Flexflo887水击泄压阀在长输管道稳定运行上的应用

第 3 7卷第 6期 石油工程建设 3 3 刘 玮，陈玉海，傅信涛 G 美国德莱塞公司北京代表处，北京1 0 0 0 0 4 ) 摘 要 ：在 密闭压力管道 中，由于液体流速的急剧 改变，极 易产生水击现 象，若没有采取保护措 施 该现象就会给整个输送 系统造成极 大的破坏。文章在 简要介绍水击现 象发生的原因、破坏性 以 及 避 免 水击发 生的措 施 的基 础 上 较 详 细地 介 绍 了 F l e x fl o 8 8 7水 击 泄压 阀的结 构 、操 作 原理 和 产 品 特 点 并 结合 其在铁 大线输 油 管道上 2 0多年 的使 用经验 ，提 出 了操作 和 维护 的建议 。 关键词 ：长输管道 ：水击泄压阀；工作原理 ；稳定性 ；维护建议 中图分类 号 ：T E 8 8 文献标识 码 ：B 文章编 号 ：1 0 0 1 2 2 0 6 ( 2 0 1 1 )0 6 0 0 3 3 0 4 0 引言 F l e x fl o 8 8 7水击泄压阀由美 国德莱赛公司制造 ， 独特的结构设计以及稳定的运行表现 ，有效地防止 了因意外或 阀门紧急关断 而造成 的管道过压和紊 流 保 护 了 长 输管 道 的安 全 。1 9 8 9年 开 始 应 用 于 中石油铁 大线原油输 送管道上 的 8台 fl e x fl o 8 8 7水 击泄压 阀 ，2 0多年来运 行 良好稳定 、维护量小 、 安全可靠 ，充分证明了其质量的优越性。 1水 击 1 1 水击现象产生的原 因 在 密闭压力管道 中 ，由于液体流速的急剧改 变 ，造 成 瞬时压 力 明显 、反 复 、迅 速 变化 的现 象称 为水击 ，也称水锤。发生水击现象的原因很多 ，造 成管道 内液体介质流速急剧改变的操作都有可能引 起水击事故 。如当管道的阀门突然关闭或开启时 ， 当泵 突然停 止或启 动时 ，或者管道上止 回阀失灵 时，都会引起管道 内介质流速的瞬时急剧变化 ，引 起液体介质动量 的改变 ，使管道 内压力发生显著变 化 ，从而引发水击。 1 2水 击 的破 坏 性 水击具有非常强的破坏性 在密闭输送管道中 一 旦发生水击 ，若管道没有配备保护措施 ，就将会 对 整个 输送 系统 造成 不 可估 量 的损失 ，甚 至造 成重 大安全事故 。图 l为管道发生水击时压力波动和时 间的关系。 皇 b - R 幽 f f 一 1 f t _ V 、 1 1 f 生水击时的压力波动 管道的设计压力 击发 生 时有 德 莱 赛 击 泄压 阀 保护 下 的 道 内的压力波动 图 1水 击 发 生 时 管道 内 压 力 和 时 间 的 典型 关 系 从 图 1中可 以看 出 ，水 击现 象发 生 时 ，管 道 内 的压力迅速升高 ，通常为管道设计压力的几倍 使 管道 在 瞬间承 受很 大压 力 ：压力 的反 复变 化 ，会 引 起管道和设备的振动 ，严重时会造成管道爆裂 、管 道附件及设备 的损坏 ，甚至造成严重的安全事故 。 1 9 9 6年美 国 C o l o n i a l 公司 D 9 1 4 m m的管道在穿越 R e e d y河段时发生水击爆管 ( 见图 2 ) ，该事故造成 3 6 2 5 m 的原 油 泄 漏 到河 中 。本 次 事 故 给 C o l o n i a l 公 司造 成 了 2 0 0 0多 万美 元 的损 失 。幸 运 的是 没 有 造成人员伤亡 。据统计 ，每年在全球范围内的密闭 液体输送管道都会发生几起类似的事故 ，每次事故 都会造成 巨大的经济损失和环境破坏 。 如何避免水击现象 的发生 ，如何在水击发生时 用最短的时间消除水击 ，已经成为液体密闭输送 中 一 个 必须 考虑 的课 题 。 1 3 避免水击现 象发生的措施 水击现象是一种客观存在的纯物理现象，根据 ￥ 羊 ￥ ￥ ￥ ￥ 石油工程建设 2 0 1 1 年 I 2月 图 2 1 9 9 6年 美 国 C o l o n i a l 公 司 管道 发 生水 击 爆 管 其产生的机理和变化规律 ，如果在管路设计及 日常 操作中采取一定的措施 ，是可 以避免或减轻的。 1 3 1 合 理 的管路 布局 如 果 泵 的出 口管道 突 然 向上并 形成 突起 ，则会 产生负压而发生液柱分离。因此 ，为避免水击的发 生 ，设计施工 中宜将管道布置成均匀上升 ，并向下 凹的平缓走向，便可避免产生负压，保证管道安全。 1 3 2 延 缓 阀 门的调 节 时间 根 据 阀 门 特性 以及 截 止 阀从 关 到 全 开度 的 1 5 管 内流体 的流速几乎不变这一点来 延缓其调 节时 间。由于阀门引起 的压力损失很小 ，剩余 的 1 5 的开度成为造成管 内不稳定 流动的关键 ，这 段关闭时间也就成为有效的关闭时间。那么设法 使剩余的 1 5 的开度 缓慢关 闭 ，便可使压力变化 值降低 。因此 ，在高速管道上有 自动切断阀时 ，应 当选用缓闭式电动阀等以有效地缓和水击 的发生 。 1 3 3设 置 调 压 器 在完成 向一定容积的罐 内装载流体后 ，如果迅 速关闭入 口阀门，配管会不可避免地产生水击 ，瞬 时受到压缩而变为高压 的流体 如果能导人调压器 ， 则配管 内液体的流动速度就会缓慢降低 ，可 以通过 调压 器来 实 现这 一 目的。 1 3 4安装 水 击 泄压 阀 根据水击产生的机理 可知 ，如果能延长流体 的 被压缩时间，那么动量转化就会降低 ，所以，如果 能让被压缩的液体流出配管之外 ，使管 内的流动能 够持续一定时间的话 ，就可以使水击上升压力变小。 由于水击波速度极快 ，压力 的上升是瞬间的，要求 泄压 阀门也必须在瞬间打开，普通机械构造的安全 阀是不能够瞬间完成的，因此 ，要采用可动部件质 量极小并在极短时间内能够开机的水击泄压阀。 利用水击泄压阀避免水击发生在 中国的长输管 道上 已经得到了广泛的应用。响应时间快慢是评价 水击泄压 阀产品质量 的关键参数。 2 F l e x n 0 8 8 7水击 泄压 阀结构 及 工作 原理 2 1 结构 F l e x i l o 8 8 7水击泄压阀结构简单 ，主要由阀体 、 衬套 、胶囊 、隔断式 阀芯 、法 兰和螺栓等部件组 成 ，如 图 3所 示 。 1 阀 体 ；2 阀 内衬 套 ；3 胶 囊 ；4 隔 断 式 阀 芯 ； 5 氮气 ( 或压缩空气等 )加载孔 ；6 联结法兰 ；7 螺栓 图 3 F l e x f i o 8 8 7水击泄压阀及其组成结构 2 2工作 原理 以泄压 阀安装在罐前 为例说明 F l e x fl o 8 8 7水击 泄压阀的工作原理 。如图 4所示 ，为避免水击 的发 生 ，一般在油罐区的入 口处要装有水击泄压阀和配 套 的泄压罐。 图 4罐 区 Fl e x f l o 8 8 7水 击 泄 压 阀 的 典 型 安 装 当主管道发生水击时 ，介质压力迅速升高 ，当 压力升至水击泄压 阀的设定点时，水击泄压阀迅速 打开将介质泄放到泄压罐内，使管道 内的压力 降到 正常范围内。水击泄压 阀配有氮气瓶组 ，氮气通过 压力调节后加载到泄压阀的皮囊表面上 ，经计算确 定氮气瓶组需要设定的压力，氮气的压力和皮囊提 供的压力共同作用在隔断式阀芯上 ，使 阀门在关闭 时达到气泡级密封 。氮气压力和皮囊压力之和为泄 放压力的设定值 ，如图 5所示 。当水击发生时 ，介 质压力升高至泄放压力设定值时 ，介质会克服氮气 和皮囊的压力而打开阀门 ，使介质流经隔断式 阀芯 泄放到下游 的泄压罐内。当泄压罐内的液位达到设 定液位时 ，控制系统会 自动启动回流泵将介质输送 第 3 7卷第 6期 刘 玮等 ：F l e x fl o 8 8 7水击泄压 阀在长输管道稳定运行 上的应用 3 5 罐 图 5水 击 泄 压 阁 的 “1 - 作 原 理 至 主罐 。 根据工艺条件来决定是否为水击泄压 阀配备氮 气控制盘( 见图 6 ) 。氮气控制盘可使 同等 口径 的 泄压阀的泄放量大大增加 ，并且也相应提高泄压阀 的泄压速度 ，使整个 系统更加稳定可靠 。 图 6 F l e x n 0 8 8 7水击泄压阀的氮气控 制盘示意 F l e x fl o 8 8 7有三种具有不同功能的氮气控制盘 ， 其 型号分别为 C P 1 、 C B、 C B A T控制盘 。 C P 1 控 制盘的功能比较简单 ，具有设定值不受环境温度改 变 影 响 的功 能 ：C B控制 盘具 有 加 速 氮气 泄 放 的 功 能 ，当泄压 阀检测到介质压力达到泄放设定点时 ， 控制盘 C B会迅速将 加载到皮囊上 的氮气泄放 掉 ， 让皮囊迅速打开，使整个泄压过程在很短 的时间内 完 成 ；C B A T控制 盘除 了具有加 速氮气泄 放功 能 外 ，还具有氮气压力低的报警功能 ，以及整个控制 回路的测试功能。 3 F l e x fl o 8 8 7水击 泄压 阀的特点 3 1响 应速 度快 从检测到水 击到阀门全开 的时间小 于 1 0 m s 。 这远远小于长输管道 的设计要求 ，比同类产品的响 应速度都快 ，保证了把水击产生的超压在最短的时 间 内泄放 掉 ，确保 设 备 和人员 的安 全 。 3 2 结构简单 从 图 3中可 以看 出 ，整个 水击 泄压 阀只有胶 囊 为可动部件 。有效地减少 了设备的故障发生率 ，并 且 使水 击泄 压 阀 的维 修 和维护 变得 非 常简单 。 3 - 3控 制精 确 控 制精 度 为小 于 5 的压力 设定 点 。例 如 ，如 果 泄压 设 定 点 为 1 0 MP a ，那 么 泄 压 阀会 在 压 力 达 到 1 0 MP a 时开始打开，当压力达到 1 0 5 MP a 或者 小于该值时已经达到全开，该精度高于其他形式 的 水 击 泄压 阀和所 有类 型 的安全 阀。 3 4无 过度 泄放 在发生水击时迅速打开 ，当压力泄放至设定点时 阀门会迅速关闭，不会因为关闭延迟导致泄放过量。 3 5气泡级 密封 在关闭时其关断等级达到 C L A S S V I 级 ，为气 泡级密 封 ：避免 了在 阀门关 断时 内漏 的现象 发生 。 3 6结 构 坚 固 有D1 0 2 ram至 D3 0 5 m m，压力等级为C L A S S 1 5 0 、 C L A S S 3 0 0和 C L A S S 6 0 0的水击泄压 阀 ，水击 泄压 阀结构坚 固，能够保证在高压输送管道上各种工况 条件下的应用 。 4 F l e x fl o 8 8 7水 击泄压 阀在 中石 油铁 大线 的 应用 4 1 F 1 e X n o 8 8 7水击 泄压 阀在铁 大 线的应 用 铁大输 油管道 位 于辽宁省 ，起 点位 于铁岭 ， 终点是大连 ，包括铁岭站 、沈阳站 、鞍 山站 、大 石桥 站 、熊 岳站 、瓦房店 站 、鲇 鱼 湾站 ，全长 4 5 8 6 9 k m，管规格为 D 7 2 0 m m X 8 mm，设计输 油 能 力 为 2 0 0 0万 t a ，1 9 7 5年 投 运 ，1 9 8 9年改 造 引 进 8台 fl e x fl o 8 8 7水击泄压 阀。 4 2 F l e x f l o 8 8 7水击 泄压 阀的运行 维护 根据 F l e x fl o 8 8 7水击泄压阀在铁大线输油管道 上 2 O多年的使用经验 ，总结 出操作 和维护过程 中 的注意事项 ，确保长输管道的运行安全。 4 2 1 更换高压氮气瓶 时的操作程序 先关闭氮气瓶 的开关和连接软管端的开关 ，通 过排气阀将软管 内氮气压力泄放至正常后将排气阀 关闭。拆卸软管和氮气瓶接 口，更换高压氮气瓶 ， 拧紧软管与氮气瓶连接 口，缓慢打开氮气瓶开关和 软管端的开关 ，在接 口处涂抹肥皂水 ，检查是否有 氮气泄漏。如果有渗漏 ，拧紧接 口处 。 4 2 2 运输 氮气瓶的注意事项 在 运输氮气 瓶前 ，将 氮气瓶( 下转第 4 4页) 石油工程建设 2 01 1年 l 2月 组进行解卡 ，成功拖出入洞的钢管。 ( 2 )为了确保空洞内的淤积物尽可能排出，先 进行 了一次 7 6 2 mm桶式扩孔器洗孔 ，通 畅后又进 行 了 8 6 3 6 m m 桶式 扩孔 器洗 孔 。 ( 3 )在 8 6 3 6 mm桶式扩孔器洗孔 通畅的情况 下 ，用 5 O9 0 m 钢管 试 回拖 。 ( 4 )试 回拖成功后再次进行 8 6 3 6 m m桶式扩 孔 器洗 孔 ，然 后进 行 主管 回拖 。 通过采取 以上措施 ，再次 回拖一次成功。 5结 束语 八 盘 峡 黄 河穿 越 成 功 ，创造 了 国 内大 型 河 流 、 山体、铁路三连穿的先河 ，在国内大型河流定向钻 穿越中率先尝试 了破碎岩层 、断裂带地质的穿越 。 穿越深度达到 8 4 m，这在 国内外定 向钻穿越工程 中实属罕见。通过八盘峡黄河穿越 ，我们 总结出以 下几点经验 ，可供未来大型定向钻穿越工程借鉴 。 ( 1 )在 具有 断裂 带 且地 质 比较破 碎 的岩 层穿 越 时 ，尽管导 向孔钻进 比较正 常 ，但 绝不意 味着扩 孔 、洗孔 和 回拖 没有 问题 。 3 5页 ( 2 )对于泥岩与砂岩交互层 ，在单轴抗压强度 低于 3 0 M P a的情况下 ，采用铣齿牙轮 的扩孔速度 要明显优于镶齿牙轮。 ( 3 )在条件允许 的情况下 ，无论是在钻导向孔 还是在扩孔阶段 ，都应尽量增大泥浆排量 ，提高泥 浆黏度。 ( 4 )在穿越入、出土点必须配备泥浆回收装置 和泥浆配置装置 ，以提高泥浆 回收率 ，有利于保证 泥浆的性能。 ( 5 )对 于复 杂 地 质 的大 型 河 流 定 向 钻 穿 越 工 程 ，应该 在洗 孔 正常 的情 况下试 回拖 ，在试 回拖 成 功的基础上再进行主管 回拖 。 参考 文献 ： 1 阎庆华 ， 孙玉杰 ， 付超 ， 等 长输管道河流穿跨越方案选择 J 石油 工程建设 ， 2 0 1 1 ， ( 3 ) ： 1 - 5 作 者 简介 ：王 海( 1 9 6 3 一) ，男 ，天津人 ，高级 工程 师 ， 1 9 8 3年毕 业于太原重型机械 学院工程机械 专业 现从事 水 平 定向钻施 工管理 工作 。 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 1 - 1 8 口阀门关闭 ，使用瓶 口帽将瓶 口保护好 。运输氮气 瓶时 ，需要捆扎牢固，以免碰撞发生意外 。氮气瓶 上 应 确保 有手 轮 或扳 手 ，以便 在 紧急情 况 下关 闭氮 气瓶。 4 2 3水 击泄 压 阀压 力 的设 定和 泄压 阀的 开启测 试 关断水击泄压阀上游的截断阀，连接手摇泵至 取压点接 口；用手摇泵往主管道加压至设定压力值 时 ，水击泄压阀开启泄压 ，同时再加压时 ，主管段 内压力值不再增加( 通过压力表观察 ) ，说明设定 压力值正确 ，至此 ，水击泄压阀设定值和开启测试 完毕 。如果 主管 段 内压力没有达到预定压 力设 定 值 ，水击泄压阀开启泄压缓慢 ，则顺时针调整氮气 控 制柜 中与 水 击泄 压 阀相对 应 的调 压器 ，增 加氮 气 压力 ，重新使用手摇泵进行加压 ，直到压力达到设 定值 ，水击泄压阀开启泄压 。如果主管段 内压力超 过预定压力设定值 ，水击泄压阀还未开启 ，压力继 续增加