延长气田井口紧急切断阀方案浅谈.doc

延长气田井口紧急切断阀方案浅谈曹亮（中石化石油工程设计有限公司 北京分公司，北京 102200）摘要：针对延长气田井口环境恶劣、交通不便、井口紧急切断阀设计选型难等问题，以延长气田天然气地面集输工程为例，简要说明延长气田井口紧急切断阀的设计选型。关键词：井口紧急切断阀；执行机构；弹簧蓄能；液压蓄能中图分类号：TE41 文献标志码：A Discussion on Wellhead Emergency Shut-off Valve for Yanchang Gas FieldCAO Liang（Sinopec Petroleum Engineering Design Co.Ltd, Beijing Brach, Beijing 102200，China）Abstract:According to the poor environment and traffic inconvenience of Yanchang gas field wellhead, wellhead emergency shut-off valve design selection problems，in order to the Yanchang natural gas field gathering Engineering as an example, a brief description of Yanchang gas field Wellhead Emergency Shut-off Valve design selection.Key words:wellhead emergency shut-off valve；actuator；spring energy storage；hydraulic accumulator0 引言 国内气田井口普遍存在位置偏僻、交通不便、所以现场井口阀门维护工作量较大等问题，为保证开发井安全生产，在井口设计了超压和欠压保护紧急切断阀，实现井口超压和单井采气管线泄露或爆管自动切断功能，使可以预见的风险可控，并将风险可能带来的损失降到最低。1 项目概况延长气田位于延安市境内，北部部分在榆林境内。该地区人烟稀少，自然地理条件较差，地势西北高，东南低，黄土塬、梁、峁地貌和侵蚀河谷地貌。平均海拔1000m左右，地形高差一般在200m以内。由于延安市地形地貌特殊及先导试验工程井位分布分散，井口为高压23Mpa，通井路均自风积黄土为主的地表推出，具有湿陷性，遇雨雪天气无法通行。而且井口分布较为分散，距离有人值守集气站距离较远，所以现场井口阀门维护工作量较大。2 井口紧急切断阀简介及设计方案2.1 井口紧急切断阀简介井口紧急截断阀1是天然气井口的一道安全保障，当井口压力超过规定的高限压力时，本阀自动关闭，防止设备因受过载压力而破坏；当井口压力低于规定的低限压力时，设备可能已因某种因素而被破坏，本阀也会自动关闭，防止天然气（介质）外泄。如图1所示。图1 结构示意图井口紧急切断阀主要是有阀门和配套的执行机构组成的，目前气田应用较多的是自力式的井口紧急切断阀，按驱动动力源主要分为液压蓄能式、氮气瓶装式、弹簧式蓄能式等等。2.2 阀门选型阀门选择平行反向单闸板的双阀座结构，双向密封，阀腔内压可自动泄压，并设排污口。平行反向单闸板有防止污物在阀门半开半关时进入阀腔的措施，阀门关闭状态能进行安全排污。反向闸板阀的工作原理：当阀杆提升时阀门关闭，当阀杆下降时阀门打开，和普通的闸板阀正好相反。这样就更适合用于井口的介质（含沙、水、杂质等），比普通的球阀、闸阀寿命更长。沙子等杂质容易将球阀的密封面破坏，导致泄漏。普通闸阀当关闭时，阀杆（板）向下，如果正好有沙子等杂质卡在阀板和阀体之间，也会造成泄漏。反向闸板阀在下部有个较大的腔体，不会发生杂质卡住现象。再有反向闸板阀具有安全关断设计功能，即井口介质的压力会作用在阀板上，推动阀板向上，即使执行机构失灵，阀门也会自动关闭。阀门的密封采用软密封、硬密封、油脂密封三重密封结构，密封可靠，性能达到VI级密封。阀座和闸板密封表面均采用硬质合金处理。表面硬度不低于HRC45，能有效的耐介质的冲刷。阀门均为防火安全型，满足API6FA/607的要求。2.3 执行机构选型执行机构应基于在压力异常的情况下，阀门可以有效的自动截断，保护管线的生产安全。执行机构具有超压保护、欠压保护、就地紧急切断及手动复位能功能。为了适应气田现代化管理的需要，执行机构还具有远程控制功能。执行机构为单作用型，弹簧复位，通过弹簧复位完成执行机构的“失效关操作”，必须保证阀门在最恶劣的工况下关闭阀门，且远程控制与就地保护功能相互独立，互不干扰。自力式井口紧急切断阀的执行机构根据蓄能方式的不同又分为液压蓄能式执行机构、弹簧蓄能式执行机构、氮气瓶式启动执行机构、电液蓄能式执行机构、电动执行机构2：1) 液压蓄能式执行机构液压蓄能式执行机构由手动液压泵、过滤器、压力感应器，高、低压压力表，复位阀、液压储存罐、一个机械式阀位指示、电磁阀，远程单刀双掷电压型阀位关指示等组成。执行机构为单作用型，弹簧复位，通过弹簧复位完成执行机构的“失效关操作”。a.一体化设计，降低了故障率，提高了可靠性，并简化了维修 。整个阀门、执行机构、自力液压控制单元、电磁阀、限位开关全部一体化安装。b.安全化设计，保证阀门快速打开或关闭。c.适用于无人操作,无任何外界动力环境和其他紧急场合d.自力液压执行机构适用于所有阀门的尺寸和配置，无须压缩空气、燃气、电或氮气后备系统。2) 弹簧式蓄能式执行机构弹簧式蓄能式执行机构包括：压力传感器、超压调节弹簧、欠压调节弹簧、控制杆、平衡杆、驱轴、手柄、复位弹簧、压力表、复位按钮、一个机械式阀位指示、阀位关指示以及所有使执行机构正确操作所必须的设备3。a.造价较低。b.生产周期短。c.维护成本低。d.易于操作。3) 氮气瓶式气动执行机构该方式需要客户在井口配备氮气瓶2组（一用一备）。且阀门动作几次后需要更换氮气瓶，尤其在阀门初始调试时。不仅耽误时间，且浪费精力，更增加客户的运行成本。4) 电液蓄能式执行机构该方式也需要可靠的电源。阀门停电后可以依靠蓄能器内存储的高压液压油推动阀门动作。蓄能器的大小根据客户要求的停电后阀门动作几次来考虑。此方式成本很高，维护、保养较复杂。5) 电动式执行机构该方式以电力为动力源，需要可靠的电源。阀门关闭时间较长，停电后阀门停在原位，不动作。3 弹簧蓄能式和液压蓄能式紧急切断阀3.1 液压蓄能式紧急切断阀国内、外液压蓄能式井口紧急切断阀的技术成熟，质量可靠，应用广泛，满足“井口装置和采油树设备规范”API6A标准。下面以加拿大皇冠液压紧急切断阀为例简单介绍下液压蓄能式井口紧急切断阀，如图2所示。图2 液压蓄能式井口紧急截断阀示意图3.1.1 组成自力式液压蓄能式紧急切断阀主要包括液压执行机构、手动液压泵、控制组件和一个反向闸阀4。此系统可以通过几种关断方式进行运作，最常见的是采用压力先导阀来感应管道压力，当管道压力超过或低于制定范围时进行运作。3.1.2 优缺点1） 可靠方便a、充分条件设计和科学选材保证阀门各零件的强度刚度和使用寿命。b、模块化设计使实行机构和闸板阀实现相对独立，这样是现场的替换和维护更加方便。c、通过优化设计的阀杆尺寸确保了阀门在故障时的安全运作，无论在任何情况下，此系统会联合执行机构的弹簧负荷和管道压力作用在加粗阀杆上，实现有效的紧急关断5。d、液压蓄能式切断阀的选择满足API 6A标准。为防火安全型，且能满足API6FA/607的要求6。e、适合各类高、低压井口，应用广泛。2） 精确精密的制造使阀门高压紧急截断和低压紧急截断值重复度偏差仅为1%；大直径气液转换缸的设置避免了因介质含液量大造成的冰堵现象，能准确的反应介质实际压力，防止了阀门的误操作。3） 国内应用情况目前，国内厂家在引进、消化的基础上，液压蓄能式紧急切断阀制造方面的技术已经成熟，价格与国产其它类型井口紧急切断阀相当，比国外进口具有绝对优势。液压蓄能式井口安全切断阀在中石油、中石化被现场实践证明，可应用于极端恶劣的工况下。国产液压蓄能式井口安全切断阀已广泛应用于中石化华北分公司大牛地气田、中石化西南分公司、中石油西南油气田分公司等500余台7。3.2 弹簧蓄能式井口紧急切断阀在国内、外弹簧蓄能式井口紧急切断阀的技术已经比较成熟，在低压气田有广泛的应用。下面以SKJD紧急切断阀为例简单介绍下弹簧蓄能式井口紧急切断阀，如图3 所示。平衡杆超压弹簧欠压弹簧压力传感器器平衡块引压管复位按钮压力表图3 弹簧蓄能式井口切断阀示意图3.2.1 弹簧蓄能式井口紧急切断阀的基本情况弹簧蓄能式井口紧急切断阀为快速关闭型的机械式安全截断装置。该装置完成关闭动作的能量是来自前次人力操作时存贮在弹簧中的能量，因此安装使用该截断装置的工作现场无需配备电源、气源、液力源或其他能源9。这种紧急切断阀在管线出现压力异常现象时将迅速完成截断动作，而一旦截断则不能自动复位。只有管线的故障排除后，且阀门的控制开关采集到管线压力处于正常的信号时。方可通过人力转动开启手柄、再将切断阀打开。每一个切断阀的双端远控开关配备有两套压力传感器和欠压/超压弹簧组，这样一个切断阀可以受控于两处压力信号采集点的压力信号。这两处的压力信号构成逻辑“或”的关系，亦即一处的压力信号超出了设定压力值都会让紧急切断阀完成切断动作。另外，由于可以将远控开关的两只压力传感器并接于同一压力信号采集点。而他们对应的弹簧组却预设了各自独立的压力保护范围，因此强制定位螺钉的位置状态可以约束欠压设定是否有效投入运行。1）超压保护当导压管将采集到的压力信号传输到压力传感器内，使推杆力大于弹簧力所设置的超压保护值时，在弹簧力的作用下推杆向向下运动，使平衡杆顺时针转动，破坏了内部的压力平衡从而完成切断动作。2）欠压保护当导压管将采集到的压力信号传输到压力传感器内，使推杆力小于弹簧力所设置的超压保护值时，在弹簧力的作用下推杆向向上运动，使平衡杆逆时针转动，破坏了内部的压力平衡从而完成切断动作。3）意外紧急切断SDYKKG双端远控开关设有紧急切断按钮，以便在发生其他未预见的危难工况下，实施认为的干预切断管线的气流，从而进入安全状态。3.2.2优缺点弹簧式井口安全切断阀在长庆苏里格气田（低压4Mpa）有大量应用，大牛地33#集气站（低压）邀请了三家生产弹簧式井口安全切断阀厂家进行了实验。价格相对比较低廉。另外维护方面，弹簧式切断阀维护工作量少，从而减少了很多工作量和运营成本。缺点是国内弹簧式井口切断阀厂家生产的切断阀不满足API 6A标准。4 结束语液压蓄能式井口安全切断阀以安全性好，可靠性高，一体化设计便于维护的特点在国内、外应用比较广泛，安全可靠，在国内的应用广泛。以后，对于井口节流前的高压集输工艺井口紧急切断阀将会进一步的推广。弹簧式井口切断阀和液压蓄能式井口安全切断阀在功能上相似，都能实现安全切断的功能，在安全级别和价格上存在差异。由于弹簧式井口切断阀低廉的价格，现阶段在国内长庆苏里格气田有大量应用。对于井口节流后的低压集输工艺及集气站进口紧急关断等领域应用比较合理，具有广泛的应用前景。但是，对于井口节流前高压集输工艺的井口紧急切断阀应用存在规范执行、安全性等问题，在该领域的应用值得进一步研究。参考文献1 王颖,季永强.大牛地气田低压串联集输适应性分析J.油气田地面工程,2011,31(2):3.2 樊高鹏.电动执行机构在能源行业的应用与发展J.通用机械,2009,5:29.3 张伟明.弹簧蓄能式水击装置的研制J.油气储运,