球型调节阀在海洋石油平台的设计与应用

钱欣，邹国红，王安达，孔冰

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300452)



球型调节阀在海洋石油平台的设计与应用

钱欣，邹国红，王安达，孔冰

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300452)

摘要：针对海洋石油平台上高压力、大流量，超低压差或超高压差的工况特点，从球型调节阀的阀门结构、控制原理等方面切入，通过调节阀选型分析，说明了球型调节阀针对此类工况的适应性，并结合南海深水天然气开发项目对球型调节阀进行设计选型分析，给出了具体选型解决方案和在使用中的建议。

关键词：海洋石油平台球型调节阀大流量选型

随着国内经济的高速发展，海上石油行业勘探及海洋工程装备制造业得到了飞速的发展，并从原有的近海油气田开发逐渐进入到深海油气田的开发进程中。伴随开发规模的不断扩大，从经济性及可持续发展等方面考虑，现阶段的开发工程多为滚动开发工程项目，中心处理平台、油气输送海底管道、终端处理设施等设备均要求具有涵盖整个开发周期处理量的能力，这就意味着管道调节阀在选型过程中会遇到更为苛刻的工况条件，使得调节阀的设计选型面临更大困难和挑战。

在南海深水天然气开发项目中，由于工艺流程压力高、流量大、允许压降小、调节比大，且存在规划配产与推荐配产之间的不协调，选用常规项目常用的Globe型调节阀不能满足流程调节需求，给调节阀选型带来极大挑战。在此背景下，设计人员根据具体工况特点，经过多方论证分析，推荐采用球型调节阀以满足此工艺需求。

笔者结合球型调节阀的结构原理，分析了其在苛刻海洋工况下的设计选型和应用效果。

1球型调节阀简介

以往旋塞阀、蝶阀、球阀仅作为工艺流程截止阀使用；近年来，厂家开始开发以上种类的阀门作为调节阀使用。所谓球型调节阀，即将球阀阀球内部设计出V型坡口、隔板、迷宫等形式，当阀球转动时，阀门具有相应的流量调节功能。与传统Globe调节阀相比，得益于其内部构造，球型调节阀在相同尺寸下具有更大的流通能力，在相同工艺工况条件下，若选用球型调节阀，可以减小阀门的尺寸和质量，降低了成本和工程投资。同时，由于球型调节阀阀座和阀杆的密封等级高，有防火设计等优点，能更加适应苛刻的工况需求，使得球型调节阀在油气开采、石化炼化、海水淡化等领域有着越来越广泛的应用[1]。

从阀门结构上区分，球型调节阀有普通型、内置隔板式、迷宫型等几种形式[2-3]。由于阀门结构的不同，各类阀门分别较为适应的工况有： 普通球型调节阀、内置隔板式球型调节阀可用于低压降、大流量工况；迷宫型球型调节阀可用于小开度时大压降、小流量，大开度时大流量、低压降工况，如海管段塞工况[4-5]。

2球型调节阀的设计选型及实用性分析

2.1球型调节阀调节原理

下面以内置隔板式球型调节阀为例，对球型调节阀的原理进行简要介绍[2]。

内置隔板式球型调节阀的外观及内部流道示意如图1所示。当隔板与介质流向垂直时，阀门处于关闭状态，阀门开度为0；当阀球转动90°后，隔板与介质流向平行，阀门处于最大开度，流通能力最强。在调节过程中，根据阀门定位器收到的来自中心控制室的阀门开度要求自动调整阀球的角度，使其完成流程调节需求[6]。

图1　内置隔板式球型调节阀的外观及内部流道示意

2.2针对具体工况的选型分析

高完整性压力保护系统HIPPS(high integrity pressure protection system)作用在于： 当海管来液压力过高时，及时切断高压源头，从而达到保护下游设备的目的。在南海深水天然气开发项目中，来自水下采油系统的高压井产物流通过登平台海管进入段塞流捕集器，工艺系统在段塞流捕集器前设置HIPPS，保护整个下游流程的设施安全。而HIPPS虽然可以很好地保证系统安全，但如果频繁关断也会对油田稳定生产造成很大干扰，为了维持HIPPS前海管压力稳定，减少HIPPS动作频率，在HIPPS前设置压力调节阀，使平台工艺系统能够更加稳定生产，可靠运行。

通过分析，此处为工艺流程上的大尺寸、大流量、高压力、低压差典型工况。按照常规的设计思路，选用单座直通型调节阀，结合厂家产品，匹配管线尺寸的最大阀门尺寸为DN500(20in)，即使选用DN500(20in)阀门，受制于单座直通型调节阀内部流道结构的限制，所需的压降要远大于允许压降，超出了工艺参数的允许范围，因而此方案不可行[7]。

由图1球型调节阀阀内件结构可知，当调节阀位于100%开度时，其内置隔板平行于管道，几乎不产生压损，计算CV值远大于相同尺寸磅级的单座直通阀。因此，结合此处工艺参数，选用球型调节阀可以很好地满足流程控制需求，经软件计算，DN400(16in)的调节阀即可满足流通能力需求。

此处采用球型调节阀解决方案，不仅解决了工艺流程上阀门选型问题，还减小了阀门尺寸，节省了平台空间，降低了油田开发投资成本。

2.3多级降压阀芯

当采用内置隔板式多级降压阀芯时，介质通过该球型调节阀，其压力变化曲线如图2所示，流速变化曲线如图3所示。对于普通单级/双级节流调节阀门，由于介质流经阀门时会产生很大的压降，进而导致气蚀；同时由于介质流速增大(甚至达到声速)，会引发高分贝噪音，破坏流体状态[8]。而采用图1所示的内置隔板式球型调节阀，当高压流体通过隔板形成微小层压，避免介质在阀腔内膨胀和压缩，同时该设计在引导流体介质自行分散能量的同时，保持阀芯的机械稳定，避免流体介质剧烈扰动及流速过快。因此，噪音、气蚀和高频振荡几乎被消除，并保证流体及上下游系统的稳定。

图2　速度隔板变化曲线示意

图3　压力隔板变化曲线示意

2.4自清洁功能

当砂砾和其他更具威胁的阻隔物体在阀门关断时累积，或调节时在阀芯内积存，那么自清洁功能就变得尤为重要了。由于采用逐级衰减阀腔流体方式的特殊设计，通过阀门的砂砾冲击不会达到损坏的速度，流体经过若干个通道的引导避免了形成损坏阀体和阀座的冲击力。自清洗过程非常简单，当流体在阀芯隔板顶部产生超压，同时在隔板下部产生负压时，完成一次自清洗，流体不但清洗隔板表面，如堵塞严重，控制器会自动给出增加阀门开度的信号，增加开度会进一步提高隔板顶部的流体速度和压力以及下部负压，从而加强自清洗的效果[9]。

3球型调节阀技术特点

由于球型调节阀具有特殊的阀体设计理念，因而有着与普通单座直通调节阀不同的技术特点。

1) 得益于其内部构造，相同尺寸磅级的球型调节阀与普通单座直通阀相比，具有更大的流通能力，可以很好地适应大流量工况[10]。

2) 相同流通能力的情况下(CV值相同)，选用球型调节阀可以选择较小口径阀门，体积小、质量轻，可减少投资，节省空间。

3) 可将调节滞后和死区值降低到最低程度，能够在0.5%的范围内重复阀位。

4) 阀门可调比可达到400∶1。

5) 此类阀门满足API6D设计规范，可采用固定球，阀体材质选用锻造，阀球喷涂硬化材料，与普通调节阀相比，更加适用于高压力、含沙等恶劣工况。

6) 特殊的阀芯设计，使其具有抗汽蚀、防噪声功能。

7) 阀体无堵塞，可以进行自清洁。

8) 阀杆、阀座密封可达到关断阀的密封性能，阀杆密封寿命长，阀球密封等级高。

9) 可进行双向调节。

由于球型调节阀具有以上性能，当面对严苛工况，使用球型调节阀不失为一种良好的设计选型解决方案。

4结束语

该项目中使用球型调节阀，解决了工艺流程上流量大、压降变化大的问题，且由于此类型调节阀流通能力大，减小了阀门尺寸，降低了工程投资。类似的项目经验将会在海洋石油开发工程中得到越来越广泛的应用。

参考文献:

[1]ISA. Instrument Engineers’ Handbook[S].4thed. USA： ISA,2003： 1262-1272.

[2]薛文斌.低流阻球形调节阀的设计初探[J].石油化工自动化，1985,21(05)： 69-73.

[3]李树勋，侯英哲，徐晓刚,等.高压差迷宫式调节阀盘片降压基础[J].排灌机械工程学报,2013,31(12)： 1072-1076.

[4]史道兴.四级降压高压调节阀的设计和计算[J].石油化工自动化,1983,19(04)： 32-35.

[5]《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程电气、仪控、通讯设计[M].北京： 石油工业出版社，2007.

[6]陆德民,张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].3版.北京： 化学工业出版社,2000： 208,219-220,223-229.

[7]哈奇森J W.调节阀手册[M].2版.林秋鸿,译.北京： 化学工业出版社,1984： 166-180,267-268.

[8]谢云山，刘建领，赵忠荣.调节阀的选型设计要点[J].自动化与仪器仪表,2008(05)： 53-54.

[9]吴杰.多级降压高压差调节阀设计[J].阀门,2001(01)： 5-8.

[10]杨署东，李壮云.一种高压大流量气动定差压力控制阀的研究[J].机械科学与技术,2001,20(03)： 449-450.

Design and Application of Ball Regulating Valve in Offshore Oil Platform

Qian Xin, Zou Guohong, Wang Anda, Kong Bing

(Tianjin Branch, CNOOC China Limited Company, Tianjin,300452, China)

Abstract：Aiming at working condition characteristics of high pressure, large flow, ultra-low differential pressure or ultra-high differential pressure of offshore oil platform. Adaptability is illustrated from aspects of structure and control principle of ball regulating valve through valve type selection analysis. Combined with South China Sea deep water natural gas development project, type selection analysis is carried out on ball regulating valve with proposal on detailed type selection and suggestion in application.

Key words:offshore oil platform; ball regulating valve; large flow-rate; type selection

作者简介：钱欣，女，毕业于西南石油大学自动化专业，现就职于中海油(中国)有限公司天津分公司，从事海洋石油油田开发前期研究工作。

中图分类号：TH138.52

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2016)03-0021-03

稿件收到日期： 2016-02-19,修改稿收到日期： 2016-04-16。