减少压力泄放阀的应用风险

作  者： 美国德莱赛公司 Larry Sm… 
摘  要： 安全泄放系统的零件技术一直伴随着对减低系统运行风险要求的不断增加而不断发展。第一，导阀在最大化生产量上的优势远胜于传统的弹簧式阀门。而目前，新一代的无管导阀的优势又远胜于传统的导阀。4900POSRV无管导阀是唯一适合深海资产应用的。这一阀门的无管结构使其能经受住对高压系统的要求及减少对运行环境损坏的影响。同时，无管设计不易泄露，降低了对环境的风险。 
  随着近海环境变的越来越极端，对压力泄放系统的要求也越来越高。近期开发的新型导阀设计能够帮助最大化泄放系统的可靠性并最小化其运行风险。作为新一代导阀先进技术的代表产品，无管导阀使用内部截流来减少有管导阀所产生的不良影响。本文详细介绍了相比传统导阀，无管导阀的设计特点、操作过程、优缺点、相关风险及可靠性。

     随着近海生产转移到深海及超深海域，设备的运行环境更为苛刻，面临的挑战也随之增加。未受阻止的水流运动导致结构性变动增加，偏僻的地点又增加了供应链物流的复杂性。大量油气处于危机之中意味着对系统可靠性有着极高的要求，停机与生产中断成本变的非常昂贵。这样的运行环境需要非凡的技术来减少停工期及提高安全性。深海操作的实质是确保雇员的安全、对环境和深海资产的保护及生产量最大化。压力泄放阀对此有非常突出的贡献，是保护雇员及深海资产的最后一道防线和最基本的要素。

     安全泄放系统的零件技术一直伴随着对减低系统运行风险要求的不断增加而不断发展。第一，导阀在最大化生产量上的优势远胜于传统的弹簧式阀门。而目前，新一代的无管导阀的优势又远胜于传统的导阀。4900POSRV无管导阀是唯一适合深海资产应用的。这一阀门的无管结构使其能经受住对高压系统的要求及减少对运行环境损坏的影响。同时，无管设计不易泄露，降低了对环境的风险。

     压力泄放标准

     全球很多规章、标准及制度都对近海压力泄放装置的管理有所规定。被广泛接受的ASME标准要求在压力为或高于15psi (1.03bar)且直径大于6”（524mm）的情况下运行的压力容器或系统上需装有压力泄放阀。

     关键的近海操作要求压力泄放装置包括：压缩机燃料/气体过滤及释放；生产流线；废热回收装置；储油罐。不同的操作会使用一个或多个压力泄放装置来保护生产处理系统。需要重点指出的是这里讨论的压力泄放阀与海底的安全阀是不同的。海底安全阀是典型的球阀，用于堵塞当钻柱抽出油井时通过钻柱的流体。这些阀门在紧急情况下十分重要，它们阻止油气从甲板流到钻井平台。压力泄放阀有不同的目的。它在某种控制方式下开启以减轻过度的系统压力，而在系统恢复正常的压力情况下重新关闭。

     压力泄放阀的历史

     自压阀：最早、最简单的压力泄放阀利用自压技术来控制蒸汽压力。因其设计及功能比较简单，故常导致危险、蒸汽的意外泄露。

     弹簧式阀门：19世纪，弹簧式阀门利用弹簧的伸缩性被开发出来。内部压缩弹簧也随之被一体化到设计中。尽管相较自压式阀门，弹簧式阀门是一个进步，但回火成为一个问题。系统调节阀门来增加压力，但这一增加的压力超出阀门设计范围，减少了对系统的保护。19世纪中期，一种防回火的弹簧式压力泄放阀被发明出来，并被广泛应用于固定式锅炉及铁路服务中。图1是弹簧式阀门的现代版本。

图1

导阀：几乎100年后，先导式压力泄放阀被开发出来。术语“先导”用于表示引导或支配该装置的某部分。通过导阀，两个阀门可以一起作用以提供可靠的压力保护装置，从而允许系统运行压力尽量接近阀门整定压力。较高的运行压力能最大化扩大生产量及增强受压系统的可靠性。

     压力泄放阀的操作

     传统的先导式压力泄放阀使用一个与管道连接的导阀来控制位于主阀阀瓣顶端的压力（见图2）。

图2

     在整定压力时，导套允许主阀阀座快速开启以减少系统超出的压力。详细的描述是：主阀内的系统压力直接接触主阀阀瓣底端的阀座表面。系统压力通过主阀及相互连接的管道进入，到达主阀阀瓣顶端的汽包区域。阀瓣顶端的汽包压力被主阀阀瓣底端的系统压力所平均。顶端主阀阀瓣区域大于阀座表面区域。不同的区域导致了向下的净力，这一净力使主阀紧紧的关闭。当系统压力增加时，主阀阀瓣上的向下密封力增加，压紧阀座。当系统压力到达导阀的整定压力时，主阀活塞来回运动并阻挡来自汽包压力的主阀入口压力。先导开启导套密封以释放或减少汽包压力。随着介质的力不断克服作用在主阀阀瓣上释放的压力，主阀阀瓣渐渐升高至离开阀座。阀门逐步释放系统压力以减轻超出的压力。当卸载主阀减少系统压力至调整后的启闭压差或先导的关闭压力时，先导关闭通风口封盖。同时，向导开启入口封盖。系统压力进入主阀阀瓣上方的汽包。随着汽包压力被系统压力平衡，来自阀瓣不同区域的向下的力关闭主阀。

     导阀操作性与设计技巧的增强可以使其广泛应用于包括近海石油开采等不同的流程工业。通过不断增强对受压系统的控制来降低运行风险，这一阀门取得了重大意义的进步。

     导阀相较弹簧式阀门的优点：较高的操作压力改善了系统有效性且降低了运行风险；较强的阀座精密度限制了泄露；必需阀门数量的减少也减少了维修成本。

     导阀相较弹簧式阀门的缺点：由于不当的组装、错误的使用方法、系统的震动或环境因素的影响，管道和填料可能破裂、起皱或弯曲。

     使用导阀时，需要考虑的事项包括：只适用于部分高粘性介质；只适用于部分含有高微粒物质的介质；向导的高弹体材质是否和介质兼容；需要对维修技术员做有关管道填料的特别培训。

     阀门新技术

     近期阀门技术的革新是无管导阀的开发。无管导阀的设计和开发部分建立在满足深海工业的特殊需要上。研究展示了导阀系统中管道的淘汰，填料及管道安装可能减少过压环境下的风险，提高安全性及简化维修（见图3）。

图3

  无管导阀寻找并解决存在于近海环境传统阀门中存在的问题。在一个传统导阀内，管道会意外卷曲，使向导不能泄放汽包压力。在这些情况下，主阀在为系统提供保护以对抗危险性的过压环境时不会开启。

    无管导阀的运行机械装置同传统导阀是相同的，不同的是介质由通过内部通道代替了外部管道。图3中的设计只是泄放汽包量而不能在主阀全部开启时继续泄放。先导开口至阀体凹处而不是大气中使得整个装置成为一个封闭的压力泄放系统。

    所有的流量通道都包含在无管导阀内，删掉了外部管道的设计。主阀通过盖板内与入口适配器的通道连接导阀。压力感应，回流预防及先导的通风都是通过这些通道来完成的。外部管道的拆除消除了其产生扭曲的可能性。

    最好的无管导阀都有核心设计要素，如在起跳式与调节式间选择，这些要素增强了阀门的性能。起跳式先导立即开启至全部开启。调节先导与过压成比例的、递增地泄放汽包压力，直至达到整定压力且完全开启。感应管道是在阀瓣循环期为保持阀门运动提供即时入口压力而设计的，用以帮助消除频跳。频跳是指压力泄放阀内快速、交互的开、关。延长的震荡频跳会引起位移、阀座损坏及阀门内部机械机制运行故障。

     为确保最大化灵活性，无管导阀的核心功能设计应该是提供大范围的压力变化，这一压力范围根据需要一般从15psi到高于7000psi（1.03~482.6bar）不等。在近海石油平台流程工业，较高的操作压力能使受压系统经济的工作成为可能。较好的阀门也可能具有较大的温度范围，这一范围一般从F到505F（-40~262℃）不等，以满足介质流过系统的需要。

     与有管导阀相比，无管导阀具有如下优势：

     ■排除由于汽包管道意外弯曲而造成阀门运行故障的风险。配有有管先导的主阀通过长于18”（457mm）的管道与先导相连。外部管道由于不当的安装、人员错误或不当使用容易弯曲。近海油气平台的极端工况也会对管道系统产生消极影响。当管道系统因爆炸而弯曲或损坏时，压力泄放阀不可能完全开启。带有弯曲或损坏管道的过压阀门会引起诸如爆炸等潜在故障，从而导致设备毁坏或给雇员带来危险。

     ■排除因震荡或大气环境引起的管道故障。所有端口都设计在阀门内部，这排除了因波浪运动、制造过程或温度波动等产生的震荡或环境损害带来的管道故障。

     ■加强了工人的安全。任何压力泄放阀的使用都必须满足保护深海资产和劳动力安全的要求。管道系统的精化是另一个增加的安全特点，它减少了雇员摔跤的可能。

     ■降低了系统泄露的风险。管道及连接器数量的减少排除了因系统泄露而给运行环境带来不良影响的可能性。

     ■简单的构造使其易于保养和维修。无管导阀易于保养和维修。大量的阀门组件被削减至6个基本组件，填料和接线减少了。在近海油气平台上，需要特别考虑的就是要满足偏远的位置与自足的需要。较少的零配件减少了现场对备件库存的需要，解决了在紧急情况因供应链的物流而使停工期延长的问题。

     通过顶部的开口组装与拆卸很容易达成。在实际操作中，无管导阀可以在15分钟内完成组装或拆卸。只要系统内无压力，如O型圈和密封垫的更换等例行保养可以在阀门上适当进行。新的技术也允许确定整定压力，使用氮瓶和压力计量测试系统。测试可以在阀门在线时进行。

     ■加强对环境的保护。在处于寒冷气候下的油气平台上，暴露的外部管道系统常会形成水合物。阀门系统中水合物的形成对钻井平台的性能和运作都是有害的。深海油井维修成本很高，因此要足够警惕以确保压力泄放阀能发挥最优效能。由于无管导阀没有暴露的管道系统，因此也没有很多暴露的金属件。时间和材料的节省可使阀体实现热追踪和热绝缘。

     ■自定义构造需求的减少。简单的设计和管道的削减使得无管导阀易于详细说明及定制零配件。

    在使用导阀的系统组装、重新组装或改装时，所有的管道必须按某一特定顺序连接以确保阀门运行安全。简言之，右部管道必须与右部端口连接。无管导阀唯一的连接方法是使用一个连接器。这里没有必要回顾和推荐自定义管道系统结构，因为这根本不存在。但并不是所有的近海油气平台都适用无管导阀，例如无管导阀可选结构较少，其应用要求为压差开关，双先导，5通管道。

    结论

    在为深海资产配置受压系统时，维持系统所需压力以实现可靠生产、将风险减少到最低是需要考虑的首要因素。

     阀门技术设计的发展使先导式压力泄放阀独特的应用于深海操作。在油气平台上，无管导阀可以在其它弹簧式或先导式压力泄放阀短期运行故障时使用。

     无管导阀设计技术降低了近海油气平台处理中的风险，这一结果通过以下手段达成：减少因汽包管道意外弯曲造成阀门运行故障的风险；减少因震动或大气环境引起管道故障而产生的风险；增强员工的安全；减少系统泄露的风险；设备保养与维修；增强对环境的保护。