氮气式水击泄压阀启闭过程动态特性研究

张虎群 李华明 郑程 王延 冯毅（中国石油管道呼和浩特输油气分公司，内蒙古 包头 014000）

氮气式水击泄压阀启闭过程动态特性研究

张虎群 李华明 郑程 王延 冯毅（中国石油管道呼和浩特输油气分公司，内蒙古 包头 014000）

随着社会经济的不断发展，石油的运用量也在不断增加，加强石油运输工作的安全受到了人们极大的关注。在石油集输管网中氮气式水击泄压阀的运用具有非常重要的作用，氮气式水击泄压阀开启和关闭的过程都有着严格的要求，直接关系到气体的流速问题。为此，文章多氮气式水击泄压阀启闭过程的动态特性展开了讨论，了解氮气式水击泄压阀的工作原理和结构特征，加强氮气式水击泄压阀工作的稳定性。

水击泄压阀；动态特征；分析

在现代社会的发展中，石油的运用有着不可取代的作用，加强石油运输的安全能够促进社会经济的稳定发展。在石油的集输管网中，氮气式水击泄压阀的运用能够实现石油运输的安全，减少运输过程中管道水击力对管道造成的损伤，避免石油运输的泄漏。加强对氮气式水击泄压阀启闭过程中阀内流体的流动特征进行分析，从而为改善流道的流动情况提供依据。

1 水击泄压阀的概述

1.1 水击泄压阀的定义分析

在输油管道系统的运行过程中，因为油品种类的变化、运行工况的变化都会让水力状态发生改变，尤其是出现了机械的故障或者是人为的操作失误，就很容易造成系统的中间泵站出现中断的情况，或者是输油泵出现突然的关闭，使得管道内部的油品迅速的流掉或者是在压力上出现急速的变化。如果过程中会有巨大的压力脉冲，甚至超过了管道原有的承压能力的时候，管道会发生强烈的震动，出现较大的噪音，阀门甚至会出现破坏和爆炸。为了能够避免水击的情况对输油管产生的危害，需要按照管道的差异性选择不同的增强方式做好水击保护工作。泄放的保护是充分的利用压力泄放的装置来实现被动形式的保护，最常见的方式包括常开和常闭式的。输油管线中较多选的是常闭式的泄压阀，这样可以满足保护以及泄放的功能。

水击泄压阀大多是和输油管路呈现并联的状态，当输油管道的干线出现水击的时候，管道里面的压力会比泄压阀原先设定的开启时的压力要大得多，泄压阀会迅速的开启，将介质大量的泄放，然后在储备罐中存储。如果压力的峰值要比泄压阀开启的压力要低的时候，泄压阀会恢复到和出厂时一样的状态，如果再次出现水击的情况的时候，就会对其有一定的保护作用。

1.2 水击泄压阀的分类

按照控制环节的差异、反馈信号源的不同以及阀体结构形式的区别，水击泄压阀来进行分类。

泄压阀在控制环节上较为复杂，有几种类型，这其中，单控制环节的泄压阀又被称作直接作用式的泄压阀，具体又可以分为定值器分离式和弹簧直接式两种。这其中后者能够进行控制的部分比较少、能够很快的响应，测压的管路能够长时间的保持畅通的状态，但是在精度上的控制力不够，泄放的时候管道很容易出现较大的波动，稳定性能不行。而定值器分离式的出现则是借助定值器和配气的气源有效的解决了该问题，在控制环节上会比直接式的更复杂，而且需要投入大量的维护。多控制的环节泄压阀又叫做间接作用式的泄压阀，主要的组成部分包括电磁换向式和先导式两大部分组成。先导式的在结构上更为简单，能力强并且灵敏度极高。电磁式在控制精度上基本上是由高性能的自动控制系统决定的，自动化程度较高，高精度和远距离均能得到满足。

泄压阀反馈信号的获取有多种途径，如果信号源是来自本身的泄压阀则被称为自力式泄压阀，主要包括电磁换向、机械先导和双控内置这几种形式。电磁换向更多的体现的是精度高并且运行可靠的自动控制系统，广泛的应用在了高精度、强稳定性的场合中；双控结构比较简单，密封性也机比较强，在泄压的环节比较平缓而且噪声也比较小。自力式的信号源大多是来自于外部的控制系统，在结构上较为复杂，而且通常是借助外部控制系统实现压力的检测，实现对信号的输出，再经由换向阀实现对泄压阀的控制。

泄压阀的阀体在结构上存在有较大的差异，而且介质的流动方向不尽相同。这其中采取角式阀体的是机械的和橡胶囊的。橡胶囊的操作便捷，密封性比较好，而且在响应速度上也是相当的快，但是如果是人造的橡胶材质那么使用寿命比较短，机械式的在使用寿命上大大的延长了，但是响应的速度却远远要比橡胶囊的要慢很多，控制的稳定性不够，再加上管路的波动很难控制。轴流式的阀体在泄压环节受到的阻力比较小，噪声小，而且具有极强的泄放能力。但是因为它不能满足在线的检修，所以制造费用比较昂贵。

2 模拟与分析

2.1 水击泄压阀初始阶段受到超压比的影响分析

氮气式水击泄压阀在启闭过程中受到超压比的影响非常的大。如果氮气式水击泄压阀的进口压力要比开启压力时的压力要大，随着压力差的增大，发生的影响也会不一样。当压力差出现的数值比较小时，水击泄压阀门微微开启后，又马上关闭起来，这个时候，显示出来的阀芯振动值非常的小，产生的泄压效果也非常的差。当压力差值非常大时，流道中的液体产生的波动也非常的大，当开始打开泄压阀时，阀芯会发生非常剧烈的振动。

为此，进行了下列的演示。对六种压力比下的泄压阀进行仿真的模拟计算，分别是2%，5%,10%,20%,50%和100%，针对不停地压力比进行不同的模拟实验，得出一般规律。

2.2 分析不同的氮气压力对阀开启特征的影响

氮气式水击泄压阀在开启过程中还受到氮气的影响，不同的氮气产生的压力值也是不一样的。在入口的压力值相同的情况下，阀芯受到的压力影响随着氮气的不同而发生着不同的变化。当阀芯内腔的氮气压力不断增大时，阀芯的运动位移也在不断发生着变化，也在不断增加。

2.3 分析水击泄压阀启闭过程中速度的分布情况

当整个氮气式水击泄压阀处于密封的状态下，密封内阀座的流速在不断增加的时候，流速必然会到达一个最大值，一般是112.7m/s，在阀门出口的位置，会出现高速流集中区域。经过0.1s的时候，阀芯出现了最大的位移，流速也增加到了87.2m/s，在阀芯密封面流道的位置出现的流速也趋于稳定的状态，但是在出口边缘的位置，流速在不断的增加，而且出现了非常大面积的高速集中区域。阀门的关闭在0.2s的时候，整个阀门都完全的关闭，然后发内的流道的流速也逐渐处于稳定的状态，同时也没有集中区域的产生。

2.4 阀芯在水击泄压阀启闭过程中，阀芯受力分析

水击泄压阀在启闭的过程中，阀芯受力也是不一样的。当泄压阀完全打开时，受力是最小的，随着气不断泄出，阀芯的受力也不断减小。

通过上述的实验，得出以下结论。首先，氮气式水机械压阀的超压比在不断增大时，阀芯的运动越来越快，阀芯的运动速度越快，阀门开启的时间就会越快。其次，当阀芯腔室内的氮气压力在不断增加时，阀芯运动的速度越慢，随着阀芯运动速度的下降，泄放量却没有发生变化。

3 结语

总而言之，加强对氮气式泄压阀研发启闭过程中流道的运动特征进行研究，为实现石油集管网的安全运输提供保障。在上述分析中，只是简单的了解了氮气式水击式泄压阀的动态特征，而没有实现进一步的展开分析，在未来的研究中，需要加强相关内容的分析，实现石油的安全运输。

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冯毅 男(1978-)研究生学历毕业于:中国石油大学（北京）从事输油气生产管理工作、安全管理及人力资源管理等相关工作