李新東

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司渤南作業(yè)公司 天津300459)

0 引 言

天然氣壓縮機(jī)作為海上采油平臺(tái)的重要設(shè)備，其冷卻器通常使用海水作為冷卻介質(zhì)。在實(shí)際使用中，發(fā)現(xiàn)各冷卻器海水出口閥門經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)漏現(xiàn)象。特別是在冬季，不能精確調(diào)節(jié)通過冷卻器的海水流量，閥門全關(guān)時(shí)，內(nèi)漏的水量依然很大，被海水冷卻后的天然氣溫度過低，導(dǎo)致流程后的回流調(diào)節(jié)閥經(jīng)常產(chǎn)生凍堵現(xiàn)象，無法保證天然氣的壓力穩(wěn)定。

原始設(shè)計(jì)冷卻器海水出口閥為普通形式的直通式截止閥，材質(zhì)為耐海水腐蝕的銅鎳合金。普通形式截止閥長(zhǎng)時(shí)間用于流量調(diào)節(jié)時(shí)，液體從高壓側(cè)向低壓側(cè)流動(dòng)，導(dǎo)致閥瓣和閥座被腐蝕，閥門關(guān)閉不嚴(yán)，不能精確調(diào)節(jié)海水流量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，各冷卻器閥門平均使用1.5a后，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的內(nèi)漏現(xiàn)象，所以查找腐蝕的主要原因、延長(zhǎng)閥門的使用壽命尤為重要。

1 截止閥的工作原理

截止閥屬于強(qiáng)制密封式閥門，通過對(duì)閥桿施加扭矩，閥桿在軸向方向上向閥瓣施加壓力，使閥瓣密封面與閥座密封面緊密貼合，阻止介質(zhì)沿密封面之間的縫隙泄漏。截止閥的啟閉件是圓柱形的閥瓣，密封面成平面，閥瓣沿流體的中心線作直線運(yùn)動(dòng)。

2 腐蝕機(jī)理

2.1 氣蝕腐蝕

氣蝕是流體在高速流動(dòng)和壓力變化條件下，與流體接觸的金屬表面上發(fā)生洞穴狀腐蝕破壞的一種現(xiàn)象。由于海水的擴(kuò)散、漩渦、流道過窄和振動(dòng)，會(huì)在流體中某些部位形成低壓區(qū)。在材料內(nèi)壁與海水界面，形成無數(shù)氣泡，并不斷潰滅，使材料壁面產(chǎn)生機(jī)械損傷，從而形成氣蝕[1]。氣蝕的特征是先在金屬表面形成許多細(xì)小的麻點(diǎn)，然后逐漸擴(kuò)大形成洞穴。氣蝕的形成是由于沖擊力造成的表面疲勞破壞所致，同時(shí)在液體的化學(xué)和電化學(xué)作用下，加速氣蝕的破壞過程。當(dāng)液體在與固體表面接觸處的壓力低于它的飽和蒸氣壓力時(shí)，在固體表面附近形成氣泡。另外，溶解在液體中的氣體一同析出形成氣泡。當(dāng)氣泡流動(dòng)到液體壓力超過氣泡壓力的部位時(shí)，氣泡潰滅，瞬時(shí)產(chǎn)生極大的沖擊力。金屬表面長(zhǎng)期經(jīng)受這種沖擊力的作用，會(huì)產(chǎn)生疲勞脫落，表面出現(xiàn)小型凹坑，進(jìn)而發(fā)展成海綿狀，嚴(yán)重時(shí)可在表面形成大片凹坑。

2.2 沖刷腐蝕

海水對(duì)密封面的沖刷腐蝕程度通常隨著流速的增大而增加。海水流速若超過材料允許的臨界流速時(shí)，材質(zhì)表面則會(huì)被空泡及紊流引起的沖擊腐蝕破壞。紊流腐蝕是由于截止閥在海水中工作時(shí)承受海水的高壓力，在開啟或關(guān)閉過程中，海水的流速很大而形成紊流，不僅增加了氧去極化劑的供應(yīng)量，而且使流體對(duì)金屬表面的切應(yīng)力增大。由于海水中還攜帶有大量泥砂等固體顆粒物，加劇了閥瓣和閥座的表面磨損。同時(shí)由于截止閥的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開啟或關(guān)閉時(shí)水流沖擊閥門內(nèi)壁，高流速海水沖刷破壞金屬材料表面的保護(hù)膜。同時(shí)流速過大，會(huì)發(fā)生空泡腐蝕，使閥體表面腐蝕成海綿狀或大凹坑[2]。

2.3 電偶腐蝕

電偶腐蝕是當(dāng) 2種不同的金屬材料處于電導(dǎo)率較高的海水溶液中，會(huì)有電流從電位較低的金屬流向溶液，再經(jīng)溶液流向電位較高的金屬。在這種電極反應(yīng)過程中，低電位的陽(yáng)極金屬除本身氧化還原反應(yīng)的耦合而引起的腐蝕外，還因和電位高的金屬接觸所形成的外加陽(yáng)極電流作用而發(fā)生溶解。陽(yáng)極材料從固體的金屬狀態(tài)，變成溶液中的帶正電荷的離子狀態(tài)而造成腐蝕[1]。

2.4 縫隙腐蝕

縫隙腐蝕是一種很普遍的局部腐蝕，也可看作是一種在宏觀腐蝕電池作用下的電化學(xué)腐蝕。在銅鎳合金閥門的閥體和閥蓋與法蘭的結(jié)合處、閥瓣與閥桿的連接處、閥瓣和閥座貼合的密封表面等部位，由于縫隙的存在，導(dǎo)致海水等介質(zhì)會(huì)滯留在其中。腐蝕在開始階段，氧去極化腐蝕在縫隙內(nèi)外均勻進(jìn)行，隨著腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)，存在于縫隙內(nèi)的氧得不到及時(shí)補(bǔ)充，使氧的還原反應(yīng)中止。縫隙外的氧還原反應(yīng)仍然可以持續(xù)進(jìn)行，使得縫隙的內(nèi)外構(gòu)成宏觀的濃差電池，由于氧濃差電池的存在，促進(jìn)了腐蝕作用的發(fā)生。隨著陽(yáng)極的腐蝕反應(yīng)不斷發(fā)生，縫隙內(nèi)的金屬陽(yáng)離子富積，腐蝕產(chǎn)物堵塞縫隙口，促使介質(zhì)中的氯離子進(jìn)入維持電荷的平衡，金屬氧化物的水解導(dǎo)致酸化，腐蝕現(xiàn)象更加劇烈[2]。閥門開度對(duì)沖蝕特性影響很大，不僅影響沖蝕速率的大小還影響其分布，當(dāng)閥門半開時(shí)，密封面的沖蝕速率遠(yuǎn)大于全開時(shí)的沖蝕速率[3]。

3 截止閥密封面的腐蝕原因

造成截止閥的密封面腐蝕原因有很多，例如：氣蝕、含有雜質(zhì)的流體沖刷、閥門閥瓣和閥座的材質(zhì)硬度不夠、使用材質(zhì)耐介質(zhì)腐蝕性能差、閥門的制造工藝性沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求、電偶腐蝕、縫隙腐蝕、氧濃度差腐蝕等等。

截止閥密封面處于以下2種工作狀態(tài)時(shí)，最容易產(chǎn)生腐蝕：第 1種狀態(tài)是截止閥處于小開度時(shí)，此時(shí)海水流動(dòng)速度快，產(chǎn)生紊流腐蝕和空泡腐蝕；第 2種狀態(tài)是截止閥處于完全關(guān)閉位置時(shí)，此時(shí)密封面之間比較狹窄，閥瓣和閥體密封面此時(shí)結(jié)合的部位是一條線，2個(gè)密封面之間存在一定的縫隙，長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)過海水浸泡，使海水介質(zhì)處于滯流狀態(tài)，造成縫隙內(nèi)金屬的縫隙腐蝕。當(dāng)縫隙腐蝕加劇后，就會(huì)導(dǎo)致閥門密封面之間產(chǎn)生內(nèi)漏。由于海水通過縫隙的流動(dòng)速度過快，夾有氣泡的海水高速?zèng)_擊密封面，并伴隨氣泡在密封面附近生成和潰滅，就會(huì)產(chǎn)生紊流腐蝕和空泡腐蝕，進(jìn)一步加速閥門密封面的腐蝕，最終導(dǎo)致閥門密封面完全失效。

結(jié)合以上腐蝕過程和對(duì)天然氣冷卻器海水出口的閥門密封面的腐蝕情況分析，得出失效的主要原因是由于空泡氣蝕腐蝕和含有雜質(zhì)的海水紊流沖刷腐蝕所致。

4 采取的應(yīng)對(duì)措施

因?yàn)楹Ｋ泻械哪嗌车入s質(zhì)不可避免，去除雜質(zhì)成本相對(duì)較高，所以減少空泡氣蝕的發(fā)生，就可以適當(dāng)延長(zhǎng)閥門的使用壽命。通過對(duì)普通形式截止閥的結(jié)構(gòu)和原理分析，及各種形式閥門形式對(duì)比，最終確定將截止閥更換為套筒式節(jié)流閥，不僅外形尺寸相同，也可以有效減少氣蝕的發(fā)生，同時(shí)能相對(duì)減緩海水對(duì)密封面的沖刷速率。

5 兩種閥門的對(duì)比

普通形式截止閥與套筒式節(jié)流閥閥體的外形尺寸相同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式基本相同，只是密封面附近多了一套鼠籠結(jié)構(gòu)。

普通形式截止閥是當(dāng)流體通過閥門時(shí)，流體的阻力引起壓力下降，同時(shí)流速成比例增加。閥門提供的阻力越大，流速的增加也越大。對(duì)不同的流體工況，通過閥門的能量改變會(huì)引起氣蝕和空氣動(dòng)力噪音問題。

套筒式節(jié)流閥是通過鼠籠結(jié)構(gòu)，降低氣蝕和空氣動(dòng)力噪音，減少氣蝕和沖刷對(duì)閥門的影響。通過鼠籠結(jié)構(gòu)，將壓力控制在臨界壓力(Pvc)以上，連續(xù)吸收壓降產(chǎn)生的能量，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣蝕的控制。流道的阻力增加，Pvc得以控制，這樣避免了氣蝕和沖刷的產(chǎn)生。通過鼠籠結(jié)構(gòu)，控制通過閥門的海水流速來控制海水流動(dòng)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)噪音，連續(xù)吸收壓降產(chǎn)生的能量，將通過閥門的流速控制在可以接受的范圍內(nèi)，減少海水的高流速?zèng)_刷腐蝕。

6 結(jié) 論

通過現(xiàn)場(chǎng)使用發(fā)現(xiàn)，普通形式截止閥平均使用時(shí)間為 1.5a；換型為套筒式節(jié)流閥后，使用時(shí)間最長(zhǎng)的閥門已連續(xù)使用 3a，未見明顯的內(nèi)漏現(xiàn)象。換型前后的對(duì)比顯示，閥門的使用壽命延長(zhǎng)，取得了良好的效果，不僅節(jié)約了大量費(fèi)用，減少了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，也為海上平臺(tái)的平穩(wěn)運(yùn)行提供了有力的保障，同時(shí)也為其他平臺(tái)提供了很好的借鑒。■