié)精度差，使用壽命短，有些場合甚至不超過三個(gè)月。由于地質(zhì)不同，天然氣組分比較復(fù)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(yīng)；介質(zhì)水及JT效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生細(xì)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(nèi)件很快被沖蝕；介質(zhì)含硫化氫會(huì)導(dǎo)致SSC應(yīng)力腐蝕開裂，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(yán)酷工況，如果處理不當(dāng)，閥門在很短時(shí)間內(nèi)失效。而看似錯(cuò)綜復(fù)雜的各種破壞因素，歸納起來罪魁禍?zhǔn)?mdash;—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(jù)伯努利原理，當(dāng)流體流過閥門時(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(dāng)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(huì)導(dǎo)致流體中產(chǎn)生氣泡，這就是氣蝕的第一階段。當(dāng)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(dāng)壓力恢復(fù)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(dá)100000磅/英寸2(6897bar)。爆炸能量會(huì)將金屬表面撕成細(xì)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(nèi)并在微秒內(nèi)進(jìn)行。破壞初期表面像噴砂，后期嚴(yán)重時(shí)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(diào)節(jié)閥。另外，當(dāng)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(yīng)，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(duì)閥門內(nèi)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(dāng)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(jié)果將產(chǎn)生閃蒸而不是氣蝕。往往由于流速極快，閃蒸破壞類似切割表面。就閃蒸而言，氣體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液體體積，以致于使硬質(zhì)顆粒趨向于達(dá)到與氣體一樣高的速度。這些高速硬質(zhì)顆粒沖擊表面，使閥門內(nèi)件節(jié)流面很快沖蝕，短時(shí)間影響調(diào)節(jié)特性，真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認(rèn)為嚴(yán)重時(shí)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(diào)節(jié)閥。

2、JT效應(yīng)的產(chǎn)生

　　當(dāng)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(zhì)可能發(fā)生膨脹，壓力變?yōu)椤５竭_(dá)該點(diǎn)時(shí)，流速達(dá)到峰值，急劇膨脹，疊加天然氣特性，產(chǎn)生JT效應(yīng)，溫度急劇下降，天然氣的濕氣含量凝結(jié)的小水滴，甚至?xí)�生成水合�?冰晶)，以最大速度流動(dòng)，會(huì)迅速?zèng)_蝕閥芯并損壞閥體。如圖2所示。

圖2 JT效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理圖

3、解決方案

　　下面例舉一個(gè)二年多前技改項(xiàng)目案例。

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

　　2)閥門用途：油氣分離器液位調(diào)節(jié)閥。

　　3)現(xiàn)場工況：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(guī)劃方案硫化氫含量統(tǒng)計(jì)表

　　中石油塔里木作業(yè)區(qū)天然氣技改項(xiàng)目中，由于壓差達(dá)8MPa，對(duì)閥芯及閥座沖刷嚴(yán)重，運(yùn)行過程中出現(xiàn)泄漏量大、運(yùn)行過程不穩(wěn)定，噪聲及振動(dòng)嚴(yán)重等現(xiàn)象。由于介質(zhì)存在固體狀顆粒等雜質(zhì)，閥門容易卡死，另外天然氣介質(zhì)屬高含硫氣田，H2S含量高達(dá)607000mg/m3，因此對(duì)閥門材質(zhì)還需有抗硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂及裂紋的要求。

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

圖3 原裝置閥門使用狀況

　　通過仔細(xì)分析該調(diào)節(jié)閥的技術(shù)參數(shù)，并與設(shè)計(jì)院和現(xiàn)場工程人員的多次溝通，對(duì)該項(xiàng)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(jí)，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(jié)構(gòu)或天然氣來源不同，調(diào)節(jié)閥在某些調(diào)節(jié)工況下，會(huì)產(chǎn)生JT效應(yīng)，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(dá)到在極端溫度下控制閥仍能夠正常運(yùn)行，所以選用低溫延伸型閥蓋，這樣能夠避免因結(jié)冰而導(dǎo)致閥門填料卡澀或致使定位器凍結(jié)的可能。

　　閥門的選型。此調(diào)節(jié)閥的工況屬于大壓差，壓差達(dá)7.75MPa，如何選擇閥的類型是解決問題的關(guān)鍵。對(duì)此工況，可供選擇的常規(guī)閥門是高壓單座調(diào)節(jié)閥、高壓籠式雙座閥、高壓多級(jí)孔板降壓系列等。若采用高壓單座調(diào)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(huì)產(chǎn)生噪音和閥門的振動(dòng)，另外閥內(nèi)件會(huì)被很快沖蝕掉。如果采用高壓籠式雙座調(diào)節(jié)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有改善。采用高壓多級(jí)孔板降壓閥，雖然在綜合因素有所改善，因?yàn)榇碎y選用DN25的，閥內(nèi)腔空間小，用孔板受空間限制，最多能做到2~3級(jí)降壓，仍達(dá)不到理想效果。總結(jié)上面各種閥門的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定選用maze®300多級(jí)串式調(diào)節(jié)閥。

5、特殊閥芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　1)90度轉(zhuǎn)角、多級(jí)降壓

　　閥籠及閥芯采用特殊工藝加工而成，閥籠上每個(gè)臺(tái)階及閥芯上的每級(jí)缺口尺寸、位置都經(jīng)過精確計(jì)算，結(jié)合CFD流場分析，根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)。如圖4所示。

圖4 多級(jí)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(jí)數(shù)來實(shí)現(xiàn)逐級(jí)降壓效果。閥芯為90度轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)，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(jí)降壓壓力分布圖

　　2)全程導(dǎo)向

　　閥芯為全導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)的全過程中，閥籠都可以為閥芯提供支撐導(dǎo)向，從而保證運(yùn)動(dòng)過程中的相對(duì)穩(wěn)定，閥桿不彎曲，有效降低了噪聲和振動(dòng)。正是這種全程導(dǎo)向的獨(dú)特設(shè)計(jì)，使得maze®300控制閥在同類產(chǎn)品中具有突出的優(yōu)勢。maze®300控制閥經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用，顯著提高控制閥壽命。

　　3)N個(gè)犧牲閥+1個(gè)切斷閥——解決氣蝕方案

　　相當(dāng)于采用了N個(gè)犧牲閥加一個(gè)調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)，針對(duì)密封面有很好的保護(hù)功能，特殊結(jié)構(gòu)的閥芯籠剪切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)結(jié)晶、雜質(zhì)等問題有很好的自清洗功能，運(yùn)用CFD流體分析軟件進(jìn)行模擬，多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)及閥芯全導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，有效控制介質(zhì)流速，并解決了介質(zhì)對(duì)閥芯沖刷造成的震動(dòng)及噪音等問題，閥門正常工作在大壓差時(shí)，介質(zhì)在閥體內(nèi)腔的速度矢量分布圖。(計(jì)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(jī)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?yàn)榘l(fā)生氣蝕時(shí)氣泡破裂的壓力最高能達(dá)到100000磅/英寸2(6897bar)以上，且能量非常大，所以無論材質(zhì)多么堅(jiān)固，都能把所金屬材料或多或少的局部撕裂，因此只有從結(jié)構(gòu)上設(shè)法解決氣蝕方案。

　　形成氣蝕的關(guān)鍵在于持續(xù)壓差與節(jié)流裝置的共存。為此對(duì)于控制閥的設(shè)計(jì)必須解決一個(gè)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(dāng)閥門關(guān)閉的同時(shí)第一、二級(jí)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(jí)好得多，因?yàn)榈谝弧⒍��?jí)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。閥門開啟時(shí)，閥口的高壓瞬時(shí)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(jí)也發(fā)揮了正常的作用。這樣一來，氣蝕在閥口處產(chǎn)生的可能性就沒有了。在閥門關(guān)閉的過程中，各級(jí)的節(jié)流降壓性能沒有受到任何影響，直到閥門關(guān)閉。如圖所示體現(xiàn)了該結(jié)構(gòu)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(jí)，并且閥門在開啟時(shí)一直都超前于節(jié)流級(jí)的開啟，關(guān)閉時(shí)就滯后于節(jié)流級(jí)的“關(guān)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(shè)計(jì)

　　閥芯與閥籠之間對(duì)流體中的顆粒、粉塵、結(jié)晶等雜質(zhì)具有剪切作用，因此在運(yùn)動(dòng)過程中具有顯著的自清潔功能。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)通過閥體具有顆粒容差設(shè)計(jì)。

　　現(xiàn)場使用maze®300多級(jí)串式調(diào)節(jié)閥后，實(shí)踐證明閥門運(yùn)轉(zhuǎn)良好，閥門仍處于正常工作狀態(tài)。

6、總結(jié)

　　經(jīng)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(yán)酷工況下對(duì)控制閥的嚴(yán)重?fù)p壞。一經(jīng)投入市場，起初用戶對(duì)本產(chǎn)品缺乏了解與信任，持懷疑態(tài)度，但通過對(duì)該產(chǎn)品的不斷了解，從抱著試試看的態(tài)度使用幾臺(tái)，到如今，maze®系列控制閥已成為嚴(yán)酷工況下的首選解決方案。隨著市場份額的不斷擴(kuò)大，市場占有率不斷攀升，對(duì)嚴(yán)酷工況下控制閥的解決方案已具備了一定的經(jīng)驗(yàn)。實(shí)際上，每種應(yīng)用看似相似，實(shí)則不同，每個(gè)工況都需仔細(xì)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(guān)注滿足工廠的測試及規(guī)格，而沒花足夠的時(shí)間了解閥門實(shí)際應(yīng)用。這使得所選擇的規(guī)格要么不能滿足應(yīng)用，要么超出應(yīng)用要求——具體來說，常常會(huì)選擇超出實(shí)際應(yīng)用需求的昂貴閥門。閥門的設(shè)計(jì)有很多種不同的技術(shù)，但是沒有一種設(shè)計(jì)可以適用于所有應(yīng)用。maze®系列控制閥在應(yīng)用過程中由擁有豐富閥門選型經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)工程師評(píng)估每一個(gè)實(shí)際應(yīng)用，再根據(jù)實(shí)際情況提供合適的解決方案。