冯裕祥 吴超 汪伟为

国家管网集团西气东输合肥输气分公司

 

摘要：分输调压橇是天然气分输站重要的生产设备，直接关系着输气任务的完成。调压橇的监控调压阀是一种气动薄膜调压阀，其橡胶膜片突然疲劳失效，会导致输气中断。分析调压橇疲劳失效过程，从设计、运维、应急等角度，积极采取有效应对策略能显著减轻对生产造成的负面影响，夯实安全生产基础，提高输气保障能力。

关键词：监控调压阀；动态平衡；疲劳失效；应对策略

 

分输调压橇是天然气分输站的关键设备之一，一旦疲劳失效，会导致输气生产中断，影响范围广，处理难度大。本文从介绍分输调压橇的结构组成与工作原理入手；分析总结了调压橇疲劳失效的影响因素和形成过程；并针对分析得出的结论，提出了具有可操作性的应对策略。

1  分输调压橇工作原理

分输调压橇主要由安全切断阀、监控调压阀、工作调节阀组成。工作调节阀根据下游压力变化，实时调节阀门开度，稳定下游压力。当工作调节阀效应滞后时，调压橇监控阀就自动调节阀门开度，进而控制流通气量，以实现辅助调节效果。当下游压力继续升高到预定值时，安全切断阀自动关断，以确保下游安全。这三个阀门既相互独立，又相互影响，相辅相成。

2  监控调压阀工作原理

监控调压阀主要由指挥器与主阀两个部分组成。

指挥器分为负载级与控制级。负载级为控制级提供稳定的工作压力环境。控制级直接控制进入主阀膜腔气量。指挥器本质上是一个负反馈调节，当下游压力增大时，控制级双膜结构上腔的压力增大，膜片向下移动，使喷嘴的开度减小，同时增大了负载级上腔的压力，负载级喷嘴的开度也减小，指挥器流入监控阀主阀下膜腔的气体减少，压力降低。反之，则指挥器流入监控阀主阀下游膜腔的气体增加，压力升高。

监控阀主阀主要有阀体、套筒、阀芯、橡胶膜片、关闭弹簧等构成。皮膜将阀腔分割为上、下游两个膜腔。上膜腔内弹簧与下游反馈过来的气体共同在皮膜上产生关闭力P1，由指挥器控制流入下膜腔中的气体在皮膜上产生开启力P2。

当调压橇膜腔压力平衡时，即P1=P2，调压橇处在一个平衡稳态，阀位开度保持不变。当下游气体压力升高时，指挥器进入下膜腔中的气量减少，作用在膜片上的压力P2降低，同时上膜腔接受的反馈压力增大，使得P1>P2，阀门套筒向下游移动，开度减小，流过的气量减少，下游压力逐步降低以达到新的平衡，反之亦然。

监控调压阀就是通过调节阀门套筒和阀芯之间的间隙，进而调节其流通气量，控制下游压力，在“平衡—不平衡—再平衡”动态调节中，监控阀完成辅助稳压功能。监控调压阀阀位每次从一个平衡态过渡到另一个平衡态，通常不是一次调整到位，而是以新的平衡位置为目标，多次往复震荡渐进的结果，在逼近目标过程中震荡的幅度逐渐减小，最终稳定在一个新的平衡位置，其本质是个类似PID调节的机械式稳态调节过程。

3  调压橇疲劳失效形成过程

调压橇最典型故障就是监控调压阀橡胶膜片疲劳失效，导致输气中断。下面简要分析橡胶膜片疲劳失效的发生过程。

3.1  调压橇橡胶膜片基本情况

（1）主要材质。为丁腈橡胶或氯丁橡胶 。

（2）结构特点。① 环型波纹化结构 ，提高阀芯伸缩空间；② 两面橡胶中夹尼龙布，提高膜片强度。

（3）主要作用。 压差放大，增加有效接触面积，提高阀芯对微小压差的感知灵敏度。          

（4）膜片寿命的影响因素。①厚度与硬度因素：一般厚度越大，硬度越大，刚度越大，抗压能力越强，抗疲劳能力越弱；②结构因素：波纹膜片波纹越陡峭，阀体边缘锐变越明显，应力越集中，越易疲劳；③温度因素：温度过低，橡胶易硬化脆化；温度过高，橡胶易疲劳老化，膜片最佳工作温度15℃～35 ℃；④安装因素：如安装时螺栓紧固力矩、阀芯与阀体同轴度偏差等安装精度的控制等 。

3.2  调压橇疲劳失效过程探析

以失效率较高的DN150  GASCAT调压橇主阀膜片为例，探究疲劳失效的发生过程，揭示膜片疲劳失效形成机理。

（1）分输流量与下游压力的周期性波动。分输站日常输气生产过程中，经过调压橇的瞬时流量以及调压橇的下游压力始终在一个范围内波动，并呈现周期性特征。尤其是在每日计量交接前后，即执行启停输转换的过程中，压力波动幅度最为明显，正常输气生产过程中，下游压力不可避免的波动，迫使调压橇不断地动作，来实现稳定下游压力的效果。

（2）调压橇工作阀反应迟钝与监控阀反应灵敏。正常状态下，监控调压阀处于全开或全闭状态，下游压力主要由工作调节阀通过PID来控制。但工作调节阀因其结构及PID控制方式特点，在实际运行中，其调节作用往往存在着效应迟缓现象。当下游压力发生波动，即使工作调节阀开始动作，也不能立即起到明显的稳压效果。

监控调压阀是纯机械式反馈调节，主阀结构具有对微小压差放大的作用，因而其对下游压力的微小波动感知灵敏。如果监控调压阀与工作调节阀之间的压力级差设定偏小，当下游压力时波动时，工作调节阀的稳压效果还没体现出来，监控调压阀往往就被迫投入辅助稳压工作，阀位开始动态调节。

（3）调压橇监控阀调节过程中的往复震荡。监控调压阀阀门开度的调节过程，是一个动态的稳态调节过程。从一个阀位变换到另一个阀位，不是一次性调整到位，而是以新的平衡位置为渐进线，阀门套筒来回往复震荡的结果，只不过在高频的震荡中，震荡幅度逐渐变小，最终稳定在新的平衡位置附近，达到新的平衡，如图 1所示。

图 1 监控阀阀位开度的震荡调节示意图

（4）调压撬监控阀频繁动作造成膜片疲劳损伤。监控调压阀在频繁的调节过程中，橡胶膜片容易受到拉伸，产生疲劳应力，并且监控调压阀阀门套筒较重、关闭弹簧较粗，开阀阻尼较大。阀芯在开启时容易出现卡滞，此时膜片受到较大压差，进一步加剧了膜片的疲劳损伤。

4  调压橇失效问题的应对策略

4.1  提高运行精细化管理

（1）维持24小时连续分输，避免频繁启停输、开关阀。

（2）积极与用户沟通，争取用户平稳用气。                                          

4.2  科学合理使用调压橇

（1）提高监控阀与工作阀的设定压力级差（0.3 MPa～0.4 MPa）。

（2）用气低谷时，适当下调工作调压阀出口压力设定。

（3）均衡使用主备路，定期切换主备路，让两路均衡经历冬季与夏季分输，不宜过于偏重其中一路。

4.3  定期更换调压橇橡胶膜片

（1）更换周期过短，过度维护，造成人力、物力浪费；更换周期过长，膜片突然失效，分输中断，负面影响较大。

（2）综合现场使用工况及失效数据统计分析结果、结合美国DIA波纹膜片系列理论、国家标准GB/T 20739―2006等因素，合理确定各品牌调压橇橡胶膜片更换周期。GASCAT监控阀主膜片建议更换周期为3～5年，RMG、TARTARINI监控阀主膜为6～7年。

4.4  调压橇失效的应急措施

对于用气要求严苛的用户，当调压撬失效且未能及时获得备件时，为保障供气，可采取临时拆除监控阀阀芯的应急措施来临时恢复供气，待膜片备件到货后再予以更换。

4.5  实施适应性改造

对于频繁失效的调压撬，可履行设计变更程序后，将监控调压阀改造更换为安全切断阀，设置两级切断压力，实现“双切断”，来实现安全平稳供气。

4.6  优化工艺设计

在未来扩建项目中，建议不再采用调压橇而是采用直输方式为用户供气，彻底消除调压橇失效风险。当不得不采用调压橇时，应选用FO（失效开）型监控阀的调压橇，从本质上减小调压橇失效给输气生产带来的影响。

 

作者简介：冯裕祥 ，1988年生，工程师，毕业于西安交通大学，主要从事设备管理工作。联系方式：15155194750 ，646587528@qq.com。