Flexflo887水擊泄壓閥在長輸管道穩定運行上的應用

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定運行上的應用

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，極易產生水擊現象，若沒有采取保護措施，該現象就會給整個輸送系統造成極大的破壞。文章在簡要介紹水擊現象發生的原因、破壞性以及避免水擊發生的措施的基礎上，較詳細地介紹了Flexflo887水擊泄壓閥的結構、操作原理和產品特點，并結合其在鐵大線輸油管道上20多年的使用經驗，提出了操作和維護的建議。

長輸管道；水擊泄壓閥；工作原理；穩定性；維護建議

0 引言

Flexflo887水擊泄壓閥由美國德萊賽公司制造，獨特的結構設計以及穩定的運行表現，有效地防止了因意外或閥門緊急關斷而造成的管道過壓和紊流，保護了長輸管道的安全。1989年開始應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多年來運行良好穩定、維護量小、安全可靠，充分證明了其質量的優越性。

1 水擊

1.1 水擊現象產生的原因

在密閉壓力管道中，由于液體流速的急劇改變，造成瞬時壓力明顯、反復、迅速變化的現象稱為水擊，也稱水錘。發生水擊現象的原因很多，造成管道內液體介質流速急劇改變的操作都有可能引起水擊事故。如當管道的閥門突然關閉或開啟時，當泵突然停止或啟動時，或者管道上止回閥失靈時，都會引起管道內介質流速的瞬時急劇變化，引起液體介質動量的改變，使管道內壓力發生顯著變化，從而引發水擊。

1.2 水擊的破壞性

水擊具有非常強的破壞性，在密閉輸送管道中一旦發生水擊，若管道沒有配備保護措施，就將會對整個輸送系統造成不可估量的損失，甚至造成重大安全事故。圖1為管道發生水擊時壓力波動和時間的關系。

從圖1中可以看出，水擊現象發生時，管道內的壓力迅速升高，通常為管道設計壓力的幾倍，使管道在瞬間承受很大壓力；壓力的反復變化，會引起管道和設備的振動，嚴重時會造成管道爆裂、管道附件及設備的損壞，甚至造成嚴重的安全事故。1996年美國Colonial公司D 914 mm的管道在穿越Reedy河段時發生水擊爆管 （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，幸運的是沒有造成人員傷亡。據統計，每年在全球范圍內的密閉液體輸送管道都會發生幾起類似的事故，每次事故都會造成巨大的經濟損失和環境破壞。

如何避免水擊現象的發生，如何在水擊發生時用最短的時間消除水擊，已經成為液體密閉輸送中一個必須考慮的課題。

1.3 避免水擊現象發生的措施

水擊現象是一種客觀存在的純物理現象，根據其產生的機理和變化規律，如果在管路設計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，則會產生負壓而發生液柱分離。因此，為避免水擊的發生，設計施工中宜將管道布置成均勻上升，并向下凹的平緩走向，便可避免產生負壓，保證管道安全。

1.3.2 延緩閥門的調節時間

根據閥門特性以及截止閥從關到全開度的15%管內流體的流速幾乎不變這一點來延緩其調節時間。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不穩定流動的關鍵，這段關閉時間也就成為有效的關閉時間。那么，設法使剩余的15%的開度緩慢關閉，便可使壓力變化值降低。因此，在高速管道上有自動切斷閥時，應當選用緩閉式電動閥等以有效地緩和水擊的發生。

1.3.3 設置調壓器

在完成向一定容積的罐內裝載流體后，如果迅速關閉入口閥門，配管會不可避免地產生水擊，瞬時受到壓縮而變為高壓的流體如果能導入調壓器，則配管內液體的流動速度就會緩慢降低，可以通過調壓器來實現這一目的。

1.3.4 安裝水擊泄壓閥

根據水擊產生的機理可知，如果能延長流體的被壓縮時間，那么動量轉化就會降低，所以，如果能讓被壓縮的液體流出配管之外，使管內的流動能夠持續一定時間的話，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，普通機械構造的安全閥是不能夠瞬間完成的，因此，要采用可動部件質量極小并在極短時間內能夠開機的水擊泄壓閥。

利用水擊泄壓閥避免水擊發生在中國的長輸管道上已經得到了廣泛的應用。響應時間快慢是評價水擊泄壓閥產品質量的關鍵參數。

2 Flexflo887水擊泄壓閥結構及工作原理

2.1 結構

Flexflo887水擊泄壓閥結構簡單，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，為避免水擊的發生，一般在油罐區的入口處要裝有水擊泄壓閥和配套的泄壓罐。

當主管道發生水擊時，介質壓力迅速升高，當壓力升至水擊泄壓閥的設定點時，水擊泄壓閥迅速打開將介質泄放到泄壓罐內，使管道內的壓力降到正常范圍內。水擊泄壓閥配有氮氣瓶組，氮氣通過壓力調節后加載到泄壓閥的皮囊表面上，經計算確定氮氣瓶組需要設定的壓力，氮氣的壓力和皮囊提供的壓力共同作用在隔斷式閥芯上，使閥門在關閉時達到氣泡級密封。氮氣壓力和皮囊壓力之和為泄放壓力的設定值，如圖5所示。當水擊發生時，介質壓力升高至泄放壓力設定值時，介質會克服氮氣和皮囊的壓力而打開閥門，使介質流經隔斷式閥芯泄放到下游的泄壓罐內。當泄壓罐內的液位達到設定液位時，控制系統會自動啟動回流泵將介質輸送至主罐。

根據工藝條件來決定是否為水擊泄壓閥配備氮氣控制盤 （見圖6）。氮氣控制盤可使同等口徑的泄壓閥的泄放量大大增加，并且也相應提高泄壓閥的泄壓速度，使整個系統更加穩定可靠。

Flexflo887有三種具有不同功能的氮氣控制盤，其型號分別為CP1、 CB、 CBAT控制盤。 CP1控制盤的功能比較簡單，具有設定值不受環境溫度改變影響的功能；CB控制盤具有加速氮氣泄放的功能，當泄壓閥檢測到介質壓力達到泄放設定點時，控制盤CB會迅速將加載到皮囊上的氮氣泄放掉，讓皮囊迅速打開，使整個泄壓過程在很短的時間內完成；CBAT控制盤除了具有加速氮氣泄放功能外，還具有氮氣壓力低的報警功能，以及整個控制回路的測試功能。

3 Flexflo887水擊泄壓閥的特點

3.1 響應速度快

從檢測到水擊到閥門全開的時間小于10 ms。這遠遠小于長輸管道的設計要求，比同類產品的響應速度都快，保證了把水擊產生的超壓在最短的時間內泄放掉，確保設備和人員的安全。

3.2 結構簡單

從圖3中可以看出，整個水擊泄壓閥只有膠囊為可動部件，有效地減少了設備的故障發生率，并且使水擊泄壓閥的維修和維護變得非常簡單。

3.3 控制精確

控制精度為小于5%的壓力設定點。例如，如果泄壓設定點為10 MPa，那么泄壓閥會在壓力達到10 MPa時開始打開，當壓力達到10.5 MPa或者小于該值時已經達到全開，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

在發生水擊時迅速打開，當壓力泄放至設定點時閥門會迅速關閉，不會因為關閉延遲導致泄放過量。

3.5 氣泡級密封

在關閉時其關斷等級達到CLASS VI級，為氣泡級密封；避免了在閥門關斷時內漏的現象發生。

3.6 結構堅固

有D102mm至D305mm，壓力等級為CLASS150、CLASS300和CLASS600的水擊泄壓閥，水擊泄壓閥結構堅固，能夠保證在高壓輸送管道上各種工況條件下的應用。

4 Flexflo887水擊泄壓閥在中石油鐵大線的應用

4.1 Flexflo887水擊泄壓閥在鐵大線的應用

鐵大輸油管道位于遼寧省，起點位于鐵嶺，終點是大連，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，管規格為D 720 mm×8 mm，設計輸油能力為2 000萬t/a，1975年投運，1989年改造引進8臺flexflo887水擊泄壓閥。

4.2 Flexflo887水擊泄壓閥的運行維護

根據Flexflo887水擊泄壓閥在鐵大線輸油管道上20多年的使用經驗，總結出操作和維護過程中的注意事項，確保長輸管道的運行安全。

4.2.1 更換高壓氮氣瓶時的操作程序

先關閉氮氣瓶的開關和連接軟管端的開關，通過排氣閥將軟管內氮氣壓力泄放至正常后將排氣閥關閉。拆卸軟管和氮氣瓶接口，更換高壓氮氣瓶，擰緊軟管與氮氣瓶連接口，緩慢打開氮氣瓶開關和軟管端的開關，在接口處涂抹肥皂水，檢查是否有氮氣泄漏。如果有滲漏，擰緊接口處。

4.2.2 運輸氮氣瓶的注意事項

在運輸氮氣瓶前，將氮氣瓶口閥門關閉，使用瓶口帽將瓶口保護好。運輸氮氣瓶時，需要捆扎牢固，以免碰撞發生意外。氮氣瓶上應確保有手輪或扳手，以便在緊急情況下關閉氮氣瓶。

4.2.3 水擊泄壓閥壓力的設定和泄壓閥的開啟測試

關斷水擊泄壓閥上游的截斷閥，連接手搖泵至取壓點接口；用手搖泵往主管道加壓至設定壓力值時，水擊泄壓閥開啟泄壓，同時再加壓時，主管段內壓力值不再增加 （通過壓力表觀察），說明設定壓力值正確，至此，水擊泄壓閥設定值和開啟測試完畢。如果主管段內壓力沒有達到預定壓力設定值，水擊泄壓閥開啟泄壓緩慢，則順時針調整氮氣控制柜中與水擊泄壓閥相對應的調壓器，增加氮氣壓力，重新使用手搖泵進行加壓，直到壓力達到設定值，水擊泄壓閥開啟泄壓。如果主管段內壓力超過預定壓力設定值，水擊泄壓閥還未開啟，壓力繼續增加，這時關閉氮氣控制柜出口與水擊泄壓閥相對應的引壓管閥門，通過泄壓閥上方的排氣閥將氮氣壓力緩慢降低到設定壓力值。水擊泄壓閥開啟時，記住氮氣壓力表讀數，逆時針調整相對應的調壓器，使氮氣壓力與泄壓閥開啟時氮氣壓力表讀數一致，打開引壓管和氮氣控制柜出口之間的閥門，重新加壓直到壓力達到設定值，水擊泄壓閥開啟泄壓。測試完畢后，連接手搖泵將管內壓力泄放至常壓后，才能拆卸手搖閥。恢復正常后，緩慢開啟水擊泄壓閥上游的截斷閥，水擊泄壓閥可以正常投入使用。

4.2.4 水擊泄壓閥的維護工作

定期對閥心進行清洗，避免因雜質堆積導致在閥門開啟或關閉時損壞閥門，以及泄壓閥工作時出現誤判，導致長輸管道不必要停輸；當發現閥門動作遲緩時應及時投用備用閥，清理柱塞內的液體以保證閥門動作快速靈敏。無論是測試、維修泄壓閥，還是正在使用的壓力調節器發生故障時，都必須切斷氣源并排放閥中的氣體，避免發生氣體壓力超高引發傷人事故。在維修控制盤時應關掉水擊泄壓閥的充氣閥，并逆時針轉動壓力調節器的手柄，排泄掉控制盤和氮氣管路中的壓力，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年畢業于北京化工大學機械工程及自動化專業，在讀MBA，現從事石油工程機械市場開發相關工作。

2011-09-02