郝一博 梁 浩 李 鍇 吳昌漢 彭忍社

中國石油西氣東輸管道公司,上海 200122

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天然氣長輸管道閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)國產(chǎn)化研制

郝一博 梁 浩 李 鍇 吳昌漢 彭忍社

中國石油西氣東輸管道公司,上海 200122

目前我國天然氣長輸管道閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要依靠進(jìn)口,增加了天然氣管道建設(shè)和運營成本,制約了天然氣管道行業(yè)的發(fā)展。有必要開展天然氣長輸管道設(shè)備的國產(chǎn)化研究,在大口徑天然氣管道上使用國產(chǎn)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)替代國外進(jìn)口產(chǎn)品,提高我國天然氣管道設(shè)備的保障能力。中國石油西氣東輸管道公司聯(lián)合4個廠家開展了天然氣管道閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研制工作,對標(biāo)國外先進(jìn)產(chǎn)品關(guān)鍵指標(biāo),制定了電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)研制技術(shù)條件,完成了首批國產(chǎn)化電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品設(shè)計、樣機(jī)試制、工廠試驗和產(chǎn)品工業(yè)性試驗。國產(chǎn)化電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的性能達(dá)到了研制技術(shù)條件要求和國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求,具備批量生產(chǎn)條件,電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)國產(chǎn)化定型產(chǎn)品可在天然氣長輸管道建設(shè)中推廣應(yīng)用。

天然氣管道;閥門;執(zhí)行機(jī)構(gòu);電動機(jī);減速器;工業(yè)性試驗

0 前言

自從2000年我國建設(shè)西氣東輸?shù)忍烊粴忾L輸管道工程以來,長距離、大口徑天然氣管道進(jìn)入了建設(shè)高峰期[1-2],截至2015年,國內(nèi)天然氣管道總長度達(dá)9×104km。隨著天然氣長輸管道工程建設(shè)的快速發(fā)展,對管道設(shè)備的需求大幅增加,然而天然氣長輸管道設(shè)備中的閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要依靠進(jìn)口,增加了天然氣管道建設(shè)和運營成本[3-4],而且進(jìn)口產(chǎn)品一般供貨周期較長,制約了我國天然氣管道行業(yè)的發(fā)展。目前天然氣長輸管道設(shè)備國產(chǎn)化需求日益迫切,在大口徑天然氣管道上使用國產(chǎn)閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)替代國外進(jìn)口產(chǎn)品,可降低成本,提高天然氣管道設(shè)備的保障能力,提升我國機(jī)械裝備制造水平。

1 國內(nèi)外閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)技術(shù)概況

1.1 國外技術(shù)狀況

大型天然氣長輸管道閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)市場[5]主要被國外公司控制,國外電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要生產(chǎn)廠商為英國ROTORK公司[6]、美國Limitorque公司、德國AUMA集團(tuán)公司、法國Bernard公司等。目前國外閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)廠家在不斷運用新技術(shù),如英國ROTORK公司采用兩段位位置測量技術(shù),提高產(chǎn)品的調(diào)節(jié)定位精度;美國Limitorque公司采用光電絕對編碼器提升產(chǎn)品可靠性,并解決了設(shè)備中需配置備用電池電源的結(jié)構(gòu)缺陷;德國西博思電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)有限公司(SIPOS Aktorik GmbH)在變頻、調(diào)速、節(jié)能方面做出了改進(jìn)[7-8]。國外閥門電動執(zhí)行器正朝著小型化、一體化、數(shù)字化、智能化、總線化和網(wǎng)絡(luò)化方向快速發(fā)展[9]。

國外閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有API Specification 6D-2014 《Specification for Pipeline and Pipeline Valves》[10],ISO DIS 12490-2010 《Petroleum and Natural Gas Industries.Actuation,Mechanical Integrity and Sizing for Pipeline Valves》[11]。

1.2 國內(nèi)技術(shù)狀況

從20世紀(jì)60年代末仿制蘇聯(lián)有觸點的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)開始,經(jīng)過30多年發(fā)展,我國電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)多數(shù)產(chǎn)品實現(xiàn)了智能化,技術(shù)相對成熟[12-13]。但國產(chǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用于市政、電力、冶金等普通場所,天然氣長輸管道閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)還是依賴進(jìn)口,特別是大口徑、高壓力長輸管道干線閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu),由于其大扭矩、快速開關(guān)及高可靠性等要求,目前使用進(jìn)口產(chǎn)品。

國內(nèi)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 24923-2010 《普通型閥門電動裝置技術(shù)條件》[14],GB/T 24922-2010 《隔爆型閥門電動裝置技術(shù)條件》[15],GB/T 26155-2010 《工業(yè)過程測量和控制系統(tǒng)用智能電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)》[16],GB/T 28270-2012 《智能型閥門電動裝置》[17]。

雖然目前我國中小型普通級閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了國產(chǎn)化,但大型天然氣長輸管道閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)依賴進(jìn)口,因此迫切需要開展大型天然氣長輸管道閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研制及產(chǎn)品可靠性的工業(yè)性試驗。

2 閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)國產(chǎn)化研制

閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是長距離天然氣輸送管道的關(guān)鍵設(shè)備之一,它的作用是接收計算機(jī)發(fā)出的控制信號,并把它轉(zhuǎn)換成閥門的開關(guān)動作,使生產(chǎn)過程按照預(yù)先規(guī)定的要求正常進(jìn)行[18-19]。閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由電動機(jī)、減速器、力矩行程限制器、開關(guān)控制箱、手輪、機(jī)械限位裝置以及位置發(fā)送器等組成。

首套國產(chǎn)化閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)研制確定為12 MPa、DN 1 200閥門(含12 MPa、DN 1 200及以下閥門)配套的智能電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)特點為[20]:機(jī)械整機(jī)結(jié)構(gòu)采用非侵入式雙密封結(jié)構(gòu)設(shè)計,達(dá)到最高IP 68防護(hù)等級;具有增量和絕對編碼器可選擇的位置測量方式,具有自主研發(fā)的扭矩測量機(jī)構(gòu),能夠進(jìn)行精確的力矩檢測;具有自診斷、自巡檢、現(xiàn)場總線和多重保護(hù)等完善的自保護(hù)功能。

2.1 研制技術(shù)條件

電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)研制技術(shù)條件如下:

1)研制12 MPa、DN 1200閥門配套電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)及輸出最大力矩250 kN·m、開關(guān)時間210～260 s的齒輪箱。

4)中文操作系統(tǒng)。

5)使用壽命大于8 000次(執(zhí)行器)或1 000次(整機(jī))。

2.2 產(chǎn)品

2011年8月,在國家能源局、中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會的支持下,中國石油天然氣集團(tuán)開展了油氣管道關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化工作,并設(shè)立了重大科技專項進(jìn)行研究。中國石油西氣東輸管道公司與4個研制廠家(分別為廠家1、2、3、4)聯(lián)合承擔(dān)了油氣管道關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化項目中閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研制任務(wù)。研制廠家對標(biāo)國外先進(jìn)產(chǎn)品關(guān)鍵指標(biāo),按照天然氣關(guān)鍵閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)研制技術(shù)條件,完成了產(chǎn)品設(shè)計、樣機(jī)試制、工廠試驗及第三方檢測取證等工作。閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)國產(chǎn)化產(chǎn)品性能見表1,各廠家所研制的閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品通過了出廠驗收,并通過了中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會和中國石油天然氣集團(tuán)組織的新產(chǎn)品鑒定。

表1 閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)國產(chǎn)化產(chǎn)品性能

研制技術(shù)條件產(chǎn)品性能研制12MPa、DN1200閥門配套電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)及輸出最大力矩250kN·m、開關(guān)時間210～260s的齒輪箱各制造廠家均完成自行設(shè)計和制造,產(chǎn)品涵蓋12MPa、DN1200以下閥門所需執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部控制器的精度應(yīng)≤1%,電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門配套后的整體精度應(yīng)保證≤1.5%內(nèi)部精度:廠家1<0.56%;廠家2<0.1%;廠家3<0.5%;廠家4<0.1%蝸輪蝸桿機(jī)械傳動效率≥35%廠家1為54%;廠家2為35.5%;廠家3為40%;廠家4為58%中文操作系統(tǒng)自主研發(fā)中文操作系統(tǒng)使用壽命大于8000次(執(zhí)行器)或1000次(整機(jī))廠家1整機(jī)1100次;廠家2整機(jī)1000次;廠家3整機(jī)1200次;廠家4整機(jī)1003次

3 工業(yè)性試驗

為了檢驗研制的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)與閥門配套后性能的穩(wěn)定性和操作可靠性,按照替換原有在用進(jìn)口電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方案制定了《電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)現(xiàn)場工業(yè)性試驗大綱》。2014年12月完成了電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在西氣東輸二線4個場站的安裝調(diào)試,開始工業(yè)性試驗。

3.1 試驗?zāi)康?/p>

1)檢驗電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)替換原有進(jìn)口電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)后,在實際運行工況條件下整機(jī)性能的穩(wěn)定性及操作可靠性,驗證研制產(chǎn)品是否達(dá)到研制技術(shù)條件要求,檢驗國產(chǎn)化電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在實際工程中的運行狀態(tài)。

2)為研制產(chǎn)品應(yīng)用到實際生產(chǎn)工況中提供參考。

3)為研制方提供產(chǎn)品制造參考數(shù)據(jù)。

3.2 試驗過程

國產(chǎn)化電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在收、發(fā)球筒的1202#、1203#、1302#、1303#閥門處(圖1),替換原有在用的英國ROTORK公司電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。按《電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)現(xiàn)場工業(yè)性試驗大綱》要求,定期對各制造廠家研制的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行測試,經(jīng)多次測試,國產(chǎn)化電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)各項指標(biāo)達(dá)到了研制技術(shù)條件要求,設(shè)備運行正常。將各廠家所研制的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)與英國ROTORK公司電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門開關(guān)時間進(jìn)行對比(圖2～3)。

圖1 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝位置工藝流程圖

圖2 廠家2、4 研制產(chǎn)品與被替換ROTORK IQ 35-IW 11電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能對比

圖3 廠家1、3 研制產(chǎn)品與被替換ROTORK IQ 25-IW 10電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能對比

3.3 試驗結(jié)果

2015年12月,國產(chǎn)化電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的工業(yè)性試驗通過了中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會和中國石油天然氣集團(tuán)組織的驗收,電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)國產(chǎn)化定型產(chǎn)品可在天然氣長輸管道建設(shè)中推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論

天然氣長輸管道閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)國產(chǎn)化研制工作采用“政產(chǎn)學(xué)研用”模式,確保了國產(chǎn)化工作順利推進(jìn),在國家能源局、中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會的支持下,以中國石油天然氣長輸管道業(yè)務(wù)需求為主導(dǎo),聯(lián)合產(chǎn)學(xué)研等相關(guān)行業(yè)共同進(jìn)行科技攻關(guān),完成了電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)研制產(chǎn)品技術(shù)條件制定、新產(chǎn)品設(shè)計、試制生產(chǎn)和產(chǎn)品工業(yè)性考核試驗。首批國產(chǎn)化電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的性能達(dá)到了研制技術(shù)條件要求和國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求,具備批量生產(chǎn)條件。天然氣長輸管道閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)國產(chǎn)化后將產(chǎn)生以下效果:

1)提高我國天然氣長輸管道設(shè)備保障能力,保障國家能源供應(yīng)安全。

2)降低天然氣長輸管道工程建設(shè)成本。

3)縮短供貨周期,改善售后服務(wù)。

4)降低設(shè)備備品備件價格,節(jié)省天然氣長輸管道運行成本。

5)促進(jìn)現(xiàn)行國標(biāo)GB/T 28270-2012 《智能型閥門電動裝置》等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的修訂和完善。

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2016-03-25

中國石油天然氣股份有限公司重大科技專項資助項目(2012 E-2802)

郝一博(1989-)，男，河北獻(xiàn)縣人，助理工程師，學(xué)士，主要從事天然氣長輸管道QHSE工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.018