海洋工況下調節閥的設計選型

錢欣，李玉田，陳豐波，李治貴

（1.中海石油（中國）有限公司，天津 300461；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；）

0 引言

調節閥作為工藝流程上的重要設備，直接控制工藝介質的流量，壓力，液位等參數，是維持工藝系統穩定運行，提高工藝流程處理效率的重要設備，其控制效果的好壞，對于整個系統的安全性、穩定性、經濟性和可靠性有著十分重要的作用。

在海洋石油平臺上，調節閥也有著廣泛的應用。由于行業特殊性，海油平臺存在著高溫度，高粘度，高壓力，高壓差，腐蝕，含沙，超大口徑，可調比大等惡劣工況，對調節閥的選型提出了更高要求。

本文主要介紹調節閥在選型設計中需要考慮的問題及其在苛刻海洋工況下的選型和應用。

1 調節閥的工作原理

調節閥的節流面積由于閥芯的移動而改變，因此調節閥屬于節流元件[1]。

根據伯努利方程按能量不變原理可推導出調節閥流過量為：

其中

A：調節閥流通面積

P1：閥前絕壓

P2：閥后絕壓

ξ：調節閥的阻力系數

ρ：流體密度

Q：體積流量

當調節閥兩端壓差不變時，流量Q隨阻力系數ξ變化，ξ減小，Q增大。因此調節閥是通過改變開度，使ξ值發生變化，來達到調節流量的目的。

C即為流量系數。根據流量，壓差等參數，可計算出調節閥的流量系數，再進行下一步的選型工作。

2 調節閥設計選型

在調節閥的選型過程中，需要綜合考慮閥門對工況的適用性，工藝系統安全性，經濟性，可靠性等因素，結合具體的工況特點開展設計選型工作。主要從以下幾個方面考慮：

2.1 調節閥閥體類型選擇

根據工藝變量（溫度、壓力、壓降和流速等）、流體特性（粘度、腐蝕性、毒性、含懸浮物或纖維等）以及控制系統的要求（可調比、泄漏量和噪音等）、調節閥管道連接形式來綜合選擇調節閥型式。

目前海洋工況下常用的調節閥閥體類型為單座直通閥、套筒閥、角閥，V型球閥，全球型內置隔板調節閥，全球型迷宮閥等。

通常單座直通閥（Top-Guided、cage-retained）一般適用于工藝要求泄漏量小、流量小，閥前后壓差小的場合。

套筒閥（cage guide）一般在閥門前后壓差大或閥門尺寸大的時候推薦選用。經計算后產生氣蝕工況亦推薦選用套筒閥。但套筒閥不適用于含固體顆粒臟污的介質場合。

角閥一般適用于高粘度或懸浮物的流體，容易閃蒸的場合及管道要求直角配管的場合。另外若合理選擇閥內件，角閥也可適用于高靜壓、大壓差的場合。

全球型，V型調節閥可用于密封等級高，流通能力大，含臟污介質的場合，其中V型球閥，全球型內置隔板調節閥用于壓降較小的工況，而全球型迷宮閥可用于壓降較大的工況，如海管段塞工況。

2.2 調節閥的口徑選擇

將調節閥的相應工藝參數輸入軟件進行計算會得出調節閥的最大，正常和最小CV值，并據此選擇合適的閥門口徑。

一般來說，若閥門流量特性為線性，則要求閥門開度需在10%～80%之間，若閥門流量特性為等百，則要求閥門開度需在30%～90%之間。閥門的縮徑盡量不超過管線口徑的一半。

2.3 調節閥噪音的應對措施

一般情況下，海洋平臺上要求調節閥的噪聲在連續工況小于85dBA，在間歇工況下小于90dBA。

調節閥噪音主要來源于3個方面：機械振動、水力學噪音和空氣動力學噪音[2]。

空氣動力學噪音是流體流經閥節流處的流動機械能轉化為聲能的結果，是主要的噪聲來源。降低閥空氣動力學的主要方法主要有兩種：

1）聲源處理，防止噪音產生。采用低噪音閥門，主要是在閥芯形式上做改進，采用多級套筒、多級閥芯或迷宮式閥芯等結構；

2）聲路處理，一般是在閥后加裝帶有帶小孔的擴散器或在閥后1m長管道上覆蓋隔音材料。

2.4 調節閥材質選擇

調節閥材質的選擇要考慮介質的溫度，壓力，腐蝕性，是否會產生閃蒸氣蝕工況，材料的性價比，材料本身的機械性能等。

一旦出現高溫，必須注意在高溫環境下金屬材料的強度變化及腐蝕性。在低溫工況下，建議材料進行低溫韌性沖擊試驗。閥門密封材料和閥桿填料等軟材料也需要考慮對高低溫度的適應性。

在高壓工況下，如ANSI 2500#閥門，考慮材料強度，閥內件的材料不宜選用316SS，建議選用至少選用duplexSS材質。

為應對氣蝕工況和含有固體顆粒的流體，閥芯材質需進行硬化處理。硬化處理一般有三種方式[1]：

a）熱處理。

b）堆焊硬化層，如堆焊司太萊合金。

c）表面硬化處理。多種元素共滲的表面硬化處理，主要用在籠式閥芯材料硬化處理。

海油平臺常見的腐蝕工況有含水天然氣，海水，含二氧化碳等，常用奧氏體不銹鋼,雙相不銹鋼，鎳鋁青銅，蒙乃爾等材料抵抗腐蝕工況。

2.5 調節閥流量特性的選擇

調節閥的流量特性，是指在工況條件下，當介質流經調節閥時，流量與調節閥的開度之間的關系[3-4]。常用的調節閥流量特性一般有線性，等百，快開，拋物線型等幾種，如圖1所示。

圖1 調節閥的流量特性曲線

根據圖1流量特性曲線，在線性流量流量特性曲線中，閥門的相對行程與通過閥門的相對流量成正比，即相同的閥門開度變化，大流量時流量相對值變化小，小流量時流量相對值變化大。在海洋石油領域，線性調節閥一般用于流量調節。

等百分比的流量特性特點是，閥門的相對行程與流量的變化不是正比關系，是對數關系，在不同的閥門開度下，閥門開度變化引起的流量變化是相同的。因此，小流量時流量相對值變化小，大流量時流量相對值變化大。在海洋石油領域，等百調節閥一般用于溫度，壓力等的調節。

快開流量特性的特點是，在小開度時，只要閥門行程有小的變化，流量變化范圍就會很大，由于閥門增益過大，快開閥門一般用于開-關場合使用。

基于以上各種流量特性的特點，海洋石油工程項目中經常使用線性和等百兩種流量特性閥門來調節相應的參數[5]。

2.6 調節閥的泄漏等級選擇

通常工況下要求閥門泄漏等級為ANSI IV級，在一些關鍵性的用途上或常關的閥門可要求V級或VI級。

2.7 調節閥執行機構的選擇

根據動力源不同，調節閥的執行機構可分為氣動型，電動型，液動型。在實際工程項目中，以氣動執行機構的使用為多。

氣動執行機構有氣動薄膜執行機構和氣動活塞執行機構。

氣動薄膜執行機構簡單可靠，成本低廉，但輸出力較小。為提高輸出力，通常做法是增大尺寸，使得執行機構的尺寸和重量變得很大，因此，此類執行機構多用于尺寸較小，磅級較低的場合。

氣缸活塞執行機構能充分氣源壓力來提高執行機構的輸出力，減少重量和尺寸，適用于高壓差、高靜壓和要求有大推力的應用場合。

3 針對具體工況的選型分析

在南海某深水天然氣項目中，由于工藝流程壓力高，流量大，壓降要求緊張，調節比大，且存在規模年與配產之間的不協調，給調節閥選型帶來極大挑戰。下面針對這些典型工況具體分析，并給出選型建議。

3.1 HIPPS前壓力調節閥選型分析

HIPPS是high integrity pressure protection system的簡稱，其作用在于：當海管來液壓力過高時，及時切斷高壓源頭，從而達到保護下游設備的目的。工藝流程在登平臺海管上HIPPS設備前設置壓力調節閥，保證HIPPS前壓力的穩定性，盡量減少HIPPS設備的動作，以保證工藝流程平穩，安全地生產運行。如表1所示。

表1 HIPPS前調節閥工藝參數表

分析上述工況，管線口徑為22”，經過咨詢單座直通型調節閥廠家，沒有22”的標準產品，最大只能選擇20”單座直通調節閥；且經過計算，即使選用20”閥門，在滿足最大流量的前提下，所需要的壓損遠大于允許最大壓損。因此選用單座直通閥不可行。

結合全球型調節閥適用于大流量，低壓降工況的特點，此處選用球型調節閥。經計算，選用16”的閥體，閥門開度在30%～75%之間。考慮含水天然氣對閥門的腐蝕性，閥體，閥球，閥座，采用A182F51，閥桿采用高強度的inconel 718。

此處工況選用全球型調節閥，為中海油首次使用球形調節閥，解決了工藝流程上壓降緊張的問題，且使用全球型調節閥，由于此類型調節閥流通能力大，減小了閥門尺寸，降低了投資。

3.2 斷塞流捕集器液相出口液位調節閥選型分析

斷塞流捕集器液相出口設置調節閥，以控制斷塞流捕集器罐內液位。如表2所示。

表2 斷塞流捕集器液相出口調節閥工藝參數表

分析上述工況，流量范圍為41～8760m3/d，采用一個調節閥無法達到如此大的調節比，因此使用雙閥調節，采用分程控制方案來解決此問題。

由儀表專業通過計算（計算依據為根據流量的上下限，在盡可能擴大這兩個閥門調節范圍的情況下通過計算確認出合理的分界點，此分界點以下的流量由小閥控制，總流量減去分界點的流量由大閥控制。），確認小閥尺寸為3”，流量調節范圍為70～960 m3/d，大閥尺寸為8”，流量需調節范圍為0～7800 m3/d，實際可調范圍為300～7800 m3/d，調節閥的可調節流量下限為70 m3/d。流量分界點即為960m3/d。運用此方式進行流量調節，需要在總流量為70～960 m3/d的范圍內用小閥進行調節，流量在960～8760 m3/d范圍內保持小閥全開，再打開大閥進行調節。

采用分程控制方案，分程控制點的選擇尤為重要。一般來說，使兩個閥門的調節比近似的分程點為較優化方案。

3.3 凝析油外出泵出口調節閥選型分析

凝析油外輸泵出口處壓力很高，壓降較大。如表3所示。

表3 凝析油外輸泵出口調節閥工藝參數表

流體特性 潔凈流體工作溫度（℃） 40工作流量(Sm3/h)最小：0正常：0～42最大：140入口壓力（k PaG）（對應最大，正常和最小流量）最小：12200正常：2430～7430最大：10730允許最大壓損（k Pa）（對應最大，正常和最小流量）最小：5150正常：3680～5150最大：3680

此工況由于壓降過大，因此采用多級套筒閥，閥芯的設計采用防氣蝕型。介質沒有腐蝕性，閥體采用鑄造碳鋼A216WCB；同時，由于該閥門磅級較高，對閥內件的材料硬度要求較高，雖然不是腐蝕工況，此處也選用硬度較高的duplexSS來應對如此高的入口壓力。閥門的流量特性選用等百，密封等級為ANSI IV級。

通過以上分析，在上述幾個典型工況中選取合適的調節閥，能夠滿足特殊工況下的壓力流量調節，使閥門開度合適，工藝流程穩定，確保安全生產，保證控制質量，減少不必要的經濟損失，對整個系統的穩定運行有著重要意義。

4 結束語

隨著開發規模的不斷擴大，從經濟性及可持續發展等方面考慮，現階段的開發工程多為滾動開發工程項目，中心處理平臺，油氣輸送海底管道，終端處理設施等設備多要求具有涵蓋整個開發周期處理量的能力，這就意味著儀表閥門在選型過程中會遇到更為苛刻的工況條件，需要我們以更加嚴肅謹慎的態度對待調節閥的選型工作，使得調節閥的選型能夠更好適應工況需求。□

[1] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].第三版.北京:化學工業出版社.2000:208,219-220,223-229.

[2] ISA. Instrument Engineers, Handbook. Fourth edition[M]. USA.2003:1050-1055.

[3] 美 J.W.哈奇森主編，林秋鴻等譯.調節閥手冊[M].第二版.北京:化學工業出版社. 1984:166-180, 267-268.

[4]《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程電氣,儀控,通信設計[M].北京:石油工業出版社.2007:375-377.

[5] 謝云山,劉建領,趙忠榮.調節閥的選型設計要點[J].自動化與儀器儀表：2008,5/139,53-54.