胡恒進(jìn) 賈海平, 石 磊 王大為 郝 瑾, 尹志福

（1.陜西燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，陜西 西安 710016；2.陜西燃?xì)鈨?chǔ)運(yùn)及綜合利用工程研究中心，陜西 西安 710016；3.陜西燃?xì)饧瘓F(tuán)富平能源科技有限公司，陜西 渭南 711700；4.陜西省表面工程與再制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

0 引言

甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，是溫室效應(yīng)超過二氧化碳數(shù)倍的強(qiáng)效溫室氣體，天然氣中甲烷控排是減緩全球變暖的關(guān)鍵策略之一，閥門泄漏是造成天然氣輸氣站甲烷泄漏的關(guān)鍵因素。閥門是輸氣站場(chǎng)中使用最為廣泛的裝置部件之一，在裝置配管設(shè)計(jì)中正確選用、使用和維護(hù)閥門，對(duì)保證輸氣站各裝置正常運(yùn)行十分重要。在長期生產(chǎn)運(yùn)行中，因密閉性不好或出現(xiàn)故障，將會(huì)對(duì)安全平穩(wěn)輸供氣帶來安全隱患，還會(huì)影響氣質(zhì)達(dá)不到管輸要求。

針對(duì)輸油/輸氣站閥門排放控制失效問題，研究人員[1-3]研究從閥的結(jié)構(gòu)原理、操作方式和維護(hù)保養(yǎng)等方面對(duì)排污閥故障原因進(jìn)行分析以降低排污閥的故障率，并提出了預(yù)防閥門保養(yǎng)和維護(hù)等有關(guān)措施。劉健等[4]和馬玉寶等[5]通過分析輸氣站場(chǎng)閥門失效因素，建立了以閥門失效為事件的失效故障樹，采用多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法，開展了失效因素分析和可靠性評(píng)價(jià)。付安慶等[6]分析了西部某氣田天然氣管路球閥發(fā)生開裂泄漏事故的原因，認(rèn)為螺紋根部存在應(yīng)力集中和鑄造閥體存在缺陷，導(dǎo)致閥體承壓狀態(tài)下沿晶脆性斷裂。

本文對(duì)某天然氣輸氣站內(nèi)甲烷控排失效閘閥進(jìn)行理化性能檢測(cè)與分析，同通過有限元方法對(duì)閥套閥芯的腐蝕與磨損導(dǎo)致的密封問題進(jìn)行了建模與計(jì)算，模擬結(jié)果對(duì)延長控排閘閥的安全使用壽命具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 報(bào)廢閘閥失效分析

1.1 基本概況分析

本研究對(duì)象是陜西境內(nèi)天然氣輸氣站內(nèi)甲烷控排失效閘閥，采用的是中口徑閥門，公稱通徑DN50mm，采用閥體法蘭連接管道，公稱壓力為PN10MPa。閘閥是指啟閉體（閥板）由閥桿帶動(dòng)閥座密封面作升降運(yùn)動(dòng)的閥門，可接通或截?cái)嗔黧w的通道。本項(xiàng)目涉及的閘閥閥體材料是碳素鋼（美國牌號(hào)WCB，國內(nèi)牌號(hào)ZG250-485）鑄件。天然氣輸氣站內(nèi)甲烷控排失效閘閥，內(nèi)部的閥套閥芯存在腐蝕磨損，導(dǎo)致控排的密封不嚴(yán)。

1.2 閘閥檢測(cè)與失效分析

1.2.1 成分分析

閥體材質(zhì)為WCB碳素鋼，一般應(yīng)用于腐蝕極輕的水、油和氣的介質(zhì)環(huán)境；閥芯閥座采用2Cr13馬氏體不銹鋼，具有高硬度、良好的耐磨性和強(qiáng)度，其化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果如表1所示。閥體、閥芯閥座分別對(duì)照GB/T 12229-2005和GB/T 1220-2007，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求；

1.2.2 顯微組織

通過閥座、閥芯的金相制樣和觀察，其顯微組織為較粗大馬氏體和鐵素體，如圖1所示。

1.2.3 顯微硬度

閥芯閥座材料2Cr13鋼的試驗(yàn)加載負(fù)荷為200gf，保荷時(shí)間為15s，其維氏硬度度平均值為193；

1.2.4 形貌表征

（1）宏觀特征

針對(duì)永樂輸氣站閘閥進(jìn)行了切割，觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)（閥芯、閥套、閥座等）、腐蝕、磨損狀況，如圖2和圖3所示。

圖2 輸氣站控排閘閥的手輪、閥芯、閥座、閥體的宏觀特征

圖3 輸氣站控排閘閥的閥芯、閥套、閥座的宏觀特征

由圖2觀察，進(jìn)氣口和排氣口的端面由封面墊圈與輸氣站管線或設(shè)備連接，存在一定程度腐蝕。內(nèi)部進(jìn)出口通道形成了較嚴(yán)重的沖刷腐蝕特征，尤其是彎道區(qū)域，但壁厚較大且天然氣為干氣介質(zhì)，基本不會(huì)有服役安全問題。

由圖3觀察，閥蓋下表面存在不同程度的腐蝕，閥芯密封圈良好，閥芯下端部表面有輕微的腐蝕磨損特征，閥套外表面有較嚴(yán)重的磨損和腐蝕現(xiàn)象，是由天然氣中含有的極微量的H2O、較高CO2和微量H2S等侵蝕性氣體以及氣體含有極少量的沙土沖擊引起。靠近閥套進(jìn)出氣口附近區(qū)域腐蝕更為明顯，閥座局部發(fā)生了顯著的減薄特征，可看到有明顯的沖刷腐蝕痕跡；

（2）微觀特征

圖4為閥座失效樣品兩個(gè)部位的微觀形貌（×200倍）。閥座外側(cè)面和內(nèi)表面進(jìn)行微觀觀察，外表面存在磨損條紋狀，內(nèi)表面腐蝕程度較重。

圖4 輸氣站控排閘閥的閥座試樣微觀形貌

圖5為閥芯失效樣品兩個(gè)部位的微觀形貌（×200倍）。閥芯的內(nèi)表面存在磨損劃痕，局部腐蝕較嚴(yán)重；其外側(cè)面損傷劃痕處腐蝕較嚴(yán)重。其表面腐蝕產(chǎn)物為碳酸亞鐵和鐵的氧化物等主要物質(zhì)。

圖5 輸氣站控排閘閥的閥芯試樣微觀形貌

2 閥門泄漏路徑仿真

由于閥體是鑄造成形，閥芯和閥座機(jī)構(gòu)也比較復(fù)雜，直接用有限元軟件建立模型比較困難。本文先通過三維軟件建立功能部分模型，再導(dǎo)入到有限元仿真軟件進(jìn)行計(jì)算。

2.1 閘閥泄漏路徑建模

2.1.1 三維結(jié)構(gòu)建模

本輸氣站控排閘閥的實(shí)際結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如表2所示。針對(duì)其主要功能部分的閥體、閥套和閥芯建立三維結(jié)構(gòu)模型如圖6所示，裝配后閥體內(nèi)部沿中面剖開的剖視圖如圖7所示。

表2 閥芯和閥套模型參數(shù)

圖6 控排閘閥閥體、閥套、閥芯的三維建模

圖7 控排閘閥閥體剖面的三維建模

2.1.2 有限元模型建立

為了探究控排閘閥在流固耦合條件下的性能，假設(shè)天然氣流速10m/s條件下，基于abaqus軟件的歐拉-拉格朗日流固耦合算法（CEL），對(duì)實(shí)際工況下天然氣流經(jīng)對(duì)閥套和閥芯腐蝕和磨損的影響規(guī)律，將三維閥體模型導(dǎo)入到有限元仿真軟件中，進(jìn)行各部分材料參數(shù)設(shè)置與裝配。

（1）材料參數(shù)設(shè)置

為了保證計(jì)算效率，閥體部分采用剛體建模，連接部、法蘭和腔體等與質(zhì)量點(diǎn)與相耦合，歐拉體形狀根據(jù)閥體決定。剛體部分不參與計(jì)算，可以不設(shè)置材料參數(shù)；閥芯和閥套設(shè)置為2Cr13不銹鋼材料，具體材料參數(shù)如表2所示；

（2）單元類型的選擇及網(wǎng)格劃分

由于計(jì)算結(jié)果對(duì)流體域網(wǎng)格大小較為敏感，為此對(duì)整個(gè)流體域分區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。閥體、閥芯和閥套采用四面體網(wǎng)格劃分，歐拉體部分用六面體網(wǎng)格劃分。在穩(wěn)態(tài)條件下，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，相對(duì)誤差逐漸減小；

（3）接觸類型和邊界條件

在仿真天然氣流經(jīng)閥體時(shí)，氣體對(duì)閥體、閥套和閥芯必然會(huì)產(chǎn)生一定力學(xué)作用，天然氣和閥各部分的作用通過接觸面來實(shí)現(xiàn)，需要設(shè)置天然氣和閥體之間的接觸方式，同時(shí)天然氣自身也相互作用，可選擇通用接觸算法，為了防止氣體穿透選擇硬接觸方式。邊界條件需要固定閥體、閥套和閥芯，給定流體初始速度假設(shè)10m/s，定義重力場(chǎng)為9.8m/s2。

2.2 閘閥泄漏路徑仿真分析

在閥門完全打開狀態(tài)下，天然氣以高流速流入閥體，沖擊閥套和閥芯后再流出閥體，長時(shí)間沖蝕作用會(huì)造成閥芯和閥套的磨損和腐蝕，最終造成閥門失效，如圖8所示。

圖8 天然氣流經(jīng)閘閥模擬過程

（1）閥套磨損與腐蝕分析

天然氣從閥門入口處沖入，首先沖擊到閥套，逐漸形成沖擊應(yīng)力，隨著時(shí)間推移沖擊應(yīng)力逐漸增大，在0.02s時(shí)達(dá)到最大；從0.03s開始，最大應(yīng)力值并沒有出現(xiàn)在閥套壁上，而是出現(xiàn)在閥套底部與閥芯接觸部分，具體受力云圖如圖9所示。

圖9 不同時(shí)刻閥套受力云圖

為了進(jìn)一步分析天然氣對(duì)閥套底部進(jìn)氣口的沖擊和腐蝕，將閥套沿中間截面剖開，進(jìn)氣口處應(yīng)力云圖，如圖10所示。從0.03s開始，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在底部進(jìn)氣口，隨時(shí)間推移，進(jìn)氣口的應(yīng)力最大值越來越大，應(yīng)力分布的范圍有擴(kuò)大趨勢(shì)，說明閥門在工作過程中，閥套進(jìn)氣口受到天然氣沖擊和腐蝕越來越嚴(yán)重；

圖10 不同時(shí)刻閥套進(jìn)氣口應(yīng)力云圖

（2）閥芯磨損與腐蝕分析

閥芯與閥套進(jìn)氣口是控制天然氣是否能通過閥門的主要功能部件，當(dāng)閥芯進(jìn)入閥套進(jìn)氣孔時(shí)，將阻斷天然氣通過閥門，當(dāng)閥芯遠(yuǎn)離閥套進(jìn)氣孔時(shí)，天然氣通過進(jìn)氣孔流入閥套內(nèi)部，再流出到下一個(gè)管道中，閥門導(dǎo)通。

根據(jù)閥門的結(jié)構(gòu)，盡管閥芯遠(yuǎn)離進(jìn)氣孔，閥門打開，但是高速流動(dòng)的天然氣通過進(jìn)氣孔時(shí)第一時(shí)間沖擊到了閥芯錐形體，不同時(shí)刻天然氣對(duì)閥芯沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力，如圖11所示。在0～0.02s之間時(shí)，天然氣還沒通過進(jìn)氣孔，此時(shí)閥芯錐形體上沒有應(yīng)力產(chǎn)生，但閥芯的底座與閥套接觸，此時(shí)閥套正受到天然氣沖擊產(chǎn)生一定變形，從而影響閥芯底座上產(chǎn)生較小的應(yīng)力。在0.03～0.05s之間時(shí)，天然氣通過閥套上的進(jìn)氣孔進(jìn)入閥套內(nèi)部，并直接沖擊上閥芯上的錐形體，隨時(shí)間推移，沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力有沿錐形體逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)。

圖11 不同時(shí)刻的閥芯受力云圖

為了進(jìn)一步分析天然氣對(duì)閥芯錐形體的沖擊和腐蝕，將錐形體局部放大，如圖12所示。從0.03s時(shí)，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在錐形體底部，且應(yīng)力分布不均勻，隨時(shí)間推移，進(jìn)氣口的天然氣逐漸變得比較穩(wěn)定，對(duì)錐形體的底部的沖擊逐漸均勻，應(yīng)力最大值越來越大，應(yīng)力分布的范圍有擴(kuò)大趨勢(shì)。說明閥門在工作過程中，閥芯受到天然氣沖擊和腐蝕越來越嚴(yán)重，最終將造成閥門不能完全阻斷天然氣。

2.3 閘閥仿真和實(shí)際情況對(duì)比分析

仿真獲得閥座進(jìn)氣孔、閥套內(nèi)壁和閥芯錐形體的沖擊腐蝕情況與實(shí)際閥門中的相應(yīng)組件進(jìn)行對(duì)比，以及閥體進(jìn)氣孔進(jìn)行對(duì)比，分別如圖13和圖14所示。在進(jìn)氣孔璧面、閥套內(nèi)壁、閥芯錐形體上均有比較嚴(yán)重的沖擊和腐蝕，仿真結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合，說明仿真獲得的結(jié)果比較復(fù)合生產(chǎn)實(shí)際，數(shù)據(jù)可靠。

圖13 閥座進(jìn)氣孔空的實(shí)際與仿真比較

圖14 閥套底部內(nèi)壁、閥芯錐形體的實(shí)際與仿真比較

為了延長閥門的使用壽命，可以通過兩個(gè)途徑來實(shí)現(xiàn)：①改變進(jìn)氣孔和閥芯錐形體的結(jié)構(gòu)，使天然氣不能直接沖擊到進(jìn)氣孔內(nèi)壁和閥芯錐形體外壁，減小沖擊和腐蝕；②在天然氣直接沖擊的進(jìn)氣孔和閥芯錐形體上進(jìn)行表面合金化或表面涂層技術(shù)處理，增加其抗腐蝕和抗沖擊損傷能力。

3 結(jié)語

（1）進(jìn)氣口和排氣口的端面存在一定程度腐蝕，內(nèi)部進(jìn)出口通道形成了較嚴(yán)重的沖刷腐蝕特征，閥芯下端部表面有輕微的腐蝕磨損特征，閥套外表面有較嚴(yán)重的磨損和腐蝕現(xiàn)象，閥座局部發(fā)生了顯著的減薄特征，是由天然氣中含有的極微量的H2O、較高CO2和微量H2S等侵蝕性氣體以及氣體含含有極少量的沙土沖擊引起；

（2）天然氣對(duì)閥套底部進(jìn)氣口的沖擊和腐蝕，從0.03s開始，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在閥套底部進(jìn)氣口，隨時(shí)間推移其進(jìn)氣口的應(yīng)力最大值越來越大，應(yīng)力分布范圍有擴(kuò)大趨勢(shì)；

（3）在0～0.02s時(shí)，閥芯錐形體上沒有應(yīng)力產(chǎn)生，但閥座與閥套接觸影響到閥座產(chǎn)生了較小應(yīng)力；在0.03～0.05s時(shí)，天然氣進(jìn)入閥套內(nèi)部并直接沖擊閥芯錐形體，隨時(shí)間推移，沖擊產(chǎn)生應(yīng)力有沿錐形體逐漸擴(kuò)大趨勢(shì)。