海水流程中截止阀内漏的原因及应对措施

李新东

(中海石油(中国)有限公司天津分公司渤南作业公司 天津300459)

0 引 言

天然气压缩机作为海上采油平台的重要设备，其冷却器通常使用海水作为冷却介质。在实际使用中，发现各冷却器海水出口阀门经常出现内漏现象。特别是在冬季，不能精确调节通过冷却器的海水流量，阀门全关时，内漏的水量依然很大，被海水冷却后的天然气温度过低，导致流程后的回流调节阀经常产生冻堵现象，无法保证天然气的压力稳定。

原始设计冷却器海水出口阀为普通形式的直通式截止阀，材质为耐海水腐蚀的铜镍合金。普通形式截止阀长时间用于流量调节时，液体从高压侧向低压侧流动，导致阀瓣和阀座被腐蚀，阀门关闭不严，不能精确调节海水流量。据统计，各冷却器阀门平均使用1.5a后，就会出现严重的内漏现象，所以查找腐蚀的主要原因、延长阀门的使用寿命尤为重要。

1 截止阀的工作原理

截止阀属于强制密封式阀门，通过对阀杆施加扭矩，阀杆在轴向方向上向阀瓣施加压力，使阀瓣密封面与阀座密封面紧密贴合，阻止介质沿密封面之间的缝隙泄漏。截止阀的启闭件是圆柱形的阀瓣，密封面成平面，阀瓣沿流体的中心线作直线运动。

2 腐蚀机理

2.1 气蚀腐蚀

气蚀是流体在高速流动和压力变化条件下，与流体接触的金属表面上发生洞穴状腐蚀破坏的一种现象。由于海水的扩散、漩涡、流道过窄和振动，会在流体中某些部位形成低压区。在材料内壁与海水界面，形成无数气泡，并不断溃灭，使材料壁面产生机械损伤，从而形成气蚀[1]。气蚀的特征是先在金属表面形成许多细小的麻点，然后逐渐扩大形成洞穴。气蚀的形成是由于冲击力造成的表面疲劳破坏所致，同时在液体的化学和电化学作用下，加速气蚀的破坏过程。当液体在与固体表面接触处的压力低于它的饱和蒸气压力时，在固体表面附近形成气泡。另外，溶解在液体中的气体一同析出形成气泡。当气泡流动到液体压力超过气泡压力的部位时，气泡溃灭，瞬时产生极大的冲击力。金属表面长期经受这种冲击力的作用，会产生疲劳脱落，表面出现小型凹坑，进而发展成海绵状，严重时可在表面形成大片凹坑。

2.2 冲刷腐蚀

海水对密封面的冲刷腐蚀程度通常随着流速的增大而增加。海水流速若超过材料允许的临界流速时，材质表面则会被空泡及紊流引起的冲击腐蚀破坏。紊流腐蚀是由于截止阀在海水中工作时承受海水的高压力，在开启或关闭过程中，海水的流速很大而形成紊流，不仅增加了氧去极化剂的供应量，而且使流体对金属表面的切应力增大。由于海水中还携带有大量泥砂等固体颗粒物，加剧了阀瓣和阀座的表面磨损。同时由于截止阀的结构复杂，开启或关闭时水流冲击阀门内壁，高流速海水冲刷破坏金属材料表面的保护膜。同时流速过大，会发生空泡腐蚀，使阀体表面腐蚀成海绵状或大凹坑[2]。

2.3 电偶腐蚀

电偶腐蚀是当 2种不同的金属材料处于电导率较高的海水溶液中，会有电流从电位较低的金属流向溶液，再经溶液流向电位较高的金属。在这种电极反应过程中，低电位的阳极金属除本身氧化还原反应的耦合而引起的腐蚀外，还因和电位高的金属接触所形成的外加阳极电流作用而发生溶解。阳极材料从固体的金属状态，变成溶液中的带正电荷的离子状态而造成腐蚀[1]。

2.4 缝隙腐蚀

缝隙腐蚀是一种很普遍的局部腐蚀，也可看作是一种在宏观腐蚀电池作用下的电化学腐蚀。在铜镍合金阀门的阀体和阀盖与法兰的结合处、阀瓣与阀杆的连接处、阀瓣和阀座贴合的密封表面等部位，由于缝隙的存在，导致海水等介质会滞留在其中。腐蚀在开始阶段，氧去极化腐蚀在缝隙内外均匀进行，随着腐蚀时间的增长，存在于缝隙内的氧得不到及时补充，使氧的还原反应中止。缝隙外的氧还原反应仍然可以持续进行，使得缝隙的内外构成宏观的浓差电池，由于氧浓差电池的存在，促进了腐蚀作用的发生。随着阳极的腐蚀反应不断发生，缝隙内的金属阳离子富积，腐蚀产物堵塞缝隙口，促使介质中的氯离子进入维持电荷的平衡，金属氧化物的水解导致酸化，腐蚀现象更加剧烈[2]。阀门开度对冲蚀特性影响很大，不仅影响冲蚀速率的大小还影响其分布，当阀门半开时，密封面的冲蚀速率远大于全开时的冲蚀速率[3]。

3 截止阀密封面的腐蚀原因

造成截止阀的密封面腐蚀原因有很多，例如：气蚀、含有杂质的流体冲刷、阀门阀瓣和阀座的材质硬度不够、使用材质耐介质腐蚀性能差、阀门的制造工艺性没有达到设计要求、电偶腐蚀、缝隙腐蚀、氧浓度差腐蚀等等。

截止阀密封面处于以下2种工作状态时，最容易产生腐蚀：第 1种状态是截止阀处于小开度时，此时海水流动速度快，产生紊流腐蚀和空泡腐蚀；第 2种状态是截止阀处于完全关闭位置时，此时密封面之间比较狭窄，阀瓣和阀体密封面此时结合的部位是一条线，2个密封面之间存在一定的缝隙，长时间经过海水浸泡，使海水介质处于滞流状态，造成缝隙内金属的缝隙腐蚀。当缝隙腐蚀加剧后，就会导致阀门密封面之间产生内漏。由于海水通过缝隙的流动速度过快，夹有气泡的海水高速冲击密封面，并伴随气泡在密封面附近生成和溃灭，就会产生紊流腐蚀和空泡腐蚀，进一步加速阀门密封面的腐蚀，最终导致阀门密封面完全失效。

结合以上腐蚀过程和对天然气冷却器海水出口的阀门密封面的腐蚀情况分析，得出失效的主要原因是由于空泡气蚀腐蚀和含有杂质的海水紊流冲刷腐蚀所致。

4 采取的应对措施

因为海水中含有的泥沙等杂质不可避免，去除杂质成本相对较高，所以减少空泡气蚀的发生，就可以适当延长阀门的使用寿命。通过对普通形式截止阀的结构和原理分析，及各种形式阀门形式对比，最终确定将截止阀更换为套筒式节流阀，不仅外形尺寸相同，也可以有效减少气蚀的发生，同时能相对减缓海水对密封面的冲刷速率。

5 两种阀门的对比

普通形式截止阀与套筒式节流阀阀体的外形尺寸相同，内部结构形式基本相同，只是密封面附近多了一套鼠笼结构。

普通形式截止阀是当流体通过阀门时，流体的阻力引起压力下降，同时流速成比例增加。阀门提供的阻力越大，流速的增加也越大。对不同的流体工况，通过阀门的能量改变会引起气蚀和空气动力噪音问题。

套筒式节流阀是通过鼠笼结构，降低气蚀和空气动力噪音，减少气蚀和冲刷对阀门的影响。通过鼠笼结构，将压力控制在临界压力(Pvc)以上，连续吸收压降产生的能量，实现对气蚀的控制。流道的阻力增加，Pvc得以控制，这样避免了气蚀和冲刷的产生。通过鼠笼结构，控制通过阀门的海水流速来控制海水流动产生的空气动力学噪音，连续吸收压降产生的能量，将通过阀门的流速控制在可以接受的范围内，减少海水的高流速冲刷腐蚀。

6 结 论

通过现场使用发现，普通形式截止阀平均使用时间为 1.5a；换型为套筒式节流阀后，使用时间最长的阀门已连续使用 3a，未见明显的内漏现象。换型前后的对比显示，阀门的使用寿命延长，取得了良好的效果，不仅节约了大量费用，减少了人员的劳动强度，也为海上平台的平稳运行提供了有力的保障，同时也为其他平台提供了很好的借鉴。■