水擊泄壓系統(tǒng)失效分析及保護(hù)措施

中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司

輸油管道一般采用密閉輸送工藝，整個(gè)體系是一個(gè)統(tǒng)一的連續(xù)的水力系統(tǒng)，當(dāng)某站場機(jī)泵出現(xiàn)非正常停運(yùn)或者某閥門事故關(guān)閉時(shí)，都會(huì)造成水擊，導(dǎo)致管道內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)[1]。為防止在水擊工況下管道超壓以及減輕管道運(yùn)行參數(shù)的脈動(dòng)，維持管道的平穩(wěn)運(yùn)行，最有效的防控手段是依靠管道的自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)[2]。

輸油管道水擊保護(hù)措施主要由壓力聯(lián)鎖保護(hù)、水擊超前保護(hù)、水擊泄壓保護(hù)三部分組成。水擊泄壓保護(hù)作為管道安全運(yùn)行中重要保障，是輸油管道最后一道保護(hù)屏障[3]。國內(nèi)某管道在投產(chǎn)過程中，泄壓閥曾發(fā)生不正常開啟導(dǎo)致泄壓罐冒頂和超壓損壞事件。因此，對(duì)輸油管道水擊泄壓閥失效進(jìn)行模擬，采取水擊泄壓系統(tǒng)安全保護(hù)措施，對(duì)管道的安全運(yùn)行具有極其重要的意義。

1 水擊泄壓閥

水擊泄壓閥作為輸油管道密閉輸送工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于防止管道因壓力波異常、水擊導(dǎo)致設(shè)備超壓損壞及管線破裂[4]。輸油管道目前常用水擊泄壓閥主要有先導(dǎo)式水擊泄壓閥和氮?dú)馐剿畵粜箟洪y兩類。原油管道一般選用氮?dú)馐叫箟洪y[5-7]，成品油管道一般選用先導(dǎo)式泄壓閥[8-10]。

兩種類型的水擊泄壓閥主要優(yōu)缺點(diǎn)如表1 所示[11-12]。

2 泄壓閥失效分析

根據(jù)水擊泄壓閥的工作原理可知，氮?dú)馐叫箟洪y故障主要原因有[13-15]：設(shè)備精度不夠，閥門泄壓點(diǎn)偏移，氮?dú)鈸p失快，閥開啟后無法復(fù)位等；先導(dǎo)式水擊泄壓閥故障主要原因有[15-17]：壓力管堵塞，主閥開啟后無法復(fù)位，密封圈失效，先導(dǎo)閥失效等。

根據(jù)水擊泄壓閥故障原因，泄壓閥失效主要表現(xiàn)形式包括：①運(yùn)行壓力未達(dá)到泄壓閥設(shè)定值時(shí)泄放（正常運(yùn)行過程中泄壓閥失效開啟）；②壓力達(dá)到泄壓閥設(shè)定值時(shí)，泄壓閥無法開啟；③正常泄放過程中泄壓閥故障不回座。

國內(nèi)某原油輸油管道設(shè)計(jì)規(guī)模為500×104t/a，設(shè)計(jì)壓力為8.0/6.3 MPa，全線共設(shè)置6 座站場。該管道在首站出站、中間站場的進(jìn)站和出站、末站進(jìn)站均設(shè)有氮?dú)馐剿畵粜箟洪y。

以該輸油管道為例，對(duì)泄壓閥失效進(jìn)行分析。采用SPS（Stoner Pipeline Simulator）軟件對(duì)泄壓閥失效行為進(jìn)行模擬。SPS 軟件[18-20]能夠?qū)崿F(xiàn)輸油管道的離線實(shí)時(shí)模擬計(jì)算，是世界公認(rèn)的用于長距離輸油（氣）管道設(shè)計(jì)、計(jì)算以及全線自動(dòng)化控制模擬的高精度軟件。

2.1 運(yùn)行壓力未達(dá)到泄壓設(shè)定值時(shí)泄放的模擬分析

主要對(duì)夏季設(shè)計(jì)輸量500×104t/a 工況時(shí)泄壓閥失效后的事故狀態(tài)進(jìn)行分析。

以3#站為例（3#站為熱泵站），進(jìn)、出站均設(shè)有氮?dú)馐剿畵粜箟洪y，泄壓罐容積為200 m3。當(dāng)運(yùn)行壓力未達(dá)到3#站出站泄壓閥設(shè)定值時(shí)泄放分析見圖1、圖2。

正常運(yùn)行過程中，當(dāng)3#站出站壓力未達(dá)到泄壓閥設(shè)定值時(shí)而發(fā)生泄放，3#站至末站管段停輸。3#站出站泄壓閥瞬間最大通過流量可達(dá)2 060 m3/h，隨著壓力的泄放，管道內(nèi)壓力波動(dòng)趨于平穩(wěn)，通過流量逐漸減小，穩(wěn)定后通過泄壓閥流量為失效前管道輸量；約9 min 后通過泄壓閥流量達(dá)到200 m3，時(shí)間較短，易造成冒罐事故。各站泄壓閥失效后主要信息見表2。

圖1 3#站出站泄壓閥失效后瞬時(shí)流量Fig.1 Instantaneous flow after failure of outlet pressure relief valve in No.3 Station

圖2 3#站出站泄壓閥失效后累計(jì)通過流量Fig.2 Cumulative throughflow after failure of outlet pressure relief valve in No.3 Station

由表2可知，各站泄壓閥失效時(shí)，通過泄壓閥瞬間流量大，泄壓罐液位上升速率較快，能在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生冒頂，存在安全隱患。

2.2 達(dá)到開啟壓力后泄壓閥無法開啟的分析

當(dāng)壓力達(dá)到泄壓閥設(shè)定值泄壓閥無法開啟時(shí)，會(huì)造成管道、設(shè)備超壓，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成管道大范圍超壓破裂，引起管道介質(zhì)泄漏，存在極大的安全隱患。

表2 各站泄壓閥失效信息Tab.2 Failure information of pressure relief valve in each station

2.3 正常泄放過程中泄壓閥故障不回座的分析

正常泄放過程中泄壓閥泄壓出現(xiàn)故障不回座時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最大瞬時(shí)泄放流量與管道事故處理后的實(shí)際輸量相近（管道事故處理后的實(shí)際輸量小于或等于管道事故前的運(yùn)行輸量），泄壓閥通過流量大于正常泄放過程通過流量，如果處理不及時(shí)，也可能造成冒罐事故，存在安全隱患。

3 水擊泄壓系統(tǒng)完善措施

通過上述分析可知，當(dāng)泄壓閥失效時(shí)，會(huì)引發(fā)泄壓罐短時(shí)間內(nèi)發(fā)生冒頂或管道、設(shè)備的超壓，安全隱患較大，必須對(duì)泄壓系統(tǒng)采取更加完善的安全保護(hù)措施。

3.1 泄壓系統(tǒng)的完善

（1）增設(shè)泄壓罐液位上升報(bào)警速率和液位超高聯(lián)鎖保護(hù)程序。除首站外，該管道其余各站場均設(shè)置有泄壓罐，本次增設(shè)泄壓罐液位上升速率報(bào)警程序。當(dāng)泄壓罐液位上升速率低于設(shè)定值時(shí)，液位計(jì)報(bào)警；當(dāng)泄壓罐液位上升速率高于該設(shè)定值時(shí)，液位計(jì)報(bào)警并聯(lián)鎖關(guān)閉泄壓閥前的電動(dòng)閥門，執(zhí)行“全線順序停輸控制程序-某站事故”。

同時(shí)，泄壓罐增設(shè)儲(chǔ)罐高液位聯(lián)鎖值程序。當(dāng)液位達(dá)到高液位聯(lián)鎖值時(shí)報(bào)警，同時(shí)流量開關(guān)、液位計(jì)二者之一或者二者全部報(bào)警，聯(lián)鎖關(guān)閉泄壓閥前電動(dòng)閥門，調(diào)度根據(jù)判斷確定后續(xù)停輸程序。

（2）增設(shè)運(yùn)行壓力未達(dá)到泄壓設(shè)定值時(shí)泄壓閥失效聯(lián)鎖保護(hù)程序。當(dāng)運(yùn)行壓力未達(dá)到泄壓設(shè)定值泄放時(shí)，泄壓罐液位上升速率報(bào)警或流量開關(guān)產(chǎn)生流量報(bào)警，且持續(xù)10 s，則自動(dòng)關(guān)閉泄壓閥上游電動(dòng)閥門，觸發(fā)該程序后，執(zhí)行“全線順序停輸控制程序-某站事故”。

（3）增設(shè)達(dá)到泄壓設(shè)定值時(shí)泄壓閥無法開啟聯(lián)鎖保護(hù)程序。當(dāng)運(yùn)行壓力達(dá)到泄壓設(shè)定值時(shí)，泄壓罐液位無上升速率或流量開關(guān)無流量，且持續(xù)10 s，則自動(dòng)關(guān)閉泄壓閥上游電動(dòng)閥門，觸發(fā)該程序后，執(zhí)行“全線順序停輸控制程序-某站事故。”

（4）增設(shè)正常泄壓時(shí)泄壓閥故障不回座的聯(lián)鎖保護(hù)程序。若某站場發(fā)生泄壓，泄壓閥開啟后不回座保持泄放時(shí)（以泄壓閥前新增壓力變送器示數(shù)低于泄壓閥回座值為判斷依據(jù)），泄壓罐液位上升速率報(bào)警或流量開關(guān)產(chǎn)生流量報(bào)警，且持續(xù)10s，則自動(dòng)關(guān)閉泄壓閥上游電動(dòng)閥門，經(jīng)人工確認(rèn)觸發(fā)“全線順序停輸控制程序-XX站事故”。

3.2 泄壓閥失效泄壓聯(lián)鎖保護(hù)程序模擬試驗(yàn)

對(duì)3#站出站泄壓閥失效泄壓聯(lián)鎖保護(hù)程序進(jìn)行模擬試驗(yàn)，當(dāng)達(dá)到泄壓閥失效條件時(shí)，延時(shí)10 s關(guān)閉泄壓閥前電動(dòng)閥門（閥門關(guān)閉行程取90 s），執(zhí)行“全線順序停輸控制程序-某站事故”（圖3、圖4、圖5）。

圖3 3#站出站泄壓閥上游電動(dòng)球閥閥前壓力變化曲線Fig.3 Pressure change curve in front of electric ball valve at the upstream of the outlet relief valve in No.3 Station

圖4 3#站出站泄壓閥采取連鎖保護(hù)程序后瞬時(shí)流量Fig.4 Instantaneous flow after taking failure interlock protection procedure of outlet pressure relief valve in No.3 Station

圖5 3#站出站泄壓閥采取連鎖保護(hù)程序后累計(jì)通過流量Fig.5 Cumulative throughflow after taking failure interlock protection procedure of outlet pressure relief valve in No.3 Station

采取泄壓閥失效泄壓聯(lián)鎖保護(hù)程序后，全線無超壓點(diǎn)，3#站出站泄壓閥上游電動(dòng)閥門閥前壓力約為5.4 MPa，未超過設(shè)計(jì)值（8.0 MPa），泄壓閥泄放量為42.5 m3，累計(jì)泄放時(shí)間約為1.67 min。

模擬管道各站泄壓閥失效后采用失效聯(lián)鎖保護(hù)程序后各站泄放信息見表3。

表3 采取泄壓閥失效連鎖保護(hù)程序后各站泄壓閥泄放信息Tab.3 Information of pressure relief valve in each station after taking failure interlock protection procedure

由表3可知，當(dāng)泄壓閥失效時(shí)，采用泄壓閥失效聯(lián)鎖保護(hù)程序，泄壓閥通過流量控制可在20～50 m3，能夠有效避免冒罐事故的發(fā)生，保障管道運(yùn)行安全。

4 結(jié)論及建議

（1）通過SPS軟件對(duì)泄壓閥失效模擬可知，當(dāng)泄壓閥失效時(shí)，泄壓閥瞬間通過流量大，易引發(fā)泄壓罐冒頂。通過增設(shè)液位上升速率報(bào)警及聯(lián)鎖保護(hù)程序、泄壓閥失效聯(lián)鎖保護(hù)程序、泄壓閥故障不回座的聯(lián)鎖保護(hù)程序等安全保護(hù)措施，能夠降低泄壓閥失效帶來的危害，提高輸油管道水擊泄壓系統(tǒng)的安全等級(jí)，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，保障管道安全運(yùn)行。

（2）從泄壓系統(tǒng)失效原因可看出泄壓閥結(jié)構(gòu)存在缺陷，設(shè)備制造商應(yīng)優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)設(shè)備制造水平，提高設(shè)備的可靠性，減少設(shè)備失效概率，為管道安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。