程旭明，王小宁

中国石油长庆油田苏里格南作业分公司（陕西 西安 710018）

在油气开采和集输过程中，气动球阀是生产运行的重要设备。苏南C1集气站在用气动球阀共48个，由电和气供给控制阀门开启、关闭，电路和气路故障均会造成阀门异常关断。该气站自2012 年投运以来，气动球阀异常关断共计56 次，近两年故障率有所下降，但仍时有发生。为保证集气站内气动球阀不再因气源故障异常关断，保障生产平稳运行，全面分析解决阀门异常关断，成为目前一项重要的课题。

1 气动球阀及执行机构的原理和工作方式

1.1 气动球阀及执行机构结构组成

气动球阀由截止阀演变而来，其旋塞体为球体，通道是通过其轴线的圆形通孔，压缩气体作为动力驱使球体产生转动力矩实现阀门开关，旋转90°，在流体进出口处全部呈现球面或通道，实现截断或导通流体。气动球阀需要配置执行机构完成操作，其附件有：电磁阀、仪表风、两位三通阀、减压过滤器等，可分别实现现场和远程控制，避免特殊工况下手动控制带来的危险，提高了操作安全性，同时很大程度节省了人力和时间。气动球阀具有阀体结构紧凑、易于远程控制和操作、开关灵活、密封面与球面无缝配合、不易被介质冲蚀、适用于天然气工作介质的特点。

1.2 气动球阀及执行机构工作原理

气动球阀的作用机理：正常情况下串联2 个常闭式控制开关的24 V 控制线路闭合,UPS 正常向电磁阀供电,电磁阀打开,压缩气体充满执行机构腔体,活塞压缩腔体内弹簧,齿轮联动机构带动阀杆转动,阀门开启。当触发程序的自动控制或者控制开关的手动控制,电磁阀断电关闭,并将执行机构腔体内的气体排出,腔体内弹簧复位,齿轮联动机构带动球阀阀杆转动,阀门关闭。

2 气动球阀异常关断故障原因分析

2.1 电路故障

2.1.1 UPS失电

气动球阀由电、气两路同时控制阀门开闭，电路故障有着响应时间短、影响范围大等特点。而电路故障中最关键且最常见的为UPS失电。

站内所有在用气动球阀通过机柜间UPS 给阀门电磁阀指令，供电正常时UPS 蓄电池处于充电状态，当停电时，UPS蓄电池处于供电状态。如蓄电池发生馈电，则电磁阀得不到指令，阀门即会关断。

2.1.2 空压机断电停机

供电正常时，空压机产生的压缩空气通过仪表风管线为气动球阀提供开启阀门的动力，当停电时，空压机停机，造成压缩空气供给不充足，从而导致阀门关断。

2.2 气源供给不足

压缩机产生压缩空气通过仪表风管线给气动球阀提供动能，空气进入执行机构气缸顶开弹簧使阀门开启，气体泄放，阀门关闭。当气源供气不足，气源压力低于阀门开启要求压力，阀门不会开启。

2.3 阀门卡阻

2.3.1 阀体内部球面卡阻

阀门卡阻会造成球阀长期停留在一个状态而不改变开关状态，阀门关断属于其中一种。阀门卡阻主要由两方面原因导致，分别是阀体内部球面卡阻和气动执行机构卡阻。

阀门长时间与介质接触，阀芯、阀杆及内壁处均附着一层约0.5 mm的硬质水垢。以经验判断，该水垢使球面和密封面线密封阻力增大，故阀门开启受阻，阀门异常关断。这与流体介质的性质有很大关系。在秋冬季节，如果保温或伴热效果不佳，流体介质在低温高压的环境中极容易产生结晶现象，凝结形成水合物，造成阀体卡滞从而造成阀门内部球面卡阻。有时流体中会携带丝状物或磁性物质等工艺杂质，容易在阀芯处堆积，引起球阀动作不畅甚至卡阻。

2.3.2 气动执行机构卡阻

气动执行机构是通过阀杆和销钉带动阀体转动的机械执行机构。当执行机构卡阻时，阀体不会动作，阀门会长时间处于固定状态，关闭属于其中一种状态。

产生此种卡阻的一项重要原因是由于阀杆O型密封圈失效，从而造成压缩空气漏失，阀门开启压力不足，执行机构卡住，阀门关断。

2.4 设备因素

为气动球阀提供压缩空气的上游设备是空压机，空压机产生的压缩空气经由储气罐至干燥塔进行干燥后再进入下游仪表风管线内，空压机和干燥塔均属于动力设备，干燥塔故障为空压机故障的主要原因。

2.5 环境因素

2.5.1 自然环境因素

环境因素分为自然环境因素和环境温度因素两类。其中自然环境因素是由沙粒、粉尘影响构成。苏里格南C1集气站地处毛乌素沙漠边缘，风沙大、扬尘多，沙尘杂质进入执行机构三位两通阀构件内，堵塞通道，造成气流无法正常流动，阀体无法正常开启，从而阀门异常关断。

2.5.2 环境温度因素

苏里格南C1集气站早晚温差较大，冬季环境温度低至-20°～-30°，低温会影响密封圈的延展性，造成密封圈密封性能大幅度下降。减压过滤器为控制调节气体压力的关键设备，由于长期处于室外，密封圈失效，气体泄放，从而导致压力不足，气动球阀异常关断。

综上，气动球阀异常关断的因素主要由电路和气路两类构成。气路影响造成阀门异常关断的比例较大。

3 故障解决方案及其实施过程

3.1 电路故障解决方案

3.1.1 UPS失电解决方案

由于UPS 主要由蓄电池供电，故在每年检修中会检查蓄电池及UPS 的运行状况及使用寿命，及时更换受损电池，确保供电正常。

3.1.2 空压机断电停机解决方案

为解决此问题，站内配备了一台柴油发电机组，当停电时，启动发电机为站内设备供电，可实现空压机重新工作。

3.2 气源供给不足解决方案

此问题是由供气压力调节不足产生。首先，统计全站在用气动球阀压力标定数值及相应压力下阀门开闭状态。在停产检修期间，选择进站干管区进站气动球阀（管径DN200 mm）、分离器出口气动球阀（DN300 mm）、螺杆泵区排液气动球阀（DN50 mm）3 种阀门进行测试，将供气压力设置到206.8 kPa（30 psi）以下，观察阀门开启情况（表1）。

表1 206.8 kPa以下各区域阀门开关次数统计

试验结果表明，3 种不同管径的气动球阀分别控制气、液2 种介质，当压力在206.8 kPa（30 psi）以下时，阀门开启压力不足，介质不能流通造成上下游压差，阀门关闭，所以供气压力不足严重制约气动球阀正常开启。

找到关键要素后，按照《BETTIS 执行器操作说明》实施压力标定作业。将集气站所有气动球阀的供气压力标定在344.7～482.6 kPa（50～70 psi），不低于275.8 kPa（40 psi）。

3.3 阀门卡阻解决方案

3.3.1 阀体内部球面卡阻解决方案

生产中发现，集气站分离器排液气动球阀经常因为阀体球面结垢产生卡阻，拆下阀体，用工业醋酸或除垢剂浸泡后清除水垢，在阀芯表面涂覆一层光滑的聚四氟乙烯材料或均匀涂抹防腐涂层，从而整体提高球阀的抗腐蚀性和密封性[1]。

对于阀体因水合物造成卡阻的，使用移动注入甲醇融化水合物方法，但阀体内部水合物堆积严重时，则需要拆解球阀进入阀内部清除水合物，同时在阀体外部增设夹套和必要的保温伴热，使阀芯周围温度保持在介质能够流动的状态。

对于阀体因杂质在阀芯堆积造成卡阻，拆解球阀，用人工手动清除杂质，可以在阀前部安装合适的滤网并定期清洗，从而有效减少因杂质混入造成的阀体卡滞。

3.3.2 气动执行机构卡阻解决方案

针对由于阀杆O 型密封圈失效，阀杆空气漏失造成的卡阻，统计全站因阀杆O 型圈密封不严阀门开关状态及故障次数。在试验统计中发现，2#分离器排液气动调节阀、3#分离器排液气动阀均发生过不同程度的阀杆O型圈密封不严的情况。当大量原本供给阀位开关的压缩气体从O 型圈处漏出时，气缸内气压不足，无法顶开阀门，阀门关闭。

拆解执行机构阀杆和阀体连接，更换或取出损坏或脱落的O型密封圈，并涂抹密封脂进行封堵。

3.4 设备因素解决方案

空压机作为气动球阀气源提供设备，常因干燥塔故障造成供气压力快速降低和阀门异常关断。

针对此故障，解决方案为统计干燥塔主要故障原因和频次及各故障阀门开闭状态。苏里格南C1集气站使用的干燥塔分为“一用一备”2套设备。空气压缩机产生的压缩气体通过管线进入储气罐后由管线进入干燥塔内，通过与干燥介质结合消除压缩空气中的水蒸气，通过仪表风管线供下游阀门设备使用，在冬天避免因水汽残留在仪表风管线中造成冻堵。干燥塔由电磁阀、梭阀、干燥塔、再生塔、控制箱组成。在生产中发现，梭阀有时会因为不归位造成干燥塔和再生塔之间无法自由切换，导致下游供气压力降低，电磁阀则会因为其自身故障造成一直非正常排气，导致储罐压力迅速下降，而空压机运行生产的压缩气体量低于非正常排气量，从而造成下游供气不足，阀门异常关断[2]。

在检修中对梭阀和电磁阀故障是否能造成阀门关闭进行试验并统计，发现梭阀和电磁阀故障均会导致仪表风系统管线压力持续降低，直到站内所有阀门完全关闭。

1）整改干燥塔附属设备故障。梭阀阀芯为滑动摩擦，由于压缩空气中含有污垢(油、水、灰尘等)，造成阀芯卡阻,致使干燥塔不能正常切换。在阀芯的4 个滑动支腿上钻孔、加装钢球变滑动摩擦为滚动摩擦，变面接触为点接触。技改后，其摩擦阻力大大减小，阀芯在阀座内活动自如[3]，如图1所示。

图1 梭阀技改图

及时更换失效的电磁阀，是解决电磁阀故障的有效手段。

2）对仪表风管线进行技术改造。年度检修期间，在苏里格南C1集气站所有气动球阀进气的仪表风管线上增加单流阀（图2）。加装单流阀后，当仪表风球阀有微微漏气时，气动球阀气缸里的压缩空气仍在气缸存留，没有从漏点泄放，从而气动球阀不会出现关闭现象。

图2 气动球阀进气仪表风管线技改示意图

3）利用数字化系统对管线供气压力进行监控。年度检修时，在干燥塔下游管线上增加一台压力变送器。同时在值班室站控电脑上增加声光报警参数，空压机下游管线压力位号PT_1102，高报设定为1.25 MPa，低报设定为0.65 MPa。在干燥塔出口管线增加压力变送器后，通过对比净化空气总管线压力和净化空气下游管线压力可得出储气罐进出口差压从而可实时监测压力数据。声光报警的设置，实现了在值班室实时掌握压力变化情况，当压力超出范围，则会报警。

3.5 环境因素解决方案

3.5.1 自然环境因素解决方案

三位两通阀是执行器连接电磁阀和气缸的关键设备，其在气动执行机构中的主要作用是导通或切断气源，从而改变气流方向，最终实现气动执行机构动作。常见开关型气动执行机构动作原理如如图3所示[4]。

图3 开关型执行机构开、关阀原理

开阀动作：电源开关b 触点吸合，电源开关a 触点断开。电磁阀SOL2 得电换向，电磁阀SOL1 失电换向。主气源由电磁阀SOL2 进入气缸有杆腔，气缸活塞杆拉动阀杆向左动作，气缸无杆腔内气流经SOL1排空，阀门打开。

关阀动作：电源开关a 触点吸合，电源开关b 触点保持断开不变。电磁阀SOL1 得电换向，电磁阀SOL2保持失电状态不变。主气源由电磁阀SOL1进入气缸无杆腔，气缸活塞杆推动阀杆向右动作，气缸有杆腔内气流经SOL2排空，阀门关闭。

环境中的水和砂子杂质在阀腔体中会堵塞出口，造成阀位不通，影响阀门开关。整改措施：将三位两通阀的放空管变为弯管，使得水和砂子不易进入腔体，从而改善因三位两通阀故障造成阀门关断的情况。

3.5.2 环境温度因素解决方案

统计对比近4年站内减压过滤器故障分类及数量。解决方法为及时更换新型的漏气减压过滤器。由于新型的减压过滤器下端有放气阀，可以及时吹扫水汽和杂质，使得过滤器内不存留杂质，从而解决漏气的问题[5]。

4 方案实施成果

4.1 电路故障解决方案实施成果

4.1.1 UPS失电解决方案实施成果

利用每年检修中检查蓄电池及UPS 的运行状况及使用寿命信息，及时更换受损电池，确保供电正常。因UPS 蓄电池馈电导致电信号无法传输至电磁阀的问题每年都在递减，2017年以后已完全解决并消除。

4.1.2 空压机断电停机解决方案实施成果

C1集气站配备了一台高功率柴油发电机，当停电时，立即切换到备用发电机组，完全实现供电，此方案实施效果达成。

4.2 气源供给不足解决方案实施成果

按照《BETTIS 执行器操作说明》对苏里格南C1集气站所有气动球阀重新实施压力标定作业后，所有气动球阀供气压力充足，无一台气动球阀因标定压力原因异常关断，关断率降至5%以下，对策目标实现。

4.3 阀门卡阻解决方案实施成果

4.3.1 阀体内部球面卡阻解决方案实施成果

通过清除阀体内的水垢、利用甲醇和伴热等方法消除阀芯水合物堵塞、通过拆解阀体将杂质取出这3 项举措，有效地解决了阀体内部球面卡阻的问题，方案目标实现。

4.3.2 气动执行机构卡阻解决方案实施成果

通过更换受损或脱落的O 型密封圈，并且涂抹密封脂，有效地实现了阀杆空气不漏失，执行机构动作灵活的目标。

4.4 设备因素解决方案实施成果

新的梭阀、电磁阀安装完成后，对干燥塔进行投运前调试，试运行状态良好，运行6 个月，每月监控运行情况。

2018 年下半年梭阀和电磁阀的故障次数均各有一次，小于总数3次的目标值。

对仪表风管线进行技改，在进口增加单流阀，实施后只有进站干管区的一处单流阀因故障出现气体回泄，全站共48 台气动球阀，回泄率为2%，故气动球阀气缸的压缩气体回泄率降至5%以下，方案目标实现。

通过在干燥塔下游管线增设压力变送器，在站控增设声光报警，可实时掌握压力变化的情况。当管线压力异常时，站控报警率达到100%。

4.5 环境因素解决方案实施成果

4.5.1 自然环境解决方案实施成果

对三位两通阀进行整改，将三位两通阀的放空管变为弯管，使得水和砂子不易进入腔体。通过近3年数据统计对比，苏里格南C1集气站因三位两通阀故障造成气动球阀异常关断的次数明显下降。

4.5.2 环境温度解决方案实施成果

苏里格南C1 集气站在检修期间检查记录站内漏气的减压过滤器，通过更换安装下端装有放气阀的新型减压过滤器，及时吹扫水汽和杂质，使得过滤器内不存留杂质，彻底解决了因漏气导致气动球阀异常关断的问题，效果显著。

4.6 总体效果

2017 年C1 站因气源故障异常关断的气动球阀为6 个，对策实施后，2018 年C1 站因气源故障异常关断气动球阀为2 个。异常关断率由对策实施前12.5%降至实施后4.16%，降低至目标值5%以下，现状得到明显改善。

气动球阀开关频次减少，使空压机不会长时间运行，延长了空压机的使用寿命。气动球阀损坏率下降，生产设备、管理成本降低。阀门异常关断率大幅下降，使集气站憋压从而产生安全隐患的几率大大降低，提升了安全系数。

5 措施巩固

为巩固效果，针对上述关键对策，制定了以下标准（表2）。

表2 项目巩固形式及标准

6 结束语

在对气动球阀异常关断的原因分析、方案制定及实施、成果检验和措施巩固的过程中，5类造成气动球阀异常关断故障对策的实施，可以解决现有集气站气动球阀异常关断的问题，从而大大降低了气动球阀异常关断的风险，提高了设备的使用寿命，消除了生产隐患，对集气站的正常安全生产提供了有力的技术支撑。同时为其他集气站设备的工艺优化提供了更安全、有效的建议。