基于泄壓閥失效的泄壓系統(tǒng)分析與優(yōu)化

郭 靖 潘 毅 蔡 磊 公茂柱 袁 倩 雋文龍

（中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司）

長輸液體管道設(shè)有水擊超前保護、緊急停車保護及泄壓保護等管道安全保護系統(tǒng)［1，2］。管道首站出站、中間泵站的進/出站和末站的進站均設(shè)有泄壓系統(tǒng)，當出現(xiàn)首站輸油泵驟停或閥門關(guān)斷引發(fā)管道水擊時， 首先啟動水擊超前保護程序，在該保護措施下一般不會出現(xiàn)管道超壓的情況，但當水擊超前保護失效后，泄壓系統(tǒng)將成為管道最后一道安保 “防線”——通過泄壓閥對超壓管道進行壓力泄放，保證管道安全［3］。 因此，泄壓系統(tǒng)對于管道安全運行、事故防護等至關(guān)重要。

輸油管道泄壓保護系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件為泄壓閥，泄壓閥主要有先導(dǎo)式［4］和氮氣式［5～7］兩種類型。 對于原油等含有雜質(zhì)、高黏度的油品，常采用氮氣式泄壓閥；對于成品油等純凈、低黏度的油品，常采用先導(dǎo)式泄壓閥。 氮氣式泄壓閥啟閉壓力來自于獨立的氮氣源，不易受管道內(nèi)液體雜質(zhì)影響，做好定期的檢查和維護即可；先導(dǎo)式泄壓閥是一種自力式泄壓閥，易受外部環(huán)境和自身構(gòu)造的影響［8］。因此，氮氣式泄壓閥的失效率一般要低于先導(dǎo)式泄壓閥。

目前國內(nèi)有多條成品油管道均出現(xiàn)先導(dǎo)式泄壓閥（以下簡稱泄壓閥）失效。 對此，筆者從泄壓閥閥體結(jié)構(gòu)、工作原理等方面分析導(dǎo)致故障或失效的可能因素，并對失效工況進行模擬，辨識泄壓閥失效后管道存在的風(fēng)險，同時對常規(guī)泄壓系統(tǒng)進行優(yōu)化， 提出泄壓閥失效邏輯保護程序，并驗證保護程序的可靠性。

1 泄壓閥工作原理及故障類型

1.1 泄壓閥工作原理

先導(dǎo)式泄壓閥泄壓響應(yīng)時間短，閥門壓力設(shè)定精度高（精度值不大于±1%），結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，在成品油長輸管道上被廣泛應(yīng)用。 先導(dǎo)式泄壓閥（圖1）主要由主閥、導(dǎo)閥、復(fù)位彈簧、引壓管及過濾器等組成。

如圖1a所示， 當泄壓閥上游壓力pu大于導(dǎo)閥設(shè)定壓力ps時， 導(dǎo)閥活塞在介質(zhì)壓力pu推動下克服彈簧推力處于中室后端將中室與前室隔斷，中室與后室連通的情況，此時中室壓力等于后室壓力，即p2=p3，閥芯在上游介質(zhì)壓力作用下克服彈簧推力流道打開，閥腔內(nèi)介質(zhì)受閥芯擠壓后通過中室油管→中室→后室，再經(jīng)后室油管流至主閥下游，管道超壓介質(zhì)通過流道泄放至下游管道。

圖1 先導(dǎo)式泄壓閥結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1b所示，管道超壓介質(zhì)經(jīng)泄放后上游管道壓力pu降低，當pu＜ps時，導(dǎo)閥活塞在彈簧力推動下處于中室后端將后室和中室隔斷，中室和前室連通的情況，此時中室壓力等于后室壓力，即p2=p3，介質(zhì)通過前室油管→前室→中室，再經(jīng)中室油管流至主閥閥腔，并在彈簧共同作用下推動閥芯流道閉合。

1.2 泄壓閥故障

先導(dǎo)式泄壓閥通過引壓管/油管和彈簧的壓差控制閥門的開啟/關(guān)閉，因其獨特的結(jié)構(gòu)，引壓管和油管的直徑往往較小，只適合輸送成品油等純凈、低黏度的介質(zhì)。 但在工程實際應(yīng)用過程中，先導(dǎo)式泄壓閥時常出現(xiàn)泄壓閥內(nèi)漏、管道超壓閥門不開啟、管道不超壓閥門開啟及閥門泄壓后不回座等故障。

1.2.1 泄壓閥內(nèi)漏

泄壓閥內(nèi)漏主要是由于復(fù)位彈簧損壞、密封件損壞或接觸面附著雜質(zhì)，從而導(dǎo)致泄壓閥小流量范圍的泄漏［9］。在正常工況下，閥芯在閥腔壓力和復(fù)位彈簧共同作用下保持閥芯錐頭與前端O形密封圈嚴密貼合。 當閥門前端連接管道超壓時，在壓力推動下閥芯向后端移動，閥門打開，泄壓后閥芯在彈簧作用下再次與O形密封圈嚴密貼合。 在整個閥門啟閉過程中，復(fù)位彈簧和密封圈起到十分關(guān)鍵的作用，但復(fù)位彈簧和密封圈由于老化、腐蝕、疲勞及斷裂［10，11］等因素導(dǎo)致功能減弱或失效，造成閥門泄漏，甚至發(fā)生閥門不超壓開啟的故障。

1.2.2 管道超壓閥門不開啟

上游管道壓力大于導(dǎo)閥壓力設(shè)定值是先導(dǎo)式泄壓閥開啟的必要條件，引壓管提供滑閥動作的動力， 中室油管提供閥芯動作的主要動力，通常引壓管與前/中/后室連接油管的管徑都比較小，介質(zhì)中的雜質(zhì)很容易堵塞油管。 當引壓管堵塞或破裂時，若管道發(fā)生水擊超壓，活塞失去動作動力，其連接滑閥不能相應(yīng)移動，此時pi=p2=p1＜pu，閥芯無法動作開啟；當后室油管堵塞時，管道超壓，活塞和滑閥動作，后室和中室連通，閥腔介質(zhì)無法通過后室排入閥后，在閥腔壓力下閥芯無法完成開啟。

1.2.3 管道不超壓閥門開啟

前室油管/過濾器堵塞或結(jié)冰［12］時，若管道未超壓，前室和中室失壓，即pi=p2=p1＜pu，閥芯在介質(zhì)推動下開啟。 同理，中室油管堵塞時，閥腔失壓，即pi＜p2=p1=pu，閥芯在介質(zhì)推動下開啟，泄放出管道介質(zhì)。

1.2.4 閥門泄壓后不回座

上游管道壓力小于導(dǎo)閥壓力設(shè)定值是先導(dǎo)式泄壓閥關(guān)閉的必要條件。 泄壓后引壓管堵塞時，活塞無法在彈簧推動下復(fù)位，中室和后室始終保持連通，中室失壓，閥芯無法動作閉合。 泄壓后，前室油管/過濾器堵塞或結(jié)冰時，前室失壓，前室與中室連通，即pi=p2=p1＜pu，導(dǎo)致閥芯在介質(zhì)推動下無法回座。

泄壓閥作為長輸油管道最后一道保護措施，其可靠有效非常關(guān)鍵，失效將會嚴重影響管道本質(zhì)安全。 當管道超壓閥門不開啟時，管道超壓介質(zhì)無法通過設(shè)置的泄壓閥泄放，導(dǎo)致管道和設(shè)備損壞，甚至爆管泄漏。

2 泄壓閥失效工況分析

某管道（規(guī)格為φ355.6 mm×6.4 mm）線路總長115 km，管道沿線縱斷面和穩(wěn)態(tài)水力坡降如圖2所示，設(shè)計壓力8.0 MPa，設(shè)計流量480 m3/h，輸送介質(zhì)為柴油（密度840 kg/m3，黏度4.5 mm2/s）。管道全線設(shè)有首/末站兩座站場，其輸油泵和泄壓裝置的工作參數(shù)分別見表1、2。

圖2 管道穩(wěn)態(tài)水力坡降圖

表1 輸油泵工作參數(shù)

表2 首/末站泄壓裝置工作參數(shù)

假定泄壓閥失效后，站場正常運行，管道未設(shè)置水擊超前保護， 以該管道首站泄壓閥為例，采用SPS軟件對不超壓閥門開啟 （無阻力泄放工況）和閥門泄壓后不回座兩種失效工況進行動態(tài)仿真模擬，分析對管道產(chǎn)生的影響。

為便于模擬泄壓閥無阻力泄放工況，對模擬過程進行近似處理：對于泄壓閥前室油管或過濾器堵塞、結(jié)冰等故障引起泄壓閥閥腔失壓，導(dǎo)致泄壓閥無阻力泄放的工況，等效認為泄壓閥設(shè)定值ps遠遠小于開啟壓力，近似取值0.1 MPa，即ps=pd=pi=0.1 MPa＜pu，此時泄壓閥在管道正常運行時完全開啟，泄壓閥失效。 當泄壓閥開啟后不回座，認為泄壓閥正常泄放后突然出現(xiàn)的故障導(dǎo)致主閥閥腔失壓，近似取值0.1 MPa，即ps=pd=pi=0.1 MPa＜pu，此時泄壓閥正常泄放后，泄壓閥不回座，泄壓閥失效。 這兩種失效工況時，管線運行狀況如圖3所示。

圖3 兩種失效工況下泄壓管線的泄放流量和累計泄放量

對于無阻力泄放工況，當首站出站泄壓閥失效后， 在首站輸油泵和管線回壓共同作用下，最大瞬時泄放流量達到2 400 m3/h， 對應(yīng)泄壓管線流速為19.7 m/s， 由于線路管道的回流作用逐漸減弱，泄放流量逐漸降低，約2.0 min后穩(wěn)定在1 230 m3/h，此時泄壓管線流速為10.1 m/s；約9.8 min時，管線的累計泄放量達200 m3，18.0 min時達到370 m3。

對于泄壓不回座工況， 當監(jiān)控閥室事故關(guān)斷，3.0 min后產(chǎn)生負壓波向上游傳播， 首站至閥室管段壓力升高，在4.1 min時達到首站出站泄壓閥設(shè)定值（ps=0.78 MPa），此時泄壓閥開啟，管線開始泄放。 由于泄壓閥故障失效，當管線泄壓后閥門閥芯不會回座，管線持續(xù)泄壓。 在整個工況中，泄壓管線最大瞬時泄放流量達1 810 m3/h，對應(yīng)泄壓管線流速為14.8 m/s， 與前一工況相同的原因，約8.0 min后穩(wěn)定至1 140 m3/h，此時泄壓管線流速為9.3 m/s；約14.0 min時，管線的累計泄放量達200 m3，18.0 min時達到275 m3。

GB 13348—2009《液體石油產(chǎn)品靜電安全規(guī)程》規(guī)定：對于電導(dǎo)率低于50 pS/m的油品，在注入口未浸沒前，初始流速不應(yīng)大于1 m/s，當注入口浸沒200 mm后，可逐步提高流速，但最大流速不應(yīng)大于7 m/s。 在泄壓閥失效出現(xiàn)無阻力泄放時，泄放管線流速過高，易產(chǎn)生、積聚靜電等引起火災(zāi)甚至爆炸的風(fēng)險［13］。 因此，在泄壓閥失效后泄壓管線易出現(xiàn)流速過高的情況，不僅存在安全隱患，也存在泄壓罐冒罐的風(fēng)險。

如圖4所示， 泄壓閥失效后最大瞬時壓力出現(xiàn)在泄壓管線的入口處。 對于無阻力泄放工況，泄壓管線最大壓力達4.45 MPa， 其中在0～160 m管段受到瞬時壓力高于管道最大允許操作壓力即最大允許水擊壓力MASP（其值為2.20 MPa），在160～300 m管段最大壓力均小于MASP；對于泄壓后不回座工況，泄壓管線最大壓力達到4.72 MPa，其中在0～170 m管段受到瞬時壓力高于MASP，在170～300 m管段最大壓力均小于MASP。 因此，泄壓閥失效后， 泄壓管線0～170 m管段為壓力薄弱區(qū)域。 經(jīng)核算，壁厚為5.6 mm的泄壓管線實際可承受最大壓力為7.00 MPa， 因而當泄放流量穩(wěn)定后，泄壓管線壓力降至MASP以下，不會發(fā)生超壓破裂等事故。

圖4 泄壓管線壓力分布

綜上所述，泄壓閥失效后，雖然泄壓管線不會發(fā)生超壓破裂事故，但存在泄放流速過高引起火災(zāi)甚至爆炸的隱患和泄壓罐冒罐的風(fēng)險，因此有必要對泄壓系統(tǒng)進行優(yōu)化改造。

3 泄壓系統(tǒng)優(yōu)化

管線泄壓系統(tǒng)流程通常較為簡單， 基本為“閥門+泄壓閥+閥門”模式，泄壓閥上/下游設(shè)置閥門，便于運行過程中泄壓閥拆除維修［14］。 常規(guī)泄壓系統(tǒng)自控流程如圖5所示。

圖5 常規(guī)泄壓系統(tǒng)自控流程示意圖

正常工況下，泄壓閥上/下游閥門處于常開狀態(tài)，泄壓閥處于常閉狀態(tài)，上游壓力表PI顯示干線管道壓力，泄壓閥下游管線無介質(zhì)流動，流量開關(guān)FS無異常信號。 當干線管道超壓需要泄壓時，泄壓閥開啟，下游介質(zhì)流通，流量開關(guān)將信號傳輸至控制室并發(fā)出報警。 在流量開關(guān)報警時，無法通過常規(guī)泄壓流程判斷泄壓閥處于正常泄壓工況還是失效工況， 同時當泄壓閥失效時，無法診斷泄壓閥處于無阻力泄放還是泄壓不回座的故障。 針對以上問題提出泄壓系統(tǒng)的優(yōu)化方案：

a. 泄壓閥上游閥門更換為電動球閥，電動球閥執(zhí)行機構(gòu)安全等級具備SIL2級，配備UPS供電，同時納入全線水擊保護程序；

b. 就地壓力表更換為壓力變送器，采用二取一的表決結(jié)構(gòu)［15］，安全等級具備SIL2級；

c. 流量開關(guān)和泄壓罐液位計的安全等級具備SIL2級；

d. 將上述信號統(tǒng)一納入到管道SIS系統(tǒng)，同時增加泄壓閥失效保護程序。

如圖6所示，將泄壓閥上游電動閥、壓力變送器、流量開關(guān)和泄壓罐液位計進行聯(lián)鎖。 泄壓閥失效保護的診斷邏輯為：

a. 當泄壓閥上游壓力變送器判別值小于泄壓閥的設(shè)定值，同時泄壓罐液位計報警或流量開關(guān)報警持續(xù)10 s時，關(guān)閉泄壓閥上游電動閥門，同時執(zhí)行全線停輸程序， 診斷為 “無阻力泄放故障”；

b. 當泄壓閥上游壓力變送器判別值不小于泄壓閥的設(shè)定值，泄壓罐液位計報警或流量開關(guān)報警時，管道正常泄壓，觸發(fā)泄壓保護程序，在該程序觸發(fā)狀態(tài)下，當泄壓閥上游壓力變送器判別值小于泄壓閥的設(shè)定值，且泄壓罐液位計報警或流量開關(guān)報警持續(xù)10 s時， 關(guān)閉泄壓閥上游電動閥門，同時執(zhí)行全線停輸程序，診斷為“泄壓不回座故障”。

另外，為防止管道流量波動引起泄壓閥失效保護程序誤觸發(fā)，壓力變送器判別值應(yīng)比泄壓閥的設(shè)定值略低0.3～0.5 MPa，但要高于正常輸送管線的壓力值。 當診斷邏輯滿足條件a或b時，辨識為泄壓閥失效，觸發(fā)泄壓閥失效保護程序，同時執(zhí)行水擊超前保護程序，管道全線停輸。 因此，泄壓閥失效保護程序可靠有效。

4 結(jié)論

4.1 常規(guī)的泄壓系統(tǒng)通常沒有保護措施，當泄壓閥失效后，泄壓管線在輸油泵和干線管道的回壓作用下流速較高，易出現(xiàn)火災(zāi)爆炸的風(fēng)險、泄壓罐冒罐的風(fēng)險等安全隱患。

4.2 優(yōu)化后的泄壓系統(tǒng)在泄壓閥失效時，可及時切斷泄壓管線閥門， 同時觸發(fā)全線停輸程序，并診斷出泄壓閥具體的失效工況，便于事故排查及維檢修。

4.3 泄壓閥失效保護程序可在泄壓閥失效時有效保護管道和站場安全，可靠性高，對于長輸管道泄壓閥防失效設(shè)計和失效隱患治理具有指導(dǎo)和借鑒意義。

4.4 水擊泄壓閥作為長輸管道的最后一道保護措施， 其完整有效有利于降低管道運維事故風(fēng)險；泄壓閥應(yīng)作為管道/站場日常巡檢和維檢修的重點設(shè)備，定期通過人工打壓檢查泄壓閥是否正常，定期通過閥門和過濾器排污閥排除閥體和油管的雜質(zhì)，防止堵塞或結(jié)冰。