國(guó)產(chǎn)迷宮閥在海洋石油生產(chǎn)中的成功應(yīng)用
海上石油平臺(tái)在生產(chǎn)過(guò)程中，為滿足生產(chǎn)工藝和消防要求，需要將海水升壓后進(jìn)入工藝系統(tǒng)和消防系統(tǒng)然后減壓排入海中。在排海過(guò)程中，由于前后壓差大，對(duì)閥門要求苛刻。通過(guò)選用國(guó)產(chǎn)迷宮閥替代單座角閥和調(diào)節(jié)閥，滿足了生產(chǎn)需求，節(jié)約了采購(gòu)和維修成本。
海洋石油在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于離陸岸較遠(yuǎn)，一般采取建海上石油平臺(tái)或者油輪進(jìn)行開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。在進(jìn)行油氣水處理過(guò)程中，經(jīng)常需要冷、熱媒進(jìn)行工藝交換或注水開(kāi)采，同時(shí)為滿足安全生產(chǎn)需求，平臺(tái)上需要建立完善的水消防系統(tǒng)。為減少投資和便于操作，海水是理想的換熱介質(zhì)。海水通過(guò)升壓后，進(jìn)入工藝系統(tǒng)，給處理工藝系統(tǒng)提供源源不斷的冷熱交換載體，海水吸收了熱源或冷源后再排入海中，形成一個(gè)開(kāi)式循環(huán)。同時(shí)，為滿足濕式消防系統(tǒng)的要求，在水消防管網(wǎng)中充滿海水并保壓，多余的海水也需排入海中。因此，減壓排海設(shè)備的性能決定了系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。本文通過(guò)總結(jié)以往減壓設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，大膽創(chuàng)新，探討了海上平臺(tái)海水排海技術(shù)，將新技術(shù)應(yīng)用于新建平臺(tái)。
1、單座角閥節(jié)流減壓原理及特點(diǎn)
海水系統(tǒng)壓力控制通常采用多級(jí)減壓的工藝設(shè)計(jì)流程，即采用一個(gè)常規(guī)控制閥和兩個(gè)單座角閥組成的串聯(lián)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)管線壓力穩(wěn)定及減壓排放。為了保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，需要通過(guò)安裝在工藝流程上的控制閥和角閥將部分海水直接排放到大海中。
1.1、角閥節(jié)流減壓原理
單座閥都是通過(guò)改變閥芯閥座的節(jié)流面積而調(diào)節(jié)壓力和流量，也就是等熵流動(dòng)過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，在節(jié)流面積最小處的下游會(huì)出現(xiàn)一個(gè)流速最大，壓力最低位置，在這個(gè)位置上的流體壓力如果低于飽和蒸汽壓力，液體就會(huì)氣化，產(chǎn)生空化現(xiàn)象。而在后面壓力恢復(fù)的過(guò)程中，流體壓力再次高于飽和蒸汽壓力產(chǎn)生的氣泡破裂，發(fā)生氣蝕，從而產(chǎn)生的后果非常嚴(yán)重。不僅閥門噪音急劇增大，振動(dòng)劇烈，而且極有可能引發(fā)管道共振，發(fā)生安全事故，如圖1所示。
圖1 單座閥減壓節(jié)流原理
1.2、特點(diǎn)
由于閥門前后壓差大，在閥門內(nèi)部形成空化和氣蝕，造成控制閥和角閥振動(dòng)和噪音增大，調(diào)節(jié)性能下降，嚴(yán)重的可直接導(dǎo)致閥門內(nèi)件損壞或報(bào)廢。使用控制閥和單座閥作為排放閥時(shí)，主要存在的問(wèn)題有：
(1)排放時(shí)由于閥門前后壓差大，存在氣蝕，噪音大大超過(guò)環(huán)保要求的允許值。
(3)維護(hù)頻繁。因氣蝕和振動(dòng)，閥門內(nèi)件容易損壞，維修人員要不停地進(jìn)行維修。
(4)縮短了閥門使用壽命。由于壓差大、流速高，介質(zhì)對(duì)內(nèi)件的沖刷和腐蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致閥門使用壽命縮短。
由于以上原因，以往項(xiàng)目在采購(gòu)過(guò)程中，一直依賴國(guó)外產(chǎn)品，且要求的材質(zhì)非常高，造成采購(gòu)費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、限制多，維護(hù)非常不便。
2、迷宮閥節(jié)流減壓原理及特點(diǎn)
2.1、迷宮閥節(jié)流減壓原理
迷宮閥通過(guò)采用迷宮芯包內(nèi)件，通過(guò)流體在迷宮內(nèi)部耗能減壓，建立一個(gè)等焓流動(dòng)過(guò)程。迷宮閥的芯包內(nèi)件是由多個(gè)迷宮盤片組成的并具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的減壓內(nèi)件，通過(guò)多級(jí)減壓，它能極好地將介質(zhì)的流速限制在較低的數(shù)值上，從而使閥門在沒(méi)有氣蝕和高噪聲的狀態(tài)下運(yùn)行。迷宮內(nèi)件的每一個(gè)迷宮盤片都需要經(jīng)過(guò)精心計(jì)算，確定設(shè)計(jì)流道，根據(jù)工況條件計(jì)算得出的多個(gè)尖銳直角、轉(zhuǎn)角所組成。當(dāng)閥芯在迷宮芯包內(nèi)移動(dòng)時(shí)，流體受到節(jié)流并迫使其流過(guò)極其曲折的途徑，而每個(gè)轉(zhuǎn)角就起一級(jí)降壓的作用。由于流道具有許多尖銳轉(zhuǎn)角和連續(xù)擴(kuò)張的流徑，在逐級(jí)膨脹的過(guò)程中消耗了流體的動(dòng)能，降低了流體壓力，從而避免了產(chǎn)生噪聲。如圖2所示。
圖2 迷宮閥減壓節(jié)流原理
2.2、迷宮閥減壓特點(diǎn)
對(duì)液體流而言，迷宮閥可有效地消除氣蝕，并避免對(duì)閥門、內(nèi)件以及下游管道的破壞。迷宮閥解決了高壓差工況下流體不穩(wěn)定、噪聲大、振動(dòng)大、閥內(nèi)件壽命短等難題。流體的流動(dòng)速度是產(chǎn)生沖刷的主要原因，沖刷的速率將以流體速度的3至4次方而變化，因此，合理控制流體速度對(duì)于減小沖刷帶來(lái)的閥門內(nèi)件損壞是至關(guān)重要的。迷宮調(diào)節(jié)閥可提供多達(dá)60級(jí)的減壓結(jié)構(gòu)，可充分控制每級(jí)的降壓量和流體流速，確保介質(zhì)在閥芯內(nèi)流速穩(wěn)定并保持在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，極大地減小甚至消除高速介質(zhì)對(duì)內(nèi)件的沖刷和侵蝕，大大延長(zhǎng)閥門的使用壽命。迷宮芯包的特殊結(jié)構(gòu)型式帶來(lái)的另一個(gè)好處是密封面和節(jié)流分別設(shè)置，充分保護(hù)密封面不被介質(zhì)沖刷和侵蝕，密封面采用帶有經(jīng)過(guò)計(jì)算和實(shí)踐檢驗(yàn)的有角度差的錐面密封結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單并易于密封，可修復(fù)性強(qiáng)，泄漏量小，如圖3所示。
圖3 迷宮閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)
3、單座閥和迷宮閥性能對(duì)比
表1 單座閥和迷宮閥性能對(duì)比
通過(guò)對(duì)比可以看出，迷宮閥由于采用了迷宮內(nèi)件，介質(zhì)在閥內(nèi)的流速基本不變，消除了閃蒸、氣蝕、振動(dòng)和噪聲，大大延長(zhǎng)了閥內(nèi)件的使用壽命和可靠性。
采用迷宮式多級(jí)降壓有如下優(yōu)勢(shì)：
(1)降低流經(jīng)閥內(nèi)件的流體速度;
(2)防止液體產(chǎn)生氣蝕;
(3)降低高壓差流體所產(chǎn)生的噪聲;
(4)延長(zhǎng)閥內(nèi)件使用壽命;
(5)迷宮盤片設(shè)計(jì)較薄、調(diào)節(jié)性能好，可精密控制流量;
(6)閥芯、閥座設(shè)計(jì)成線接觸密封，關(guān)閉性能好。
4、國(guó)產(chǎn)迷宮閥的首次使用
由于國(guó)外迷宮閥價(jià)格昂貴，且交貨周期很長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)迷宮閥價(jià)格相對(duì)便宜，交貨期較短，可以滿足項(xiàng)目進(jìn)度要求。因此，在南海某油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中，項(xiàng)目組通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)迷宮閥生產(chǎn)廠家的調(diào)研及技術(shù)論證，認(rèn)為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的的迷宮閥產(chǎn)品經(jīng)適當(dāng)改進(jìn)后可以滿足海上油田海上排海工藝的要求。本項(xiàng)目首次采用一個(gè)迷宮閥代替一個(gè)控制閥和兩個(gè)角閥的方案，如圖4所示。該方案工藝流程簡(jiǎn)單，工藝配管占用面積少，操作方便，通過(guò)減壓、降速，有效地消除氣蝕、沖刷，降低振動(dòng)和噪聲，滿足了注水工藝和排放要求。在油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)期內(nèi)，延長(zhǎng)了閥門使用壽命，大大降低了閥門采購(gòu)和維護(hù)費(fèi)用，可節(jié)省成本約400萬(wàn)元。
圖4 海水排海管線工藝流程
5、總結(jié)
迷宮閥首次在南海某油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目階段設(shè)計(jì)并采用，從平臺(tái)投產(chǎn)至今，流程的振動(dòng)和噪聲明顯減小，各項(xiàng)性能滿足設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)人員反映產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，使用效果良好。
本項(xiàng)目的成功應(yīng)用說(shuō)明，國(guó)產(chǎn)迷宮閥在海上油田海水排海工藝中可滿足工況要求，簡(jiǎn)化工藝設(shè)置，減少設(shè)備數(shù)量，節(jié)省平臺(tái)空間，降低了成本，安全性能進(jìn)一步提高，在同類油田開(kāi)發(fā)中具有推廣應(yīng)用價(jià)值。
