Flexflo887水擊泄壓閥在長輸管道穩(wěn)定運(yùn)行上的應(yīng)用

劉 瑋，陳玉海，傅信濤

（美國德萊塞公司北京代表處，北京 100004）

Flexflo887水擊泄壓閥在長輸管道穩(wěn)定運(yùn)行上的應(yīng)用

劉 瑋，陳玉海，傅信濤

（美國德萊塞公司北京代表處，北京 100004）

在密閉壓力管道中，由于液體流速的急劇改變，極易產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，若沒有采取保護(hù)措施，該現(xiàn)象就會給整個(gè)輸送系統(tǒng)造成極大的破壞。文章在簡要介紹水擊現(xiàn)象發(fā)生的原因、破壞性以及避免水擊發(fā)生的措施的基礎(chǔ)上，較詳細(xì)地介紹了Flexflo887水擊泄壓閥的結(jié)構(gòu)、操作原理和產(chǎn)品特點(diǎn)，并結(jié)合其在鐵大線輸油管道上20多年的使用經(jīng)驗(yàn)，提出了操作和維護(hù)的建議。

長輸管道；水擊泄壓閥；工作原理；穩(wěn)定性；維護(hù)建議

0 引言

Flexflo887水擊泄壓閥由美國德萊賽公司制造，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及穩(wěn)定的運(yùn)行表現(xiàn)，有效地防止了因意外或閥門緊急關(guān)斷而造成的管道過壓和紊流，保護(hù)了長輸管道的安全。1989年開始應(yīng)用于中石油鐵大線原油輸送管道上的8臺flexflo887水擊泄壓閥，20多年來運(yùn)行良好穩(wěn)定、維護(hù)量小、安全可靠，充分證明了其質(zhì)量的優(yōu)越性。

1 水擊

1.1 水擊現(xiàn)象產(chǎn)生的原因

在密閉壓力管道中，由于液體流速的急劇改變，造成瞬時(shí)壓力明顯、反復(fù)、迅速變化的現(xiàn)象稱為水擊，也稱水錘。發(fā)生水擊現(xiàn)象的原因很多，造成管道內(nèi)液體介質(zhì)流速急劇改變的操作都有可能引起水擊事故。如當(dāng)管道的閥門突然關(guān)閉或開啟時(shí)，當(dāng)泵突然停止或啟動(dòng)時(shí)，或者管道上止回閥失靈時(shí)，都會引起管道內(nèi)介質(zhì)流速的瞬時(shí)急劇變化，引起液體介質(zhì)動(dòng)量的改變，使管道內(nèi)壓力發(fā)生顯著變化，從而引發(fā)水擊。

1.2 水擊的破壞性

水擊具有非常強(qiáng)的破壞性，在密閉輸送管道中一旦發(fā)生水擊，若管道沒有配備保護(hù)措施，就將會對整個(gè)輸送系統(tǒng)造成不可估量的損失，甚至造成重大安全事故。圖1為管道發(fā)生水擊時(shí)壓力波動(dòng)和時(shí)間的關(guān)系。

從圖1中可以看出，水擊現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，管道內(nèi)的壓力迅速升高，通常為管道設(shè)計(jì)壓力的幾倍，使管道在瞬間承受很大壓力；壓力的反復(fù)變化，會引起管道和設(shè)備的振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會造成管道爆裂、管道附件及設(shè)備的損壞，甚至造成嚴(yán)重的安全事故。1996年美國Colonial公司D 914 mm的管道在穿越Reedy河段時(shí)發(fā)生水擊爆管 （見圖2），該事故造成3 625 m3的原油泄漏到河中。本次事故給Colonial公司造成了2 000多萬美元的損失，幸運(yùn)的是沒有造成人員傷亡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年在全球范圍內(nèi)的密閉液體輸送管道都會發(fā)生幾起類似的事故，每次事故都會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境破壞。

如何避免水擊現(xiàn)象的發(fā)生，如何在水擊發(fā)生時(shí)用最短的時(shí)間消除水擊，已經(jīng)成為液體密閉輸送中一個(gè)必須考慮的課題。

1.3 避免水擊現(xiàn)象發(fā)生的措施

水擊現(xiàn)象是一種客觀存在的純物理現(xiàn)象，根據(jù)其產(chǎn)生的機(jī)理和變化規(guī)律，如果在管路設(shè)計(jì)及日常操作中采取一定的措施，是可以避免或減輕的。

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，則會產(chǎn)生負(fù)壓而發(fā)生液柱分離。因此，為避免水擊的發(fā)生，設(shè)計(jì)施工中宜將管道布置成均勻上升，并向下凹的平緩走向，便可避免產(chǎn)生負(fù)壓，保證管道安全。

1.3.2 延緩閥門的調(diào)節(jié)時(shí)間

根據(jù)閥門特性以及截止閥從關(guān)到全開度的15%管內(nèi)流體的流速幾乎不變這一點(diǎn)來延緩其調(diào)節(jié)時(shí)間。由于閥門引起的壓力損失很小，剩余的15%的開度成為造成管內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)的關(guān)鍵，這段關(guān)閉時(shí)間也就成為有效的關(guān)閉時(shí)間。那么，設(shè)法使剩余的15%的開度緩慢關(guān)閉，便可使壓力變化值降低。因此，在高速管道上有自動(dòng)切斷閥時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用緩閉式電動(dòng)閥等以有效地緩和水擊的發(fā)生。

1.3.3 設(shè)置調(diào)壓器

在完成向一定容積的罐內(nèi)裝載流體后，如果迅速關(guān)閉入口閥門，配管會不可避免地產(chǎn)生水擊，瞬時(shí)受到壓縮而變?yōu)楦邏旱牧黧w如果能導(dǎo)入調(diào)壓器，則配管內(nèi)液體的流動(dòng)速度就會緩慢降低，可以通過調(diào)壓器來實(shí)現(xiàn)這一目的。

1.3.4 安裝水擊泄壓閥

根據(jù)水擊產(chǎn)生的機(jī)理可知，如果能延長流體的被壓縮時(shí)間，那么動(dòng)量轉(zhuǎn)化就會降低，所以，如果能讓被壓縮的液體流出配管之外，使管內(nèi)的流動(dòng)能夠持續(xù)一定時(shí)間的話，就可以使水擊上升壓力變小。由于水擊波速度極快，壓力的上升是瞬間的，要求泄壓閥門也必須在瞬間打開，普通機(jī)械構(gòu)造的安全閥是不能夠瞬間完成的，因此，要采用可動(dòng)部件質(zhì)量極小并在極短時(shí)間內(nèi)能夠開機(jī)的水擊泄壓閥。

利用水擊泄壓閥避免水擊發(fā)生在中國的長輸管道上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。響應(yīng)時(shí)間快慢是評價(jià)水擊泄壓閥產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。

2 Flexflo887水擊泄壓閥結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)

Flexflo887水擊泄壓閥結(jié)構(gòu)簡單，主要由閥體、襯套、膠囊、隔斷式閥芯、法蘭和螺栓等部件組成，如圖3所示。

2.2 工作原理

以泄壓閥安裝在罐前為例說明Flexflo887水擊泄壓閥的工作原理。如圖4所示，為避免水擊的發(fā)生，一般在油罐區(qū)的入口處要裝有水擊泄壓閥和配套的泄壓罐。

當(dāng)主管道發(fā)生水擊時(shí)，介質(zhì)壓力迅速升高，當(dāng)壓力升至水擊泄壓閥的設(shè)定點(diǎn)時(shí)，水擊泄壓閥迅速打開將介質(zhì)泄放到泄壓罐內(nèi)，使管道內(nèi)的壓力降到正常范圍內(nèi)。水擊泄壓閥配有氮?dú)馄拷M，氮?dú)馔ㄟ^壓力調(diào)節(jié)后加載到泄壓閥的皮囊表面上，經(jīng)計(jì)算確定氮?dú)馄拷M需要設(shè)定的壓力，氮?dú)獾膲毫推つ姨峁┑膲毫餐饔迷诟魯嗍介y芯上，使閥門在關(guān)閉時(shí)達(dá)到氣泡級密封。氮?dú)鈮毫推つ覊毫χ蜑樾狗艍毫Φ脑O(shè)定值，如圖5所示。當(dāng)水擊發(fā)生時(shí)，介質(zhì)壓力升高至泄放壓力設(shè)定值時(shí)，介質(zhì)會克服氮?dú)夂推つ业膲毫Χ蜷_閥門，使介質(zhì)流經(jīng)隔斷式閥芯泄放到下游的泄壓罐內(nèi)。當(dāng)泄壓罐內(nèi)的液位達(dá)到設(shè)定液位時(shí)，控制系統(tǒng)會自動(dòng)啟動(dòng)回流泵將介質(zhì)輸送至主罐。

根據(jù)工藝條件來決定是否為水擊泄壓閥配備氮?dú)饪刂票P （見圖6）。氮?dú)饪刂票P可使同等口徑的泄壓閥的泄放量大大增加，并且也相應(yīng)提高泄壓閥的泄壓速度，使整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

Flexflo887有三種具有不同功能的氮?dú)饪刂票P，其型號分別為CP1、 CB、 CBAT控制盤。 CP1控制盤的功能比較簡單，具有設(shè)定值不受環(huán)境溫度改變影響的功能；CB控制盤具有加速氮?dú)庑狗诺墓δ?，?dāng)泄壓閥檢測到介質(zhì)壓力達(dá)到泄放設(shè)定點(diǎn)時(shí)，控制盤CB會迅速將加載到皮囊上的氮?dú)庑狗诺?，讓皮囊迅速打開，使整個(gè)泄壓過程在很短的時(shí)間內(nèi)完成；CBAT控制盤除了具有加速氮?dú)庑狗殴δ芡猓€具有氮?dú)鈮毫Φ偷膱?bào)警功能，以及整個(gè)控制回路的測試功能。

3 Flexflo887水擊泄壓閥的特點(diǎn)

3.1 響應(yīng)速度快

從檢測到水擊到閥門全開的時(shí)間小于10 ms。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于長輸管道的設(shè)計(jì)要求，比同類產(chǎn)品的響應(yīng)速度都快，保證了把水擊產(chǎn)生的超壓在最短的時(shí)間內(nèi)泄放掉，確保設(shè)備和人員的安全。

3.2 結(jié)構(gòu)簡單

從圖3中可以看出，整個(gè)水擊泄壓閥只有膠囊為可動(dòng)部件，有效地減少了設(shè)備的故障發(fā)生率，并且使水擊泄壓閥的維修和維護(hù)變得非常簡單。

3.3 控制精確

控制精度為小于5%的壓力設(shè)定點(diǎn)。例如，如果泄壓設(shè)定點(diǎn)為10 MPa，那么泄壓閥會在壓力達(dá)到10 MPa時(shí)開始打開，當(dāng)壓力達(dá)到10.5 MPa或者小于該值時(shí)已經(jīng)達(dá)到全開，該精度高于其他形式的水擊泄壓閥和所有類型的安全閥。

3.4 無過度泄放

在發(fā)生水擊時(shí)迅速打開，當(dāng)壓力泄放至設(shè)定點(diǎn)時(shí)閥門會迅速關(guān)閉，不會因?yàn)殛P(guān)閉延遲導(dǎo)致泄放過量。

3.5 氣泡級密封

在關(guān)閉時(shí)其關(guān)斷等級達(dá)到CLASS VI級，為氣泡級密封；避免了在閥門關(guān)斷時(shí)內(nèi)漏的現(xiàn)象發(fā)生。

3.6 結(jié)構(gòu)堅(jiān)固

有D102mm至D305mm，壓力等級為CLASS150、CLASS300和CLASS600的水擊泄壓閥，水擊泄壓閥結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，能夠保證在高壓輸送管道上各種工況條件下的應(yīng)用。

4 Flexflo887水擊泄壓閥在中石油鐵大線的應(yīng)用

4.1 Flexflo887水擊泄壓閥在鐵大線的應(yīng)用

鐵大輸油管道位于遼寧省，起點(diǎn)位于鐵嶺，終點(diǎn)是大連，包括鐵嶺站、沈陽站、鞍山站、大石橋站、熊岳站、瓦房店站、鲇魚灣站，全長458.69 km，管規(guī)格為D 720 mm×8 mm，設(shè)計(jì)輸油能力為2 000萬t/a，1975年投運(yùn)，1989年改造引進(jìn)8臺flexflo887水擊泄壓閥。

4.2 Flexflo887水擊泄壓閥的運(yùn)行維護(hù)

根據(jù)Flexflo887水擊泄壓閥在鐵大線輸油管道上20多年的使用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出操作和維護(hù)過程中的注意事項(xiàng)，確保長輸管道的運(yùn)行安全。

4.2.1 更換高壓氮?dú)馄繒r(shí)的操作程序

先關(guān)閉氮?dú)馄康拈_關(guān)和連接軟管端的開關(guān)，通過排氣閥將軟管內(nèi)氮?dú)鈮毫π狗胖琳：髮⑴艢忾y關(guān)閉。拆卸軟管和氮?dú)馄拷涌?，更換高壓氮?dú)馄?，擰緊軟管與氮?dú)馄窟B接口，緩慢打開氮?dú)馄块_關(guān)和軟管端的開關(guān)，在接口處涂抹肥皂水，檢查是否有氮?dú)庑孤?。如果有滲漏，擰緊接口處。

4.2.2 運(yùn)輸?shù)獨(dú)馄康淖⒁馐马?xiàng)

在運(yùn)輸?shù)獨(dú)馄壳?，將氮?dú)馄靠陂y門關(guān)閉，使用瓶口帽將瓶口保護(hù)好。運(yùn)輸?shù)獨(dú)馄繒r(shí)，需要捆扎牢固，以免碰撞發(fā)生意外。氮?dú)馄可蠎?yīng)確保有手輪或扳手，以便在緊急情況下關(guān)閉氮?dú)馄俊?/p>

4.2.3 水擊泄壓閥壓力的設(shè)定和泄壓閥的開啟測試

關(guān)斷水擊泄壓閥上游的截?cái)嚅y，連接手搖泵至取壓點(diǎn)接口；用手搖泵往主管道加壓至設(shè)定壓力值時(shí)，水擊泄壓閥開啟泄壓，同時(shí)再加壓時(shí)，主管段內(nèi)壓力值不再增加 （通過壓力表觀察），說明設(shè)定壓力值正確，至此，水擊泄壓閥設(shè)定值和開啟測試完畢。如果主管段內(nèi)壓力沒有達(dá)到預(yù)定壓力設(shè)定值，水擊泄壓閥開啟泄壓緩慢，則順時(shí)針調(diào)整氮?dú)饪刂乒裰信c水擊泄壓閥相對應(yīng)的調(diào)壓器，增加氮?dú)鈮毫?，重新使用手搖泵進(jìn)行加壓，直到壓力達(dá)到設(shè)定值，水擊泄壓閥開啟泄壓。如果主管段內(nèi)壓力超過預(yù)定壓力設(shè)定值，水擊泄壓閥還未開啟，壓力繼續(xù)增加，這時(shí)關(guān)閉氮?dú)饪刂乒癯隹谂c水擊泄壓閥相對應(yīng)的引壓管閥門，通過泄壓閥上方的排氣閥將氮?dú)鈮毫徛档偷皆O(shè)定壓力值。水擊泄壓閥開啟時(shí)，記住氮?dú)鈮毫Ρ碜x數(shù)，逆時(shí)針調(diào)整相對應(yīng)的調(diào)壓器，使氮?dú)鈮毫εc泄壓閥開啟時(shí)氮?dú)鈮毫Ρ碜x數(shù)一致，打開引壓管和氮?dú)饪刂乒癯隹谥g的閥門，重新加壓直到壓力達(dá)到設(shè)定值，水擊泄壓閥開啟泄壓。測試完畢后，連接手搖泵將管內(nèi)壓力泄放至常壓后，才能拆卸手搖閥?；謴?fù)正常后，緩慢開啟水擊泄壓閥上游的截?cái)嚅y，水擊泄壓閥可以正常投入使用。

4.2.4 水擊泄壓閥的維護(hù)工作

定期對閥心進(jìn)行清洗，避免因雜質(zhì)堆積導(dǎo)致在閥門開啟或關(guān)閉時(shí)損壞閥門，以及泄壓閥工作時(shí)出現(xiàn)誤判，導(dǎo)致長輸管道不必要停輸；當(dāng)發(fā)現(xiàn)閥門動(dòng)作遲緩時(shí)應(yīng)及時(shí)投用備用閥，清理柱塞內(nèi)的液體以保證閥門動(dòng)作快速靈敏。無論是測試、維修泄壓閥，還是正在使用的壓力調(diào)節(jié)器發(fā)生故障時(shí)，都必須切斷氣源并排放閥中的氣體，避免發(fā)生氣體壓力超高引發(fā)傷人事故。在維修控制盤時(shí)應(yīng)關(guān)掉水擊泄壓閥的充氣閥，并逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器的手柄，排泄掉控制盤和氮?dú)夤苈分械膲毫?，方可維修。

Use of Flexflo887 Surge Relieving Valve to Maintain Stable Pipeline Operation

LIU Wei（Dresser Instrument Beijing Representative Office,Beijing 100004,China），CHEN Yu-hai,FU Xin-tao

In a closed pressure pipeline,water hammer phenomenon may occur due to sudden change of liquid velocity.It could cause damage to the whole transportation system if without adequate protection measure being taken.This paper gives a brief introduction to the cause,hazard and preventive measure of water hammer phenomenon,and puts emphasis on the structure,operation principle and functional feature of Flexflo887 surge relieving valve.It also offers proposals of operation and maintenance of the valve based on the 20 year’s experience of the valve application in Tie—Da oil pipeline

long-distance pipeline;surge relieving valve;working principle;stability;proposal of maintenance

TE88

B

1001－2206（2011）06－0033－04

劉 瑋 （1980-），男，甘肅慶陽人，2003年畢業(yè)于北京化工大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，在讀MBA，現(xiàn)從事石油工程機(jī)械市場開發(fā)相關(guān)工作。

2011-09-02