海洋平臺上安全閥的設計與選型

李治貴，宮儉純，姜來舉

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

海上油氣田平臺的特點是空間受限，油氣處理設施、電氣設備、人員集中在同一個平臺上，對平臺的安全生產(chǎn)提出了極為嚴格的要求。海洋平臺上設置的工藝設備、管線，基本都是在壓力下進行作業(yè)的，對壓力容器、換熱器、機械設備、管道系統(tǒng)而言，安全閥的設置必不可少。作為平臺壓力設施的重要附件，當發(fā)生工藝事故和火災事故時，安全閥的動作可靠性和性能好壞直接關系到設備和人身的安全，并和節(jié)能與環(huán)境保護緊密相關，為此，本文對安全閥的選用加以分析，并得出海洋平臺上常用安全閥的選性原則。

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1 安全閥形式簡介

1.1 按結(jié)構(gòu)形式分類

按結(jié)構(gòu)形式的不同，安全閥可分為彈簧式安全閥、波紋管式安全閥和先導式安全閥[1]。

彈簧式安全閥是一種常用的安全閥，但在關閉力、泄放特性等方面受背壓的影響較大。由于安全閥的泄露往往受閥門關閉力的影響，就作用原理而言，彈簧式安全閥閥前壓力越接近設定值，閥前關閉力越小，越易泄露[2]。

波紋管式安全閥也是一種由彈簧作用的安全閥，用活塞或波紋管減少背壓對安全閥動作性能的影響。

全啟式安全閥的特性是當安全閥入口處的靜壓達到設定壓力時，閥瓣迅速上升到最大高度，最大限度地排除超壓的物料。一般用于可壓縮流體（如蒸汽和其他氣體）。閥瓣的最大上升高度不小于喉徑的1/4[3]。

1.2 按閥瓣開啟高度分類

低溫用安全閥的沖擊試驗僅限于閥體、彈簧罩和法蘭。

先導式安全閥是由導閥控制的安全閥。其定壓由導閥控制，動作特性基本上不受背壓的影響，閥前壓力越高，閥門關閉越嚴密。先導式安全閥的缺點是對含有雜質(zhì)或粘度較大的介質(zhì)可能會造成導閥堵塞，從而造成主閥不動作的事故。

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2 安全閥的選型原則

一般情況下，普通彈簧式安全閥即可滿足大部分泄放需求。當流程工況條件復雜，彈簧式安全閥無法滿足要求時，則需選用特殊的波紋管或先導式安全閥[4]。在設計過程中，有如下常見的選型原則。

圖1 WHPB-PSV-B141液相噴嘴口徑計算參數(shù)Fig.1 WHPB-PSV-B141 liquid orifi ce diameter calculation parameters

表1 管道液相工藝參數(shù)Table 1 Pipe liquid phase process parameters

表2 管道氣相工藝參數(shù)Table 2 Gas-phase process parameters

圖2 WHPB-PSV-B141液相噴嘴口徑計算結(jié)果Fig.2 WHPB-PSV-B141 liquid orifi ce diameter calculation

圖3 WHPB-PSV-B141液相噴嘴口徑計算結(jié)果Fig.3 WHPB-PSV-B141 liquid orifi ce diameter calculation

2.1 平衡波紋管安全閥選型原則

當安全閥的背壓大于其設定值的10%，而小于30%時。

當介質(zhì)具有腐蝕性、易結(jié)垢、易結(jié)焦，會影響安全閥彈簧的正常工作時。

微啟式安全閥的特性是當安全閥入口處的靜壓達到設定壓力時，閥瓣位置隨入口壓力升高而成比例地升高，最大限度地減少排出的物料，一般用于不可壓縮的流體（如水和油等液體）。閥瓣的最大上升高度不小于喉徑的1/20~1/40[3]。

當安全閥的背壓不穩(wěn)定，其變化可能影響安全運行時。

2.2 先導式安全閥選型原則

安全閥的閥體、彈簧罩的材料應同安全閥入口的配管材料一致。

對要求安全閥的密封性能特別好的場合或操作壓力大于定壓90%以上的。

當介質(zhì)有毒、有害時，應選用不流動導閥（即導閥打開時，它不向外排放介質(zhì)）。

2.3 其他選型原則

除波紋管安全閥及用于排放水、水蒸氣或空氣的安全閥以外，所有安全閥都要選用帶封閉式彈簧罩結(jié)構(gòu)。

3.“妹妹幾歲了？可也上過學？現(xiàn)吃什么藥？在這里不要想家，想要什么吃的，什么玩的，只管告訴我；丫頭老婆們不好了，也只管告訴我?！?/p>

除液體膨脹泄壓允許采用螺紋連接外，一般只采用法蘭連接的彈簧式安全閥或帶導閥的安全閥。

當介質(zhì)是水蒸氣或空氣時，允許選用帶扳手的安全閥。

介質(zhì)溫度大于300℃時，需選用帶散熱片的彈簧式安全閥。

安全閥采用軟密封，可有效地減少安全閥開啟前的泄漏，比常規(guī)的硬密封更耐用，更易維修，價格也更低。只要安全閥使用溫度和介質(zhì)允許，應盡量選擇軟密封。

2.4 安全閥材質(zhì)選擇[5]

當安全閥的背壓力大于其設定值的30%以上時。

對某些系統(tǒng)，如排出的液體經(jīng)安全閥閥孔的節(jié)流孔降壓后會氣化，導致溫度降低的自制冷系統(tǒng)，應考慮選用能滿足低溫要求的材料。

碳鋼閥體的安全閥，其閥桿要用鍛制鉻鋼；奧氏體鋼閥體的安全閥，閥桿用316不銹鋼或相當?shù)牟牧稀?/p>

二是求解器求解過程：對內(nèi)流體模型所劃分的網(wǎng)格上所有含有單一變量的方程進行求解，直到獲得該方程的解，另一個參數(shù)方程的求解需通過循環(huán)這一過程，該方程(相互耦合的非線性控制方程)可進行多次迭代求解，當所求解的方程組收斂，該求解過程結(jié)束。

從閥瓣開啟高度不同的角度分類，安全閥可分為全啟式安全閥和微啟式安全閥。

3 針對具體工況的分析

本文以BZ 13-1平臺的工藝工況為基礎，選取測試加熱器到測試流量計的油氣混輸管線上安全閥WHPBPSV-B141作為實例，分析具體的選型過程。工藝參數(shù)如表1、表2所示。

對殼聚糖-明膠澄清方法進行響應面分析，以透過率（Y）作為評價指標，響應面設計方案與結(jié)果見表3，方差分析見表4。

根據(jù)工藝專業(yè)提供的參數(shù)，該應用是油氣混合相的工況。總背壓是設定壓力的6.4%，背壓較小，對選用安全閥的性能影響不大。操作壓力范圍很大，安全閥的選用原則是根據(jù)最惡劣工況條件選擇泄壓設備，最大正常操作壓力達到設定壓力的92%。彈簧式安全閥在操作壓力達到設定壓力的90%以上會產(chǎn)生泄露，因此選用先導式安全閥。工藝工況粘度為25cP，滿足先導式安全閥要求介質(zhì)不能有大顆粒雜質(zhì)或粘度太高。綜上所述，選用先導式安全閥。

本例是氣液兩相混合工況，現(xiàn)有的INTOOLS專業(yè)計算軟件不能同時一次性計算出噴嘴面積。目前采用的方法是分別計算氣液泄放的噴嘴面積，然后相加。將上述工藝參數(shù)分別輸入到INTOOLS中進行氣液相泄放面積計算，如圖1所示為液相參數(shù)輸入界面。

皖河流域位于安徽省西南部，安慶市中部，大別山脈南坡與長江干流之間。經(jīng)緯度是東經(jīng)115°45′～117°02′，北緯30°03′～31°01′。流域跨岳西、潛山、太湖、懷寧、望江、宿松等6縣及安慶市區(qū)和皖河農(nóng)場。西以黃梅尖、三面尖與湖北省分界；北以多枝尖、公界尖等與淮河流域分界；西南臨華陽河流域；東北臨菜子湖流域；東南濱臨長江。流域面積6 441 km2，如圖1所示。

經(jīng)過軟件計算，液相計算的結(jié)果如圖2所示。

正如前文所言，尿素價格重回高位使下游的心態(tài)在逐漸轉(zhuǎn)變，市場漲勢也確有放緩，但不可否認的是當前市場仍是利好因素居多。

如上輸入氣相參數(shù)，計算結(jié)果如圖3所示。

經(jīng)過計算得到最終氣液兩相需要的泄放噴嘴面積為0.106in2。選用Farris公司3800系列的API全噴嘴設計的先導式安全閥。噴嘴口徑選擇D系列0.11in2，滿足要求。出入口管線分別為E5、A5規(guī)格，核對樣本，綜合考慮，選擇后者入口900LB，出口300LB產(chǎn)品。初選的產(chǎn)品型號為38DC14-920。該型號閥體為Carbon Steel，閥座為橡膠密封，RF法蘭密封面，全啟式安全閥形式適用于存在氣相介質(zhì)的排放。根據(jù)項目中安全閥所處區(qū)域為生產(chǎn)危險區(qū)，介質(zhì)也有一定腐蝕性，要求閥體、內(nèi)件均具有一定防腐能力，對安全閥提出了材質(zhì)要求，最終確定安全閥型號為38DC14-920/S4，即安全閥閥體、內(nèi)件全部采用316不銹鋼，滿足本例要求[6]。

4 結(jié)束語

通過對各種結(jié)構(gòu)形式安全閥的描述及一般選型的原則總結(jié)，安全閥主要是根據(jù)泄壓設施使用的場合、被控工藝介質(zhì)的特點、操作壓力、背壓及泄壓設施本身的特性進行選用，且要求選用的安全閥應盡量可靠、價廉、壽命長、維護方便、備件易獲得。選型應用的過程是經(jīng)驗和技術的累積，要在理論和實踐基礎上了解掌握安全閥和爆破片的各種特點，做到滿足工藝要求和現(xiàn)場環(huán)境。

[1]陸德民.石油化工自動控制設計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2001.

[2]張瑞吉.安全閥彈簧設計應注意的幾個問題[J].煤礦機械,2012,12.

[3]API RP 520.Sizing,Selection and installation of Pressure-Relieving Devices in Refineries[Z].1997.

[4]API RP 521.Guide for Pressure-Relieving and Depressuring System[Z].1997.

[5]API RP 526.Flanged Steel Pressure Relief Valves[Z].1997.

[6]安全閥釋放手冊[Z].Farris公司.