PDF《水击泄压阀应用说明》

水击泄压阀应用说明 水击泄压阀通常是保护管线的最后一道防 线,在其它所有安全设备都失效的关键时刻可 保护整个管线系统.

正确选型和安装,水击泄 压阀才能充分发挥这一作用. Trilochan Gupta 内容提要 管线的水击压力可高达管线正常工作压力的 10倍之多. 两个因素决定了水击泄压阀的尺寸:安装位 置和压力设定值. 如果选型正确且安装无误,水击泄压系统就 能够防止事故和损害的发生,延长设备的工 作寿命. 迄今为止,由于泄压阀故障导致的最为严 重的事故,可能就是1979年在美国三哩岛核电 厂发生的核事故了,与之类似的事故还曾发生 过很多.2005年,英国石油公司(BP)德克萨 斯城炼油厂爆炸事故的部分原因就是由于泄压 阀的故障.在此次事故中,泄压阀虽完全打 开,但是大量易燃液体从泄压阀排放到放空 管道中,而这个放空管道却没有连接到火炬装 置. 换言之,泄压阀安装位置不正确. 1999年,奥林匹克管道公司运营的一条 16英寸石油管线,在位于华盛顿州贝灵翰姆市 的一台泄压阀出现故障,导致27.7万加仑汽油 流入河道并且发生爆炸,导致三名男孩丧生. 这次事故的结果是奥林匹克公司员工被判5项 重罪,并为其导致的意外死亡赔偿了总计7500 万美元. 水击 在油品管线中,水击会由于突发事件而产 生,例如,一个阀门突然关闭或者一台泵突然 停止工作,而这些突发事件往往都是由于紧急 关断(ESD)而导致的.管线中流动的液体在 遇到阻碍时,就像火车紧急停车时一样,换言 之,由于惯性,每节车厢都会撞向自己前面一 节车厢,导致出现多次冲击. 水击压力可高达平时管线正常压力的10倍 之多 C 结果会造成管线破裂、阀门或者泵的密 封部件破损、介质泄漏,还会导致许多其他问 题的出现(图1).水击泄压阀的作用是在出 现水击压力时快速打开阀门,将高压液体释放 到一个储罐中或者其他安全出口. 导致水击压力的四个典型原因: 泵的启动:泵的启动使泵下游管线中的空间 迅速减小,从而产生极高的压力. 2009年,在俄罗斯西伯利亚的萨杨-舒申 斯克水力发电厂,一次严重的水击导致与一台 涡轮发电机连接的管线破裂.变压器发生爆 炸,洪水流入电厂,导致69人丧生.如果该厂 安装了水击泄压阀,就可以解决此类问题. 压力( SIG )

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70 未安装水击泄 压保护装置的 管道压力 安装水击泄压 保护装置后的 管道压力 压力设定值 时间(秒) 安装水击泄压保护装置和未安装水击泄压保 护装置的典型压力/时间响应曲线 图1:水击可以由若干原因造成,最终可使管道压力达到正常 工作压力的10倍之多.当水击泄压阀打开时,可以将超压压力 释放到安全系统中. 图2:水击泄压阀为管线上水击泄压系统的一部分 在油品管线中,为了避免类似的问题发生,必须对水击泄压阀 的选型和安装给予充分 的关注. 泵电源掉电:这种情况导致泵吸入 端的压力骤升,泵排出端压力骤 降.压力骤降通常会成为主要问 题.排出端的压力低于饱和蒸汽压 力时,就会产生气液柱状分离. 阀门打开和关闭:关闭管线下游端 的阀门会产生向油罐一端传导的压 力波.关闭阀门的时间比压力波传 递至管线末端并返回的时间要短, 这一现象称为 阀门突关 .阀门突 关会快速改变流速,导致水击的发 生.阀门突然打开所造成的水击通 常不会过于严重. 不当操作或水击保护装置设计不合 理:水击泄压阀过大,或在不太可 能出现水击的工况下安装某种防止 水击的装置会给管线带来损害而非 保护. 在液体介质装载和卸载装置中, 也有可能会出现水击现象.例如,油 船与管输系统断开时,或者紧急切断 阀关闭时,油船的输油管线,鹤嘴等 设备会由于水击而受损. 通常情况下,所有需要承受压力 的管线都必须安装泄压系统(图2), 地方政府或国家的相关部门对此都有 要求. 以美国为例,美国交通运输 部(DOT)颁发的DOT标准中明确 规定: 任何运营商都不得允许其管线 中的压力在出现水击或其他异常情 况时超过管线运行压力限度的110%...... 水击泄压阀的选择 水击泄压阀的尺寸由两个因素决 定:位置和压力设定值.泄压阀的位 置应靠近可能会出现压力增加的位 置.结构简单的弹簧式泄压阀在压力 波经过泄压阀嘴时无法快速地释放压 力.通过水力瞬变波分析确定出最低 的设定压力值时,就可选用较小尺寸 的水击泄压阀. 大部分大型管道公司和管道设计 公司都利用计算机程序建立管道数学 模型,这些程序可以计算出管线内需 要释放的液体,以及在多长时间内释 放才能够满足美国交通运输部 不超过 110%管线运行压力 的强制性要求, 从而帮助管道工程师选择适合的泄 压阀. 图4:安装在泵下游位置的先导式水击泄压阀 快开.阀门的打开和关闭都遵循其控 制特性曲线. 由于篇幅有限,无法对相关方程 式以及如何满足要求的相关分析内容 进行详细说明.但是负责泄压阀选型 工作的工程师应该掌握管线水力专业 知识. 水击泄压阀的类型 通常在管线上可以使用两种类型 的泄压阀:先导式泄压阀和氮载式泄 压阀.两种泄压阀都在管线压力超过 设定值时启动,但是氮载式泄压阀反 应速度要快得多. 先导式泄压阀(图4)经常用来 为泵提供保护,通过泄压阀将压力保 持在设定的数值.这种泄压阀可以将 压力值控制在 ±2 psi,而无需考虑上 游管线压力的波动. 先导阀和主阀都是流通能力较大 的单座阀.这类阀门可以防止管线超 压,或者作为泵的旁路保护,保持泵 的出口压力恒定. 氮载式泄压阀一般用于要求在很 短的泄放时间内阀门要完全打开的工 况.阀门一般处于常闭状态,当阀门 入口压力持续增加时打开.氮气用来 给阀塞施加压力,使其保持关闭的状 态.

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100 %流量(CV ) % 行程( % 开) 图3:丹尼尔

765 型氮式加载式水击泄压阀线性阀 门特性曲线,阀门行程与流量比(% CV ) 液压平衡活塞式阀门 需要考虑的因素包括阀门的响应 时间、流量系数 (CV )、达到所需流速的 超压、以及阀门的特性控制曲线等. 阀门响应时间指超过设定压力值 时打开泄压阀所需的时间.阀门流量 系数(CV )指阀门全部打开,阀门 压降为

1 psi 时的流量. 阀门的尺寸、 类型和制造商不同,CV 值也会不同. 泄压阀能够打开是由于管线内的 介质压力超过了作用在阀塞上端的压 力. 这种作用在阀塞上下端的压力 差与阀门类型和操作特性有关.例如, 平衡式和不平衡式水击泄压阀就不相 同.因此,压力差也就决定了打开阀 门所需要的压力的大小. 一共有三种不同的控制特性曲 线:等百分比、线性(图3)、以及 图5:氮载式水击泄压阀系统(带超声波流量计)典型安装立 体示意图(用于测量每个泄压阀的液体泄放量) 的可能性、水击泄压阀在工作时的泄 放量、以及系统可以承受多大的压力 等.水击泄压系统还应能够与其他安 全控制系统协调工作. 例如,装卸码头的油轮上出现水 击问题.如果油轮的紧急切断阀突然 关闭,油泵还会继续运行一段时间. 一个更好的油轮系统应该是首先让油 泵停止工作,然后再关闭紧急切断 阀.研究表明这种方式会极大地降低 水击压力数值. 控制时间或者紧急切断阀关闭的 时间,也会影响管线中的水击压力. 通过延长阀门关闭的时间,可以保证 流量平缓降低.泵和管线尺寸也是水 力设计时需考虑的因素. 瞬态行为预测 - 通常被称为 水击 分析 C包括建立详细的计算机模型, 以模拟设备、管线、液体在正常状 态、故障状态和紧急状态下的各种复 杂的相互作用关系.水击瞬态建模分 析尚未完全达到可以完全模拟实际状 况的水平,因此,水击泄压设计必须 以行业最佳实践为基础,并结合相关 的知识和经验. 尽管许多设计方案都能够降低管 线中的水击压力,但是为保证系统的 安全必须安装水击泄压阀.这是因为 水击泄压阀往往是管线安全的最后一 道防线.如果所有其他的安全措施都 失效了,水击泄压阀能够保护整个管 线系统. 良好的水击泄压系统还需包括对 水击泄压阀的关闭起到阻尼或迟滞作 用的部件,这就需要进行复杂的回路 设计.以丹尼尔水击泄压阀为例,阀 门打开时,通过止回阀的液体不受限 制;

阀门关闭时,通过节流孔限制关 闭的速度.用户可以根据系统需求设 置不同的阀门关闭速度. 对于氮载式阀门,必须对氮气系 统给予充分的关注.氮气系统必须为 阀门提供恒定的压力,即使环境温度 出现变化时也是如此.一般情况下, 氮气系统会采用标准的氮气瓶并配备 自己的控制系统,以调节氮........