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              1. 常用止回閥的選型與配管設計

                發布時間:2018-08-19 19:42  

                來源:《石油和化工設備》2017年第05期

                作者:侯緒連;董姝妙

                止回閥(CheckValve)是一種依靠流體介質自重或外部動力開啟、關閉啟閉件(閥瓣)的自動閥門,也稱單向閥,廣泛應用于石油化工管道系統中,可阻止介質逆流,防止泵及驅動電機反轉,控制容器內介質泄放等。正確合理選型和配管安裝直接關系著設備及管道系統的安全平穩運行。本文依托油田地面工程項目實際,詳細介紹了常用止回閥選型原則、安裝要求,并結合部分配管安裝的實例,為廣大工程設計人員提供一定參考。

                1 常用止回閥的選擇

                在油田地面工程中,常用的止回閥包括升降式、旋啟式、蝶式、隔膜式等類型,不同類型的止回閥閥瓣結構和啟閉方式不同,因此適用工況也不同。通常,工程設計初期,工藝專業設計人員根據特定工況下止回閥對最小沖擊壓力或無撞擊關閉時所需要的關閉速度及其速度特性進行定性評估來選擇止回閥的類型。這種方法雖不十分精確,但一般適用于大多數場合。

                在此基礎上,止回閥的選擇主要遵循以下原則。

                (1)止回閥的公稱壓力必須與實際工程中所需生產壓力相匹配;

                (2)止回閥不易被所屬管道系統的流體介質所腐蝕;

                (3)止回閥啟閉件全開時的摩阻損失等必須滿足工藝設計的要求,正常生產時保證啟閉件處于全開狀態;

                (4)止回閥可能產生的水錘沖擊力不可超過設備或管道系統的閾強度;

                (5)止回閥組件的抗撓強度和疲勞強度應滿足生產運行要求;

                (6)在滿足設計生產的基礎上,選擇的止回閥應力求經濟、體積小、重量輕,宜于運輸和維檢;

                (7)不同結構止回閥的適用管道尺寸和壓力工況不同,對止回閥的選擇有一定的借鑒意義,如表1所示。

                表1 不同公稱直徑及壓力工況下特定止回閥的選型參考

                在以上閥門選型要求的基礎上,前人已總結出一些針對特殊工況適用性極強的新型止回閥。設計人員可結合工程實際,選型時充分考慮新型閥門優勢。如目前在海外油氣田地面工程項目中應用較多的高效無聲止回閥,閥瓣質量輕、動作靈敏、開啟行程極短(最快開啟時間僅0.15s)、結構長度短,尤其適用于長輸管線,可安裝在管道任何位置,關閉時無沖擊、無噪聲。

                此外,某些特定工況下閥門關閉時要求水錘沖擊力較小或無水錘沖擊,建議選用緩閉旋啟式止回閥和緩閉蝶式止回閥。但為節省投資,在水泵揚程高、壓力管段短,且設置了氣壓式調壓室的供輸水管路中,無需使用緩閉式止回閥,普通止回閥即可保證工程的安全性。相反,在水泵揚程高、壓力管段長且未設置氣壓式調解室的場合,目前多采用液控緩閉式止回閥。在水泵揚程低的長輸管線中,介質倒流速度慢,不宜采用緩閉式止回閥,應選擇電動型止回閥起到慢關效果。

                作為配管專業設計人員,在工藝專業優選閥門類型的基礎上,根據工藝管道及儀表流程圖(P&ID)合理安裝止回閥。安裝特定類型的止回閥時,需充分考慮其尺寸參數和安裝條件。在海外油田地面工程項目中,止回閥參數主要參考API、ASME、BS等國際通用規范,如API6D、API594、API602、ASMEB16.34、BS1868、BS1873、ISO15761、MSSSP-42、MSSSP-80等;在國內油田地面工程項目中主要依照GB/T12233、GB/T12235、GB/T12236、GB/T13932、JB/T8937等標準。

                2    常用止回閥的安裝

                止回閥應安裝在操作人員易接近、便于維修的地方,止回閥的內部結構決定了其獨特的安裝特點。

                (1)必須嚴格按照閥門箭頭標示方向安裝,不可反向;

                (2)直通式升降止回閥常安裝于水平管道,而立式升降止回閥可安裝在介質自下而上流動的垂直管道上;

                (3)升降式底閥主要安裝在不能自吸或無真空泵抽氣引水的水泵吸水管尾端立管。底閥需沒入水中,防止進入吸水管中的水或啟動前預先灌入水泵和吸水管中的水倒流,保證水泵正常開啟。內含過濾網,可阻止雜質進入吸水管,避免水泵及有關設備受到損壞;

                (4)旋啟式止回閥宜于安裝在水平管道;安裝于垂直管道時,介質必須為自下而上,同時也可安裝于傾斜管道;

                (5)對夾式止回閥安裝位置較為靈活,體積小,便于管道布置,常安裝于100mm≤DN≤400mm的管道系統,用來代替升降式和旋啟式止回閥;

                (6)蝶式止回閥結構簡單,只能安裝在水平管道上;為降低泵出口切斷閥的安裝高度,可考慮優先使用此種類型;

                (7)緩閉止回閥多水平安裝,若置于井內,應留有檢修空間;不應置于0℃以下的環境;

                (8)隔膜式止回閥一般安裝在兩片法蘭之間,或者加緊在管接頭之間;對工況要求較為嚴苛,如褶皺環狀橡膠隔膜止回閥較適用于介質流變化范圍很大的場合,但工況僅限于1MPa、70℃以內;

                (9)止回閥應安裝在遠離脈動源的地方,盡量保證前后管道不出現大的擾動。部分止回閥前后有直管段長度的要求,配管時可選擇合適支吊架來提高管道穩定性,保證止回閥的正常工作,延長其使用壽命。

                3    止回閥安裝實例分析

                例一:為節省安裝空間,設計人員有時將相鄰閥門直接相連,取消直管段。這樣緊湊布置雖能降低成本和安裝工作量,但如筆者上文所述,在海外油田地面工程中,閥門的選擇和采購應遵循國際標準。當采用國外標準系列如ASMEB16.10旋啟式止回閥時,其結構型式和長度相對我國國標較小,DN>80的法蘭端旋啟式止回閥直接相連時螺栓的插入距離不夠,中間必須加一段直管段。

                例二:圖1為某容器連續使用的蒸汽管道管口配管方式。圖1(a)錯誤,止回閥不應與容器管口直接相接,閥門損壞時容器與外界相通,介質泄漏,無法檢修。因此,應在止回閥前設置截斷閥,同時建議閥后設置排污閥。圖1(b)為正確的設計方案。

                圖1 容器蒸汽管道管口配管布置

                圖2 輸油泵出口管線的ISO配管布置

                例三:圖2為某海外油田CPF區輸油泵出口管線的配管方案,利用SmartPlant3D軟件繪制的ISO視角模型。圖2(a)止回閥安裝在閘閥之后,運轉中若單向閥損壞,介質倒流泄漏,無法檢修,因此應將閘閥置于止回閥后;圖2(b)兩閥間無短管,安裝困難,且無法安裝排液閥。正確安裝方式如圖2(c),泵出口順序安裝止回閥、閘閥,中間預留直管段安裝去排污管線和排液閥,同時直管段的存在便于在兩閥間用SLIDESTOOL型管托進行支撐。

                例四:圖3為凝結水回收系統的部分管線。圖3(a)錯誤,通常疏水閥設置旁路閥,極易造成背壓升高。當安裝無止回作用的疏水閥時,若冷凝水主管高于疏水閥,止回閥應靠近主管安裝。綜上,圖3(b)設計更為合理。

                圖3 凝結水回收系統部分管線設計

                例五:油田地面工程中,要根據止回閥的功能特性,結合總圖裝置布置位置和管線路由合理設置止回閥。圖4~圖6為非洲某油田卸油臺系統A與污油回收系統B出口管線匯入油田CPF區油氣分離核心系統C的工藝與配管設計。圖4~圖6中a為工藝流程PID圖,b、c為配管布置俯視簡圖。

                圖4 工藝流程PID和配管設計方案一

                方案一:圖4(b)配管設計符合圖4(a)PID流程要求,A、B兩系統出口管線的流量計、溫度計、壓力表、止回閥等靠近裝置布置,管線沿管廊帶與其它系統的3條分支匯入C系統總匯管。卸油臺和污油回收系統間歇操作,常關(NC)狀態的止回閥并不能長期有效地阻止C系統介質回流至A、B系統。方案一的錯誤在于將止回閥做截斷閥用,因此應另設球閥組成雙閥組,操作工況下阻止介質回流,非操作工況下隔斷C系統,如圖5方案二所示。

                方案二:圖5(b)滿足無故障狀態下工藝設計的要求,但A、B系統距C系統較遠,分支管路泄漏會使總匯管介質倒流并泄漏,迫使持續運行的油氣分離主系統C停工,進而影響整個油田地面工程的油氣處理工藝,因此優化設計雙閥組靠近主匯管布置,如圖5(c)所示,最大程度降低分支管路對C系統的影響。同時,雙閥組靠近管廊邊緣,可就近設置斜梯或移動爬梯,便于止回閥、球閥的安裝、操作和日常檢修。

                圖5 工藝流程PID和配管設計方案二

                方案二圖5(c)配管設計滿足了不同工況的工藝要求,但仍有可優化空間。A、B系統出口管路管徑、材質及管線等級完全一致,可在出口分別設置止回閥將兩獨立系統相互隔離,在匯入主管前同樣設置止回閥雙閥組,隔斷主流程和A、B系統。方案三圖6極大地減少了管材用量,節約了投資成本,根據工程實際需求,優化止回閥安裝位置,與截斷球閥配合使用,進一步降低了三個系統的相互影響程度,保障了CPF油氣分離核心工藝的安全平穩運行。

                圖6 工藝流程PID和配管設計方案三

                4    結論

                止回閥是油田地面工程管道系統中最常用的閥門類型之一,選型和配管安裝要綜合考慮閥門特性、生產工況、工程需求、設備總圖布置及管線路由走向等,需要設計團隊中工藝專業與配管專業等協同合作,以保證管道系統安裝設計的合理性與可靠性,從而保障油田地面工程安全投產與平穩運行。

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