1．概述
目前在石油天然氣工業(yè)生產(chǎn)集輸裝置系統(tǒng)，普遍應(yīng)用的國產(chǎn)安全閥。由于結(jié)構(gòu)原理所定，超過壓力(△Po)范圍一般都在5～10％Ps，這類安全閥在結(jié)構(gòu)和可靠性上都難于滿足生產(chǎn)的要求，更不能保證天然氣集輸裝置的安全運(yùn)行。隨著生產(chǎn)裝置的大型化和高參數(shù)化，對安全閥使用的安全性、功能的可靠性以及使用壽命等方面提出了更高更嚴(yán)格的要求。本研究項(xiàng)目以氣動(dòng)學(xué)、自動(dòng)控制為理論基礎(chǔ)，將導(dǎo)閥設(shè)計(jì)為活塞結(jié)構(gòu)，利用導(dǎo)閥閥芯密封面積與活塞面積的轉(zhuǎn)換，活塞阻尼孔流阻系數(shù)和背壓的匹配設(shè)定，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)閥超壓即開。使安全泄放閥超過壓力△Po<1％Ps，這個(gè)理論追求值真正變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)，回座密封零泄漏。采用防爆監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離超壓監(jiān)控。在西氣東輸工程上已成功替代國外先導(dǎo)式安全閥，并在全國各天然氣集輸工程得到廣泛推廣應(yīng)用，項(xiàng)目的安全可靠性和高效節(jié)能已被市場所認(rèn)可。
文中符號注釋：Ps——整定壓力(MPa)
Pd——排放壓力(MPa)
Pr——回座壓力(MPa)
△Po——超過壓力(MPa)，△Po=Pd-Ps
△Pbl——啟閉壓差(MPa)，△Pbl=Ps-Pr
F彈——導(dǎo)閥彈簧力N(導(dǎo)閥閥芯密封比壓力)，F(xiàn)彈=Ps·S密
S活——導(dǎo)閥活塞面積(mm2)
S桿——導(dǎo)閥閥桿截面積(mm2)
S密——導(dǎo)閥閥芯密封面積(mm2)
S上——活塞上腔面積(mm2)，S上=S活-S桿(mm2)
2．國內(nèi)外安全閥技術(shù)現(xiàn)狀
(1)從國內(nèi)來看，安全閥產(chǎn)品不論是采用直接載荷式(重錘式、重錘加杠桿式、彈簧式)還是非直接載荷式(先導(dǎo)式、補(bǔ)充載荷式)，其主要性能指標(biāo)遵循GB/T 12243—2005《彈簧直接載荷式安全閥》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在氣體介質(zhì)中超過壓力△Po≤10%Ps，啟閉壓差△Pbl≤15%Ps，流道直徑≥20mm，密封泄漏率為20氣泡數(shù)/min。在石油天然氣采輸場站實(shí)地調(diào)查和排放調(diào)試情況看，安全閥超過壓力△Po ≤5%Ps，也難以滿足天然氣集輸裝置安全排放使用。在現(xiàn)場安裝調(diào)試一臺(tái)整定壓力7.2MPa、DN50的先導(dǎo)式安全閥，超過壓力△Po升至2.8%Ps，即排放壓力為7.4MPa時(shí)，天然氣從安全閥主閥出口泄漏的聲音已使幾米內(nèi)的調(diào)試人員聽不到說話聲，但還沒達(dá)全行程排放。待排放壓力增加到Pd≤7.2+7.2×5%≤7.56(MPa)才全啟排放，調(diào)試現(xiàn)場工作人員早已沒有任何安全感了。若在標(biāo)準(zhǔn)允許的△Po≤10%Ps范圍內(nèi)工作，則更不敢設(shè)想。
由于我國天然氣工業(yè)發(fā)展還處于初級階段，天然氣用安全閥與其他工業(yè)用安全閥在使用特點(diǎn)要求上存在著質(zhì)的區(qū)別還沒有完全被人們所認(rèn)識。這種區(qū)別在于，一是天然氣本身屬易燃、易爆介質(zhì)，若使用的安全閥長期泄漏，一旦環(huán)境出現(xiàn)火種或遭雷電襲擊，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)事故。如在90年代初四川磨溪?dú)馓镌l(fā)生過一起由于安全閥泄漏，雷擊引起天然氣燃燒，造成重大破壞和經(jīng)濟(jì)損失；二是天然氣介質(zhì)不同于其他液體或蒸汽，一般集輸都是中高壓，特別是在高壓力情況下安全閥泄放，排放量要大、排放速度要快，性能指標(biāo)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液體或蒸汽；三是從安全性出發(fā)要求天然氣用安全閥超壓即刻全行程排放，一旦排放泄壓完畢迅速回座關(guān)閉“零泄漏”，高效節(jié)能，使用壽命要長。
為此，一些石油天然氣設(shè)計(jì)院專門組成考察小組，到全國各地安全閥生產(chǎn)廠調(diào)研考察定點(diǎn)生產(chǎn)。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)所定排放精度不能滿足天然氣集輸裝置的運(yùn)用，一些天然氣礦區(qū)根據(jù)工程的需要規(guī)定不能選用國產(chǎn)安全閥。
(2)從國外來看，美國安德森-格林伍德公司生產(chǎn)的AGCO安全解壓閥(先導(dǎo)式安全閥)為目前世界先進(jìn)水平。采用ASME規(guī)范Ⅷ篇、API 526和API 527標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要采用膜片或活塞作為傳動(dòng)部件，導(dǎo)閥感測出口壓力信號，實(shí)現(xiàn)開啟回座。其主要技術(shù)參數(shù)超過壓力△Po可達(dá)到3%～4%Ps，啟閉壓差△Pbl≤10%Ps，密封泄漏率為O氣泡數(shù)/min。中國五環(huán)化學(xué)工程公司“千米橋潛山凝析氣田天然氣處理廠脫酸裝置”2001年6月選用的美國API RP520/ASME第Ⅷ篇標(biāo)準(zhǔn)普通先導(dǎo)式安全閥HTO-06CB-4L6，進(jìn)口連接4″-600LB-RF，排放孔面積392mm2，在操作溫度20℃情況下，Ps=7.08MPa、Pd=7.35MPa、△Po=3.8%Ps，不能完全滿足現(xiàn)場工況使用要求。天然氣在超壓開啟部分泄放量大，能源損失嚴(yán)重，安全閥的售后服務(wù)和維修配件也很不方便，況且進(jìn)口一臺(tái)國外安全閥價(jià)格大約為國產(chǎn)同類產(chǎn)品的8～10倍，性能價(jià)格比很不合算。
3．結(jié)構(gòu)功能原理
以氣動(dòng)學(xué)、自動(dòng)控制為理論基礎(chǔ)，在先導(dǎo)式安全閥基本原理基礎(chǔ)上，將導(dǎo)閥設(shè)計(jì)為活塞式導(dǎo)閥，并在活塞上設(shè)計(jì)阻尼孔。主閥設(shè)計(jì)為自緊式結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新出一種新型的即開式安全保護(hù)閥，使安全閥超過壓力△Po≤1%Ps，啟閉壓差△Pbl≤10%Ps，復(fù)位準(zhǔn)確，回座密封“零泄漏”。
結(jié)構(gòu)如圖1所示。
基本工作原理：
(1)當(dāng)安全保護(hù)閥的閥前壓力低于整定壓力時(shí)，導(dǎo)閥整定彈簧將閥芯推向閥座密封面，氣體介質(zhì)通過導(dǎo)壓管經(jīng)導(dǎo)閥進(jìn)口進(jìn)入主閥閥芯上腔，主閥閥芯在彈簧力復(fù)位作用下緊貼閥座，安全閥處于零泄漏關(guān)閉狀態(tài)。
(2)當(dāng)閥前壓力達(dá)到或高于整定壓力時(shí)，介質(zhì)壓力克服導(dǎo)閥彈簧力，導(dǎo)閥閥芯向上推移，超壓氣體介質(zhì)進(jìn)入活塞下腔，受力面積由閥芯密封面積轉(zhuǎn)化為活塞受力面積，受力面積瞬間增加，推動(dòng)活塞上升力增大，而活塞上腔由于通過阻尼孔與出口端形成通路的作用，壓力增長緩慢，并與活塞下腔形成較大壓差，導(dǎo)閥立即輕松開啟。隨之主閥上腔氣室內(nèi)的氣體從導(dǎo)閥出口排出，上腔泄壓，主閥開啟，介質(zhì)迅速排放。
(3)在氣體介質(zhì)壓力全行程排放過程中，導(dǎo)閥活塞下腔氣體介質(zhì)壓力通過阻尼孔傳遞到活塞上腔，活塞上腔空間距離已達(dá)到最小值。造成活塞上下腔氣室壓差近乎相等，活塞下腔面積壓力與上腔面積壓力及導(dǎo)閥彈簧密封比壓力形成動(dòng)態(tài)平衡，使導(dǎo)閥處于開啟狀態(tài)，氣體介質(zhì)穩(wěn)定排放。
(4)當(dāng)氣體介質(zhì)壓力降至回座壓力時(shí)，導(dǎo)閥活塞上腔在背壓力和導(dǎo)閥彈簧力共同作用下大于活塞下端所受介質(zhì)壓力，導(dǎo)閥迅速關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)零泄漏。
4．技術(shù)及性能參數(shù)
4.1 超壓即開
在天然氣集輸裝置系統(tǒng)，由于天然氣介質(zhì)本身特殊要求較高，要滿足安全可靠、高效節(jié)能、使用壽命長的特性，就必須保證超壓即刻排放。
即開式天然氣集輸專用安全保護(hù)閥其關(guān)鍵核心技術(shù)之一就是將導(dǎo)閥設(shè)計(jì)為活塞結(jié)構(gòu)，利用導(dǎo)閥閥芯密封面積與活塞開啟面積的轉(zhuǎn)換，增大開啟力，克服密封面間產(chǎn)生的吸附力、靜壓力、摩擦力。通過在導(dǎo)閥活塞上設(shè)計(jì)阻尼孔，并與閥體凸臺(tái)流道孔匹配，以滿足介質(zhì)壓力上升到開啟壓力時(shí)，活塞上腔氣室通過流阻系數(shù)的匹配與活塞下腔形成較大面積壓差，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)閥的超壓即開，使安全泄放閥超過壓力△Po<1%Ps這個(gè)理論追求值真正變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
如圖2所示，安全閥導(dǎo)閥開啟時(shí)，Ps·S密>F彈，閥瓣離開閥座端面，氣體介質(zhì)開始泄漏并作用于活塞底端面，由于活塞面積S活，即遠(yuǎn)大于導(dǎo)閥密封面積S密，即Ps·S活≥Ps·S密，閥瓣迅速上移，導(dǎo)閥排放，主閥隨即排放。
4.2 準(zhǔn)確復(fù)位
GB/T 12243—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，空氣或其他氣體用安全閥的啟閉壓差△Pbl≤15%Ps。當(dāng)回座壓力Pr越趨向于整定壓力Ps時(shí)，啟閉壓差△Pbl越小，安全閥回座時(shí)間越短，精度就越高，節(jié)約大量能源。
(1)本項(xiàng)目巧妙運(yùn)用密封氣室和氣室面積差壓關(guān)系，通過計(jì)算機(jī)模擬動(dòng)作設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)驗(yàn)證，使流經(jīng)活塞阻尼孔的介質(zhì)在活塞上端產(chǎn)生的壓力在彈簧力作用下與活塞下端建立面積差壓動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，隨介質(zhì)壓力的超壓排放，實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)閥復(fù)位準(zhǔn)確和回座關(guān)閉。
(2)本產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)利用活塞上下腔氣室動(dòng)態(tài)平衡條件，實(shí)現(xiàn)啟閉壓差△Pbl精度調(diào)節(jié)。導(dǎo)閥回座時(shí)氣室平衡條件如圖3所示。
故：回座壓力Pr與整定壓力Ps的比值為設(shè)計(jì)所設(shè)定的導(dǎo)閥密封面積S密與閥桿面積S桿的比值。并由設(shè)定的導(dǎo)閥閥芯密封面積與閥桿面積的比值計(jì)算確定啟閉壓差值△Pbl≤10%Ps。因而復(fù)位準(zhǔn)確，工作穩(wěn)定可靠。
4.3 回座密封“零泄漏”
一般安全閥在出廠或剛使用時(shí)都符合國家通用閥門標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但在天然氣工況現(xiàn)場超壓排放幾次就出現(xiàn)超壓排放工作困難，回座密封泄漏嚴(yán)重等現(xiàn)象，現(xiàn)場工人把這種現(xiàn)象稱為“超壓不能開啟、回座不能關(guān)閉”。
針對天然氣集輸裝置安全閥使用中存在的問題，在對其結(jié)構(gòu)工作原理深刻剖析的基礎(chǔ)上采用了以下關(guān)鍵技術(shù)：
(1)主閥采用自緊式結(jié)構(gòu)。如圖4．圖5所示，閥芯設(shè)計(jì)成圓柱臺(tái)階形，一是利于閥芯全行程開啟時(shí)限位；二是利于主閥輕便開啟。閥芯上部面積大于閥座密封面積，在設(shè)置壓力下，進(jìn)口介質(zhì)壓力越高，密封力越大，主閥閥芯閥座密封越可靠。主閥彈簧的作用只是復(fù)位和預(yù)緊力的實(shí)現(xiàn)。
(2)導(dǎo)閥設(shè)計(jì)成活塞迷宮阻尼結(jié)構(gòu)，閥芯的密封面積遠(yuǎn)小于活塞面積，較小彈簧力產(chǎn)生的密封比壓力就可滿足工作要求。
(3)主閥、導(dǎo)閥閥芯閥座采用硬軟雙質(zhì)密封副。如圖6所示，閥芯底端內(nèi)錐面與閥座凸臺(tái)錐面組成硬密封副，硬密封面堆焊stellite合金，并配對研磨，耐蝕、耐腐、耐沖刷，閥芯內(nèi)腔硫化氟橡膠與閥座錐面凸臺(tái)端面組成軟密封副。閥芯底端嵌的軟密封墊，設(shè)計(jì)受力條件三相應(yīng)力，滿足高壓力密封條件，底端內(nèi)錐硬密封面，也是定位面，使軟密封材料始終在彈性范圍內(nèi)工作。硬軟雙質(zhì)密封副保證了氣體介質(zhì)密封可靠，實(shí)現(xiàn)了安全閥回座密封“零泄漏”。使安全閥回座密封零泄漏這一長期存在的技術(shù)難點(diǎn)得到解決，通過靜壓試驗(yàn)該閥啟閉1500次以上仍保證
回座密封“零泄漏”，真正達(dá)到人們所期望高效節(jié)能、安全可靠的目的。
4．4 性能指標(biāo)
(1)排量系數(shù)的測試
由四川省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所委托中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院二所對即開式天然氣集輸專用安全保護(hù)閥進(jìn)行排量測試，編號：(中心)2010號，排量系數(shù)Kd=0.835。
(2)性能參數(shù)型式試驗(yàn)。
該閥型式試驗(yàn)送機(jī)械工業(yè)通用機(jī)械產(chǎn)品檢測所測試，編號NO:2004FM450。整定壓力Ps=7.0MPa，按標(biāo)準(zhǔn)排放壓力Pd應(yīng)≤7.7MPa，回座壓力應(yīng)≥5.95MPa。
(3)性能指標(biāo)
超過壓力：△Po
啟閉壓差：△Pbl≤10%Ps；
公稱壓力范圍：PN1.6～32.0MPa；
公稱通徑：DN25～DN200
密封泄漏率=0氣泡數(shù)/min
介質(zhì)溫度：-46℃～220℃
排量系數(shù)：Kd=0.835
5.結(jié)束語
該項(xiàng)目針對天然氣工業(yè)需求而開發(fā)，拓新了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，形成了自己的特色。保障集輸裝置安全可靠運(yùn)行，替代進(jìn)口，促進(jìn)國產(chǎn)裝備水平提高?？蓮V泛用于石油天然氣、化工、冶金等領(lǐng)域。先后被國家評為2001年國家重點(diǎn)新產(chǎn)品、2003．年國家火炬計(jì)劃、2005年國家技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目。
目前在我國四川、陜甘寧、青海、新疆、大慶五大天然氣主產(chǎn)區(qū)油氣田管路集輸裝置采用，在四川天然氣礦區(qū)、“西氣東輸”工程各支線和站場、中奧合作廣東LNG液化天然氣項(xiàng)目、“陜-京”輸氣管線、“靖-西”管線、“忠-武”管線、中石油塔里木油田、澀北氣田產(chǎn)能建設(shè)、河北省天然氣利用工程、海南環(huán)島輸氣管線等國家重點(diǎn)工程上，替代進(jìn)口產(chǎn)品，為國家節(jié)約了大量外匯支出。它的推廣和應(yīng)用必將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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