节流阀在塔里木油田应用中的几个问题

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)塔里木油田公司 作者:汪旭东

  本文从节流阀流量特性、节流阀的结构、执行机构的动作、节流阀笼套材料四个方面论述了国外知名公司节流阀在塔里木油田的使用状况。在四种表现中,节流阀流量特性不匹配对阀的使用性能影响最为突出,应特别注意额定流量系数的选择,重视阀的流量特性与气井流量特性的匹配。

  节流阀(俗称油嘴)是用于高压、大流量气田开采节流的特殊专用装置,为适应塔里木油田高压高产气田的恶劣工况,均使用国外知名公司的产品,进口的节流阀平均价格在5万美元以上。但在实际使用中,这些阀无一例外出现了不同程度的冲蚀磨损、冲蚀失效,存在着稳定性差、失效周期不确定等缺陷。塔里木油田使用的节流阀主要类型有两种,一是外套—笼套式;二是笼套—柱塞式,两种节流阀都以水压能量消耗原理为基础,利用外套在笼套上滑动(或柱塞在笼套内滑动)产生不同的过流面积来控制流量与压力。

  为保证高压高产气田源源不断地为“西气东输”管道输送天然气,对节流阀在塔里木油田使用中出现的问题应进行认真的研讨。

1、节流阀流量特性不匹配

  节流阀流量特性不匹配主要有两方面,一是流量系数Cv与气井的产量不匹配;二是节流阀的流量特性曲线与气井的流量特性不匹配。

1.1、节流阀流量系数Cv与气井的产量不匹配

  最典型的实例为3口井用的A公司节流阀,其特征是:长期在小开度下运行且产量波动大。三口井的基本状况见表1。

表1 A-3、A-8、-14井基本状况

A-3、A-8、-14井基本状况

  从表1可看出,A-3和A-8井节流阀长期在小开度下工作,若按该态势发展,有可能出现节流阀开度为零,而产量不为零的现象。节流阀长期在小开度下运行是使用的最大禁忌,这将大大降低节流阀的寿命。正确的方法是让节流阀一开始就尽量在最大开度上工作,如90%。这样冲蚀等破坏发生在阀笼套前部。随着笼套孔逐步被破坏,流量增加,阀再关小一点,不断破坏,逐步关闭,使整个笼套全部得到利用。有资料指出,大开度工作时过流面积大,冲蚀减弱,可比一开始让阀在中开度和小开度上工作提高寿命1~5倍以上。如某化工厂采用此法,阀的使用寿命提高了2倍。

  对于A-3、A-8井,小开度下工作和产量波动的主要原因是,额定流量系数Cv值与井的实际流量不匹配,即阀的Cv280选大了,也即阀的口径选大了。流量系数又称流通能力,是节流阀选型的主要参数之一。在节流阀计算时,可用两种流量系数,一为公制,另一为英制。两种定义分别如下:AV定义(公制):为节流阀全开时,阀两端压差为0.1MPa,流体密度1g/cm3,每小时流经节流阀的流量数,以t/h表示单位;Cv定义(英制):当节流阀全开时,阀两端压差为1磅/英寸2,介质为60°F清水时,每分钟流经节流阀的流量数,以加仑/分计。

1.2、阀的流量特性曲线与气井的流量特性不匹配

  对于A-14井,进口压力较高(50~52Mpa)、日产量较低(通常为55万方),阀的额定流量系数Cv值=70是较恰当的(见表1)。但节流阀仍然在小开度下运行,产量照样波动,显然,不仅是阀的口径选择不当,而是阀的流量特性与气井的流量特性不匹配的问题。

  阀的流量特性是指介质流经节流阀时相对流量与相对位移(即开度)间的关系,具体体现在笼套中孔的大小、数量及分布规律。当孔的大小、数量和分布规律发生变化时,阀的流量特性亦随之而改变。节流阀理想的流量特性曲线如图1(a)所示,有快开型、直线型(线性)、抛物线型、等百分比型、双曲线型和修正抛物线型。用得最多的是直线型和等百分比型,有许多种调节阀的流量特性居于直线型与等百分比型之间。

  图2为A公司节流阀笼套的失效照片并标出了1、2、3、4、5排孔,1、2、3排孔损坏严重,尤以1排孔最甚。这是长期小开度运行造成的,意味着第3排孔对应的开度已满足实际流量要求,而第4排孔所对应的流量将超过实际流量,显然,第4排孔以后的开度范围均起不到调节作用,如果把笼套上的孔改小一些,或把孔的数量减少一些,则实际流量要求的开度范围会加大,阀的寿命由此而延长。

理想流量曲线及三种阀的开度与过流面积曲线

图1 理想流量曲线及三种阀的开度与过流面积曲线

A公司节流阀笼套失效状况

图2 A公司节流阀笼套失效状况

2、节流阀结构各不相同

  塔里木油田使用了两种结构形式的节流阀,一种是外套—笼套式节流阀,以A公司和C公司的产品为代表;另一种是笼套—柱塞式节流阀,以B公司产品为代表。由于结构形式不统一,由此引起使用性能不同,失效特征亦不同。

2.1、外套—笼套式节流阀使用特性

  该种节流阀,笼套与外套均为悬臂安装,对中要求较高,外套与笼套间的间隙较大,形成较大的环隙流动,外套移动后,在笼套上形成了凹陷的外径表面,改变了介质流体力学特性,易形成扰流,引起冲蚀磨损。外套—笼套式节流阀的冲蚀磨损主要在笼套外表面,损伤较严重。

2.2、笼套—柱塞式节流阀使用特性

  该种节流阀,由于笼套嵌装在阀体中,刚度好,且有径向密封,能在一定程度上减少环隙流动;笼套外径无凹陷或凸部,能有效减少扰流的产生;笼套与柱塞间的间隙较小,对中性较好。笼套—柱塞式节流阀的冲蚀磨损主要在笼套内表面。从总体损伤程度看,笼套—柱塞式节流阀要比外套—笼套式节流阀损伤要轻一些。

3、执行机构动作不确定

  执行机构动作的不确定是指:(1)执行机构结构不同对节流阀正常工作造成波动;(2)输入信号可能受到干扰;(3)执行机构没有很好标定;(4)执行机构位移后没有锁定;(5)节流阀的流量系数Cv值不匹配,Cv值过大时波动越突出;(6)系统内部可能存在渗漏等。

  节流阀由阀体和执行机构两部分组成。执行机构可以是手动、气动、电动和液动,气动、电动和液动执行机构可根据自动化系统中的控制信号,自动调节阀门的开度,实现对流量、压力、温度和液位的调节。塔里木油田主要使用的执行机构有手动、电动和液动,其表现为:

3.1 手动执行机构节流阀开度平稳

  手动执行机构节流阀投用以来,开度一直平稳。因每次节流阀开度调节后,需要上紧锁紧螺母,阀的开度处于保位状态,手动执行机构能够把开度锁定。但是,开度读取不够准确,因为节流阀手轮上的刻度套不便于读取,且容易转动,零刻度不易校对。

3.2 电动执行机构节流阀开度波动不明显

  电动执行机构节流阀投用以来,读取的开度一直较平稳。电动执行机构节流阀开度变化小的原因与位移的传动机构有关,如果传动副为螺旋—螺杆的话,由于螺杆的自锁作用,能够较好地避免因振动而引起开度增大的现象。

3.3、液动执行机构节流阀开度影响明显

  现场使用报告指出:液压节流阀开度无保位功能。在生产过程中,节流阀开度每天都呈现波动变化,变化范围在每天1~2%,导致产量不稳定,频繁波动。液压执行机构节流阀造成产量波动的主要原因,一是执行机构没有锁定;二是温度对液压油产生影响。

4、节流阀笼套材料存在差异

  塔里木油田使用的三种进口节流阀笼套均为硬质合金,材料性能分析及现场使用情况表明,三种进口阀的笼套材料性质存在明显差异,性能最优者为B公司节流阀,其次为A公司节流阀,最后是C公司节流阀,后两者实际上相差不大。

  上述节流阀的四种特性表现中,节流阀流量特性不匹配对阀的使用性能的影响最为突出。使用者应当注意额定流量系数的选择,重视阀的流量特性与气井流量特性的调整和匹配。

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