海洋工況下調(diào)節(jié)閥的設(shè)計選型

錢欣，李玉田，陳豐波，李治貴

（1.中海石油（中國）有限公司，天津 300461；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；）

0 引言

調(diào)節(jié)閥作為工藝流程上的重要設(shè)備，直接控制工藝介質(zhì)的流量，壓力，液位等參數(shù)，是維持工藝系統(tǒng)穩(wěn)定運行，提高工藝流程處理效率的重要設(shè)備，其控制效果的好壞，對于整個系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和可靠性有著十分重要的作用。

在海洋石油平臺上，調(diào)節(jié)閥也有著廣泛的應(yīng)用。由于行業(yè)特殊性，海油平臺存在著高溫度，高粘度，高壓力，高壓差，腐蝕，含沙，超大口徑，可調(diào)比大等惡劣工況，對調(diào)節(jié)閥的選型提出了更高要求。

本文主要介紹調(diào)節(jié)閥在選型設(shè)計中需要考慮的問題及其在苛刻海洋工況下的選型和應(yīng)用。

1 調(diào)節(jié)閥的工作原理

調(diào)節(jié)閥的節(jié)流面積由于閥芯的移動而改變，因此調(diào)節(jié)閥屬于節(jié)流元件[1]。

根據(jù)伯努利方程按能量不變原理可推導(dǎo)出調(diào)節(jié)閥流過量為：

其中

A：調(diào)節(jié)閥流通面積

P1：閥前絕壓

P2：閥后絕壓

ξ：調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)

ρ：流體密度

Q：體積流量

當調(diào)節(jié)閥兩端壓差不變時，流量Q隨阻力系數(shù)ξ變化，ξ減小，Q增大。因此調(diào)節(jié)閥是通過改變開度，使ξ值發(fā)生變化，來達到調(diào)節(jié)流量的目的。

C即為流量系數(shù)。根據(jù)流量，壓差等參數(shù)，可計算出調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)，再進行下一步的選型工作。

2 調(diào)節(jié)閥設(shè)計選型

在調(diào)節(jié)閥的選型過程中，需要綜合考慮閥門對工況的適用性，工藝系統(tǒng)安全性，經(jīng)濟性，可靠性等因素，結(jié)合具體的工況特點開展設(shè)計選型工作。主要從以下幾個方面考慮：

2.1 調(diào)節(jié)閥閥體類型選擇

根據(jù)工藝變量（溫度、壓力、壓降和流速等）、流體特性（粘度、腐蝕性、毒性、含懸浮物或纖維等）以及控制系統(tǒng)的要求（可調(diào)比、泄漏量和噪音等）、調(diào)節(jié)閥管道連接形式來綜合選擇調(diào)節(jié)閥型式。

目前海洋工況下常用的調(diào)節(jié)閥閥體類型為單座直通閥、套筒閥、角閥，V型球閥，全球型內(nèi)置隔板調(diào)節(jié)閥，全球型迷宮閥等。

通常單座直通閥（Top-Guided、cage-retained）一般適用于工藝要求泄漏量小、流量小，閥前后壓差小的場合。

套筒閥（cage guide）一般在閥門前后壓差大或閥門尺寸大的時候推薦選用。經(jīng)計算后產(chǎn)生氣蝕工況亦推薦選用套筒閥。但套筒閥不適用于含固體顆粒臟污的介質(zhì)場合。

角閥一般適用于高粘度或懸浮物的流體，容易閃蒸的場合及管道要求直角配管的場合。另外若合理選擇閥內(nèi)件，角閥也可適用于高靜壓、大壓差的場合。

全球型，V型調(diào)節(jié)閥可用于密封等級高，流通能力大，含臟污介質(zhì)的場合，其中V型球閥，全球型內(nèi)置隔板調(diào)節(jié)閥用于壓降較小的工況，而全球型迷宮閥可用于壓降較大的工況，如海管段塞工況。

2.2 調(diào)節(jié)閥的口徑選擇

將調(diào)節(jié)閥的相應(yīng)工藝參數(shù)輸入軟件進行計算會得出調(diào)節(jié)閥的最大，正常和最小CV值，并據(jù)此選擇合適的閥門口徑。

一般來說，若閥門流量特性為線性，則要求閥門開度需在10%～80%之間，若閥門流量特性為等百，則要求閥門開度需在30%～90%之間。閥門的縮徑盡量不超過管線口徑的一半。

2.3 調(diào)節(jié)閥噪音的應(yīng)對措施

一般情況下，海洋平臺上要求調(diào)節(jié)閥的噪聲在連續(xù)工況小于85dBA，在間歇工況下小于90dBA。

調(diào)節(jié)閥噪音主要來源于3個方面：機械振動、水力學(xué)噪音和空氣動力學(xué)噪音[2]。

空氣動力學(xué)噪音是流體流經(jīng)閥節(jié)流處的流動機械能轉(zhuǎn)化為聲能的結(jié)果，是主要的噪聲來源。降低閥空氣動力學(xué)的主要方法主要有兩種：

1）聲源處理，防止噪音產(chǎn)生。采用低噪音閥門，主要是在閥芯形式上做改進，采用多級套筒、多級閥芯或迷宮式閥芯等結(jié)構(gòu)；

2）聲路處理，一般是在閥后加裝帶有帶小孔的擴散器或在閥后1m長管道上覆蓋隔音材料。

2.4 調(diào)節(jié)閥材質(zhì)選擇

調(diào)節(jié)閥材質(zhì)的選擇要考慮介質(zhì)的溫度，壓力，腐蝕性，是否會產(chǎn)生閃蒸氣蝕工況，材料的性價比，材料本身的機械性能等。

一旦出現(xiàn)高溫，必須注意在高溫環(huán)境下金屬材料的強度變化及腐蝕性。在低溫工況下，建議材料進行低溫韌性沖擊試驗。閥門密封材料和閥桿填料等軟材料也需要考慮對高低溫度的適應(yīng)性。

在高壓工況下，如ANSI 2500#閥門，考慮材料強度，閥內(nèi)件的材料不宜選用316SS，建議選用至少選用duplexSS材質(zhì)。

為應(yīng)對氣蝕工況和含有固體顆粒的流體，閥芯材質(zhì)需進行硬化處理。硬化處理一般有三種方式[1]：

a）熱處理。

b）堆焊硬化層，如堆焊司太萊合金。

c）表面硬化處理。多種元素共滲的表面硬化處理，主要用在籠式閥芯材料硬化處理。

海油平臺常見的腐蝕工況有含水天然氣，海水，含二氧化碳等，常用奧氏體不銹鋼,雙相不銹鋼，鎳鋁青銅，蒙乃爾等材料抵抗腐蝕工況。

2.5 調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇

調(diào)節(jié)閥的流量特性，是指在工況條件下，當介質(zhì)流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時，流量與調(diào)節(jié)閥的開度之間的關(guān)系[3-4]。常用的調(diào)節(jié)閥流量特性一般有線性，等百，快開，拋物線型等幾種，如圖1所示。

圖1 調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線

根據(jù)圖1流量特性曲線，在線性流量流量特性曲線中，閥門的相對行程與通過閥門的相對流量成正比，即相同的閥門開度變化，大流量時流量相對值變化小，小流量時流量相對值變化大。在海洋石油領(lǐng)域，線性調(diào)節(jié)閥一般用于流量調(diào)節(jié)。

等百分比的流量特性特點是，閥門的相對行程與流量的變化不是正比關(guān)系，是對數(shù)關(guān)系，在不同的閥門開度下，閥門開度變化引起的流量變化是相同的。因此，小流量時流量相對值變化小，大流量時流量相對值變化大。在海洋石油領(lǐng)域，等百調(diào)節(jié)閥一般用于溫度，壓力等的調(diào)節(jié)。

快開流量特性的特點是，在小開度時，只要閥門行程有小的變化，流量變化范圍就會很大，由于閥門增益過大，快開閥門一般用于開-關(guān)場合使用。

基于以上各種流量特性的特點，海洋石油工程項目中經(jīng)常使用線性和等百兩種流量特性閥門來調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)[5]。

2.6 調(diào)節(jié)閥的泄漏等級選擇

通常工況下要求閥門泄漏等級為ANSI IV級，在一些關(guān)鍵性的用途上或常關(guān)的閥門可要求V級或VI級。

2.7 調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)的選擇

根據(jù)動力源不同，調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機構(gòu)可分為氣動型，電動型，液動型。在實際工程項目中，以氣動執(zhí)行機構(gòu)的使用為多。

氣動執(zhí)行機構(gòu)有氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)和氣動活塞執(zhí)行機構(gòu)。

氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)簡單可靠，成本低廉，但輸出力較小。為提高輸出力，通常做法是增大尺寸，使得執(zhí)行機構(gòu)的尺寸和重量變得很大，因此，此類執(zhí)行機構(gòu)多用于尺寸較小，磅級較低的場合。

氣缸活塞執(zhí)行機構(gòu)能充分氣源壓力來提高執(zhí)行機構(gòu)的輸出力，減少重量和尺寸，適用于高壓差、高靜壓和要求有大推力的應(yīng)用場合。

3 針對具體工況的選型分析

在南海某深水天然氣項目中，由于工藝流程壓力高，流量大，壓降要求緊張，調(diào)節(jié)比大，且存在規(guī)模年與配產(chǎn)之間的不協(xié)調(diào)，給調(diào)節(jié)閥選型帶來極大挑戰(zhàn)。下面針對這些典型工況具體分析，并給出選型建議。

3.1 HIPPS前壓力調(diào)節(jié)閥選型分析

HIPPS是high integrity pressure protection system的簡稱，其作用在于：當海管來液壓力過高時，及時切斷高壓源頭，從而達到保護下游設(shè)備的目的。工藝流程在登平臺海管上HIPPS設(shè)備前設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥，保證HIPPS前壓力的穩(wěn)定性，盡量減少HIPPS設(shè)備的動作，以保證工藝流程平穩(wěn)，安全地生產(chǎn)運行。如表1所示。

表1 HIPPS前調(diào)節(jié)閥工藝參數(shù)表

分析上述工況，管線口徑為22”，經(jīng)過咨詢單座直通型調(diào)節(jié)閥廠家，沒有22”的標準產(chǎn)品，最大只能選擇20”單座直通調(diào)節(jié)閥；且經(jīng)過計算，即使選用20”閥門，在滿足最大流量的前提下，所需要的壓損遠大于允許最大壓損。因此選用單座直通閥不可行。

結(jié)合全球型調(diào)節(jié)閥適用于大流量，低壓降工況的特點，此處選用球型調(diào)節(jié)閥。經(jīng)計算，選用16”的閥體，閥門開度在30%～75%之間。考慮含水天然氣對閥門的腐蝕性，閥體，閥球，閥座，采用A182F51，閥桿采用高強度的inconel 718。

此處工況選用全球型調(diào)節(jié)閥，為中海油首次使用球形調(diào)節(jié)閥，解決了工藝流程上壓降緊張的問題，且使用全球型調(diào)節(jié)閥，由于此類型調(diào)節(jié)閥流通能力大，減小了閥門尺寸，降低了投資。

3.2 斷塞流捕集器液相出口液位調(diào)節(jié)閥選型分析

斷塞流捕集器液相出口設(shè)置調(diào)節(jié)閥，以控制斷塞流捕集器罐內(nèi)液位。如表2所示。

表2 斷塞流捕集器液相出口調(diào)節(jié)閥工藝參數(shù)表

分析上述工況，流量范圍為41～8760m3/d，采用一個調(diào)節(jié)閥無法達到如此大的調(diào)節(jié)比，因此使用雙閥調(diào)節(jié)，采用分程控制方案來解決此問題。

由儀表專業(yè)通過計算（計算依據(jù)為根據(jù)流量的上下限，在盡可能擴大這兩個閥門調(diào)節(jié)范圍的情況下通過計算確認出合理的分界點，此分界點以下的流量由小閥控制，總流量減去分界點的流量由大閥控制。），確認小閥尺寸為3”，流量調(diào)節(jié)范圍為70～960 m3/d，大閥尺寸為8”，流量需調(diào)節(jié)范圍為0～7800 m3/d，實際可調(diào)范圍為300～7800 m3/d，調(diào)節(jié)閥的可調(diào)節(jié)流量下限為70 m3/d。流量分界點即為960m3/d。運用此方式進行流量調(diào)節(jié)，需要在總流量為70～960 m3/d的范圍內(nèi)用小閥進行調(diào)節(jié)，流量在960～8760 m3/d范圍內(nèi)保持小閥全開，再打開大閥進行調(diào)節(jié)。

采用分程控制方案，分程控制點的選擇尤為重要。一般來說，使兩個閥門的調(diào)節(jié)比近似的分程點為較優(yōu)化方案。

3.3 凝析油外出泵出口調(diào)節(jié)閥選型分析

凝析油外輸泵出口處壓力很高，壓降較大。如表3所示。

表3 凝析油外輸泵出口調(diào)節(jié)閥工藝參數(shù)表

流體特性 潔凈流體工作溫度（℃） 40工作流量(Sm3/h)最小：0正常：0～42最大：140入口壓力（k PaG）（對應(yīng)最大，正常和最小流量）最小：12200正常：2430～7430最大：10730允許最大壓損（k Pa）（對應(yīng)最大，正常和最小流量）最小：5150正常：3680～5150最大：3680

此工況由于壓降過大，因此采用多級套筒閥，閥芯的設(shè)計采用防氣蝕型。介質(zhì)沒有腐蝕性，閥體采用鑄造碳鋼A216WCB；同時，由于該閥門磅級較高，對閥內(nèi)件的材料硬度要求較高，雖然不是腐蝕工況，此處也選用硬度較高的duplexSS來應(yīng)對如此高的入口壓力。閥門的流量特性選用等百，密封等級為ANSI IV級。

通過以上分析，在上述幾個典型工況中選取合適的調(diào)節(jié)閥，能夠滿足特殊工況下的壓力流量調(diào)節(jié)，使閥門開度合適，工藝流程穩(wěn)定，確保安全生產(chǎn)，保證控制質(zhì)量，減少不必要的經(jīng)濟損失，對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有著重要意義。

4 結(jié)束語

隨著開發(fā)規(guī)模的不斷擴大，從經(jīng)濟性及可持續(xù)發(fā)展等方面考慮，現(xiàn)階段的開發(fā)工程多為滾動開發(fā)工程項目，中心處理平臺，油氣輸送海底管道，終端處理設(shè)施等設(shè)備多要求具有涵蓋整個開發(fā)周期處理量的能力，這就意味著儀表閥門在選型過程中會遇到更為苛刻的工況條件，需要我們以更加嚴肅謹慎的態(tài)度對待調(diào)節(jié)閥的選型工作，使得調(diào)節(jié)閥的選型能夠更好適應(yīng)工況需求?！?/p>

[1] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設(shè)計手冊[M].第三版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2000:208,219-220,223-229.

[2] ISA. Instrument Engineers, Handbook. Fourth edition[M]. USA.2003:1050-1055.

[3] 美 J.W.哈奇森主編，林秋鴻等譯.調(diào)節(jié)閥手冊[M].第二版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社. 1984:166-180, 267-268.

[4]《海洋石油工程設(shè)計指南》編委會.海洋石油工程電氣,儀控,通信設(shè)計[M].北京:石油工業(yè)出版社.2007:375-377.

[5] 謝云山,劉建領(lǐng),趙忠榮.調(diào)節(jié)閥的選型設(shè)計要點[J].自動化與儀器儀表：2008,5/139,53-54.