國產(chǎn)迷宮閥在海洋石油生產(chǎn)中的成功應用
海上石油平臺在生產(chǎn)過(guò)程中，為滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝和消防要求，需要將海水升壓后進(jìn)入工藝系統和消防系統然后減壓排入海中。在排海過(guò)程中，由于前后壓差大，對閥門(mén)要求苛刻。通過(guò)選用國產(chǎn)迷宮閥替代單座角閥和調節閥，滿(mǎn)足了生產(chǎn)需求，節約了采購和維修成本。
海洋石油在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于離陸岸較遠，一般采取建海上石油平臺或者油輪進(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(mǎn)足安全生產(chǎn)需求，平臺上需要建立完善的水消防系統。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，給處理工藝系統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(mǎn)足濕式消防系統的要求，在水消防管網(wǎng)中充滿(mǎn)海水并保壓，多余的海水也需排入海中。因此，減壓排海設備的性能決定了系統壓力的穩定。本文通過(guò)總結以往減壓設計的基礎上，大膽創(chuàng )新，探討了海上平臺海水排海技術(shù)，將新技術(shù)應用于新建平臺。
1、單座角閥節流減壓原理及特點(diǎn)
海水系統壓力控制通常采用多級減壓的工藝設計流程，即采用一個(gè)常規控制閥和兩個(gè)單座角閥組成的串聯(lián)控制來(lái)實(shí)現管線(xiàn)壓力穩定及減壓排放。為了保持系統壓力穩定，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、角閥節流減壓原理
單座閥都是通過(guò)改變閥芯閥座的節流面積而調節壓力和流量，也就是等熵流動(dòng)過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，在節流面積最小處的下游會(huì )出現一個(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)生空化現象。而在后面壓力恢復的過(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)生的后果非常嚴重。不僅閥門(mén)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 單座閥減壓節流原理
1.2、特點(diǎn)
由于閥門(mén)前后壓差大，在閥門(mén)內部形成空化和氣蝕，造成控制閥和角閥振動(dòng)和噪音增大，調節性能下降，嚴重的可直接導致閥門(mén)內件損壞或報廢。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(mén)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)維護頻繁。因氣蝕和振動(dòng)，閥門(mén)內件容易損壞，維修人員要不停地進(jìn)行維修。
(4)縮短了閥門(mén)使用壽命。由于壓差大、流速高，介質(zhì)對內件的沖刷和腐蝕嚴重，導致閥門(mén)使用壽命縮短。
由于以上原因，以往項目在采購過(guò)程中，一直依賴(lài)國外產(chǎn)品，且要求的材質(zhì)非常高，造成采購費用高、周期長(cháng)、限制多，維護非常不便。
2、迷宮閥節流減壓原理及特點(diǎn)
2.1、迷宮閥節流減壓原理
迷宮閥通過(guò)采用迷宮芯包內件，通過(guò)流體在迷宮內部耗能減壓，建立一個(gè)等焓流動(dòng)過(guò)程。迷宮閥的芯包內件是由多個(gè)迷宮盤(pán)片組成的并具有獨特結構的減壓內件，通過(guò)多級減壓，它能極好地將介質(zhì)的流速限制在較低的數值上，從而使閥門(mén)在沒(méi)有氣蝕和高噪聲的狀態(tài)下運行。迷宮內件的每一個(gè)迷宮盤(pán)片都需要經(jīng)過(guò)精心計算，確定設計流道，根據工況條件計算得出的多個(gè)尖銳直角、轉角所組成。當閥芯在迷宮芯包內移動(dòng)時(shí)，流體受到節流并迫使其流過(guò)極其曲折的途徑，而每個(gè)轉角就起一級降壓的作用。由于流道具有許多尖銳轉角和連續擴張的流徑，在逐級膨脹的過(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 迷宮閥減壓節流原理
2.2、迷宮閥減壓特點(diǎn)
對液體流而言，迷宮閥可有效地消除氣蝕，并避免對閥門(mén)、內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定、噪聲大、振動(dòng)大、閥內件壽命短等難題。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于減小沖刷帶來(lái)的閥門(mén)內件損壞是至關(guān)重要的。迷宮調節閥可提供多達60級的減壓結構，可充分控制每級的降壓量和流體流速，確保介質(zhì)在閥芯內流速穩定并保持在一個(gè)合適的范圍內，極大地減小甚至消除高速介質(zhì)對內件的沖刷和侵蝕，大大延長(cháng)閥門(mén)的使用壽命。迷宮芯包的特殊結構型式帶來(lái)的另一個(gè)好處是密封面和節流分別設置，充分保護密封面不被介質(zhì)沖刷和侵蝕，密封面采用帶有經(jīng)過(guò)計算和實(shí)踐檢驗的有角度差的錐面密封結構，簡(jiǎn)單并易于密封，可修復性強，泄漏量小，如圖3所示。
圖3 迷宮閥內部結構
3、單座閥和迷宮閥性能對比
表1 單座閥和迷宮閥性能對比
通過(guò)對比可以看出，迷宮閥由于采用了迷宮內件，介質(zhì)在閥內的流速基本不變，消除了閃蒸、氣蝕、振動(dòng)和噪聲，大大延長(cháng)了閥內件的使用壽命和可靠性。
采用迷宮式多級降壓有如下優(yōu)勢：
(1)降低流經(jīng)閥內件的流體速度;
(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(cháng)閥內件使用壽命;
(5)迷宮盤(pán)片設計較薄、調節性能好，可精密控制流量;
(6)閥芯、閥座設計成線(xiàn)接觸密封，關(guān)閉性能好。
4、國產(chǎn)迷宮閥的首次使用
由于國外迷宮閥價(jià)格昂貴，且交貨周期很長(cháng)。國內迷宮閥價(jià)格相對便宜，交貨期較短，可以滿(mǎn)足項目進(jìn)度要求。因此，在南海某油田開(kāi)發(fā)項目中，項目組通過(guò)對國內迷宮閥生產(chǎn)廠(chǎng)家的調研及技術(shù)論證，認為國內生產(chǎn)的的迷宮閥產(chǎn)品經(jīng)適當改進(jìn)后可以滿(mǎn)足海上油田海上排海工藝的要求。本項目首次采用一個(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(mǎn)足了注水工藝和排放要求。在油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)期內，延長(cháng)了閥門(mén)使用壽命，大大降低了閥門(mén)采購和維護費用，可節省成本約400萬(wàn)元。
圖4 海水排海管線(xiàn)工藝流程
5、總結
迷宮閥首次在南海某油田開(kāi)發(fā)項目階段設計并采用，從平臺投產(chǎn)至今，流程的振動(dòng)和噪聲明顯減小，各項性能滿(mǎn)足設計要求，現場(chǎng)人員反映產(chǎn)品質(zhì)量穩定，使用效果良好。
本項目的成功應用說(shuō)明，國產(chǎn)迷宮閥在海上油田海水排海工藝中可滿(mǎn)足工況要求，簡(jiǎn)化工藝設置，減少設備數量，節省平臺空間，降低了成本，安全性能進(jìn)一步提高，在同類(lèi)油田開(kāi)發(fā)中具有推廣應用價(jià)值。
