氮氣式水擊泄壓閥啟閉過程動態(tài)特性研究

張虎群 李華明 鄭程 王延 馮毅（中國石油管道呼和浩特輸油氣分公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

氮氣式水擊泄壓閥啟閉過程動態(tài)特性研究

張虎群 李華明 鄭程 王延 馮毅（中國石油管道呼和浩特輸油氣分公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000）

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，石油的運用量也在不斷增加，加強石油運輸工作的安全受到了人們極大的關(guān)注。在石油集輸管網(wǎng)中氮氣式水擊泄壓閥的運用具有非常重要的作用，氮氣式水擊泄壓閥開啟和關(guān)閉的過程都有著嚴格的要求，直接關(guān)系到氣體的流速問題。為此，文章多氮氣式水擊泄壓閥啟閉過程的動態(tài)特性展開了討論，了解氮氣式水擊泄壓閥的工作原理和結(jié)構(gòu)特征，加強氮氣式水擊泄壓閥工作的穩(wěn)定性。

水擊泄壓閥；動態(tài)特征；分析

在現(xiàn)代社會的發(fā)展中，石油的運用有著不可取代的作用，加強石油運輸?shù)陌踩軌虼龠M社會經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展。在石油的集輸管網(wǎng)中，氮氣式水擊泄壓閥的運用能夠?qū)崿F(xiàn)石油運輸?shù)陌踩?，減少運輸過程中管道水擊力對管道造成的損傷，避免石油運輸?shù)男孤?。加強對氮氣式水擊泄壓閥啟閉過程中閥內(nèi)流體的流動特征進行分析，從而為改善流道的流動情況提供依據(jù)。

1 水擊泄壓閥的概述

1.1 水擊泄壓閥的定義分析

在輸油管道系統(tǒng)的運行過程中，因為油品種類的變化、運行工況的變化都會讓水力狀態(tài)發(fā)生改變，尤其是出現(xiàn)了機械的故障或者是人為的操作失誤，就很容易造成系統(tǒng)的中間泵站出現(xiàn)中斷的情況，或者是輸油泵出現(xiàn)突然的關(guān)閉，使得管道內(nèi)部的油品迅速的流掉或者是在壓力上出現(xiàn)急速的變化。如果過程中會有巨大的壓力脈沖，甚至超過了管道原有的承壓能力的時候，管道會發(fā)生強烈的震動，出現(xiàn)較大的噪音，閥門甚至?xí)霈F(xiàn)破壞和爆炸。為了能夠避免水擊的情況對輸油管產(chǎn)生的危害，需要按照管道的差異性選擇不同的增強方式做好水擊保護工作。泄放的保護是充分的利用壓力泄放的裝置來實現(xiàn)被動形式的保護，最常見的方式包括常開和常閉式的。輸油管線中較多選的是常閉式的泄壓閥，這樣可以滿足保護以及泄放的功能。

水擊泄壓閥大多是和輸油管路呈現(xiàn)并聯(lián)的狀態(tài)，當輸油管道的干線出現(xiàn)水擊的時候，管道里面的壓力會比泄壓閥原先設(shè)定的開啟時的壓力要大得多，泄壓閥會迅速的開啟，將介質(zhì)大量的泄放，然后在儲備罐中存儲。如果壓力的峰值要比泄壓閥開啟的壓力要低的時候，泄壓閥會恢復(fù)到和出廠時一樣的狀態(tài)，如果再次出現(xiàn)水擊的情況的時候，就會對其有一定的保護作用。

1.2 水擊泄壓閥的分類

按照控制環(huán)節(jié)的差異、反饋信號源的不同以及閥體結(jié)構(gòu)形式的區(qū)別，水擊泄壓閥來進行分類。

泄壓閥在控制環(huán)節(jié)上較為復(fù)雜，有幾種類型，這其中，單控制環(huán)節(jié)的泄壓閥又被稱作直接作用式的泄壓閥，具體又可以分為定值器分離式和彈簧直接式兩種。這其中后者能夠進行控制的部分比較少、能夠很快的響應(yīng)，測壓的管路能夠長時間的保持暢通的狀態(tài)，但是在精度上的控制力不夠，泄放的時候管道很容易出現(xiàn)較大的波動，穩(wěn)定性能不行。而定值器分離式的出現(xiàn)則是借助定值器和配氣的氣源有效的解決了該問題，在控制環(huán)節(jié)上會比直接式的更復(fù)雜，而且需要投入大量的維護。多控制的環(huán)節(jié)泄壓閥又叫做間接作用式的泄壓閥，主要的組成部分包括電磁換向式和先導(dǎo)式兩大部分組成。先導(dǎo)式的在結(jié)構(gòu)上更為簡單，能力強并且靈敏度極高。電磁式在控制精度上基本上是由高性能的自動控制系統(tǒng)決定的，自動化程度較高，高精度和遠距離均能得到滿足。

泄壓閥反饋信號的獲取有多種途徑，如果信號源是來自本身的泄壓閥則被稱為自力式泄壓閥，主要包括電磁換向、機械先導(dǎo)和雙控內(nèi)置這幾種形式。電磁換向更多的體現(xiàn)的是精度高并且運行可靠的自動控制系統(tǒng)，廣泛的應(yīng)用在了高精度、強穩(wěn)定性的場合中；雙控結(jié)構(gòu)比較簡單，密封性也機比較強，在泄壓的環(huán)節(jié)比較平緩而且噪聲也比較小。自力式的信號源大多是來自于外部的控制系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，而且通常是借助外部控制系統(tǒng)實現(xiàn)壓力的檢測，實現(xiàn)對信號的輸出，再經(jīng)由換向閥實現(xiàn)對泄壓閥的控制。

泄壓閥的閥體在結(jié)構(gòu)上存在有較大的差異，而且介質(zhì)的流動方向不盡相同。這其中采取角式閥體的是機械的和橡膠囊的。橡膠囊的操作便捷，密封性比較好，而且在響應(yīng)速度上也是相當?shù)目?，但是如果是人造的橡膠材質(zhì)那么使用壽命比較短，機械式的在使用壽命上大大的延長了，但是響應(yīng)的速度卻遠遠要比橡膠囊的要慢很多，控制的穩(wěn)定性不夠，再加上管路的波動很難控制。軸流式的閥體在泄壓環(huán)節(jié)受到的阻力比較小，噪聲小，而且具有極強的泄放能力。但是因為它不能滿足在線的檢修，所以制造費用比較昂貴。

2 模擬與分析

2.1 水擊泄壓閥初始階段受到超壓比的影響分析

氮氣式水擊泄壓閥在啟閉過程中受到超壓比的影響非常的大。如果氮氣式水擊泄壓閥的進口壓力要比開啟壓力時的壓力要大，隨著壓力差的增大，發(fā)生的影響也會不一樣。當壓力差出現(xiàn)的數(shù)值比較小時，水擊泄壓閥門微微開啟后，又馬上關(guān)閉起來，這個時候，顯示出來的閥芯振動值非常的小，產(chǎn)生的泄壓效果也非常的差。當壓力差值非常大時，流道中的液體產(chǎn)生的波動也非常的大，當開始打開泄壓閥時，閥芯會發(fā)生非常劇烈的振動。

為此，進行了下列的演示。對六種壓力比下的泄壓閥進行仿真的模擬計算，分別是2%，5%,10%,20%,50%和100%，針對不停地壓力比進行不同的模擬實驗，得出一般規(guī)律。

2.2 分析不同的氮氣壓力對閥開啟特征的影響

氮氣式水擊泄壓閥在開啟過程中還受到氮氣的影響，不同的氮氣產(chǎn)生的壓力值也是不一樣的。在入口的壓力值相同的情況下，閥芯受到的壓力影響隨著氮氣的不同而發(fā)生著不同的變化。當閥芯內(nèi)腔的氮氣壓力不斷增大時，閥芯的運動位移也在不斷發(fā)生著變化，也在不斷增加。

2.3 分析水擊泄壓閥啟閉過程中速度的分布情況

當整個氮氣式水擊泄壓閥處于密封的狀態(tài)下，密封內(nèi)閥座的流速在不斷增加的時候，流速必然會到達一個最大值，一般是112.7m/s，在閥門出口的位置，會出現(xiàn)高速流集中區(qū)域。經(jīng)過0.1s的時候，閥芯出現(xiàn)了最大的位移，流速也增加到了87.2m/s，在閥芯密封面流道的位置出現(xiàn)的流速也趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，但是在出口邊緣的位置，流速在不斷的增加，而且出現(xiàn)了非常大面積的高速集中區(qū)域。閥門的關(guān)閉在0.2s的時候，整個閥門都完全的關(guān)閉，然后發(fā)內(nèi)的流道的流速也逐漸處于穩(wěn)定的狀態(tài)，同時也沒有集中區(qū)域的產(chǎn)生。

2.4 閥芯在水擊泄壓閥啟閉過程中，閥芯受力分析

水擊泄壓閥在啟閉的過程中，閥芯受力也是不一樣的。當泄壓閥完全打開時，受力是最小的，隨著氣不斷泄出，閥芯的受力也不斷減小。

通過上述的實驗，得出以下結(jié)論。首先，氮氣式水機械壓閥的超壓比在不斷增大時，閥芯的運動越來越快，閥芯的運動速度越快，閥門開啟的時間就會越快。其次，當閥芯腔室內(nèi)的氮氣壓力在不斷增加時，閥芯運動的速度越慢，隨著閥芯運動速度的下降，泄放量卻沒有發(fā)生變化。

3 結(jié)語

總而言之，加強對氮氣式泄壓閥研發(fā)啟閉過程中流道的運動特征進行研究，為實現(xiàn)石油集管網(wǎng)的安全運輸提供保障。在上述分析中，只是簡單的了解了氮氣式水擊式泄壓閥的動態(tài)特征，而沒有實現(xiàn)進一步的展開分析，在未來的研究中，需要加強相關(guān)內(nèi)容的分析，實現(xiàn)石油的安全運輸。

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馮毅 男(1978-)研究生學(xué)歷畢業(yè)于:中國石油大學(xué)（北京）從事輸油氣生產(chǎn)管理工作、安全管理及人力資源管理等相關(guān)工作