海洋工况下调节阀的设计选型

钱欣，李玉田，陈丰波，李治贵

（1.中海石油（中国）有限公司，天津 300461；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；）

0 引言

调节阀作为工艺流程上的重要设备，直接控制工艺介质的流量，压力，液位等参数，是维持工艺系统稳定运行，提高工艺流程处理效率的重要设备，其控制效果的好坏，对于整个系统的安全性、稳定性、经济性和可靠性有着十分重要的作用。

在海洋石油平台上，调节阀也有着广泛的应用。由于行业特殊性，海油平台存在着高温度，高粘度，高压力，高压差，腐蚀，含沙，超大口径，可调比大等恶劣工况，对调节阀的选型提出了更高要求。

本文主要介绍调节阀在选型设计中需要考虑的问题及其在苛刻海洋工况下的选型和应用。

1 调节阀的工作原理

调节阀的节流面积由于阀芯的移动而改变，因此调节阀属于节流元件[1]。

根据伯努利方程按能量不变原理可推导出调节阀流过量为：

其中

A：调节阀流通面积

P1：阀前绝压

P2：阀后绝压

ξ：调节阀的阻力系数

ρ：流体密度

Q：体积流量

当调节阀两端压差不变时，流量Q随阻力系数ξ变化，ξ减小，Q增大。因此调节阀是通过改变开度，使ξ值发生变化，来达到调节流量的目的。

C即为流量系数。根据流量，压差等参数，可计算出调节阀的流量系数，再进行下一步的选型工作。

2 调节阀设计选型

在调节阀的选型过程中，需要综合考虑阀门对工况的适用性，工艺系统安全性，经济性，可靠性等因素，结合具体的工况特点开展设计选型工作。主要从以下几个方面考虑：

2.1 调节阀阀体类型选择

根据工艺变量（温度、压力、压降和流速等）、流体特性（粘度、腐蚀性、毒性、含悬浮物或纤维等）以及控制系统的要求（可调比、泄漏量和噪音等）、调节阀管道连接形式来综合选择调节阀型式。

目前海洋工况下常用的调节阀阀体类型为单座直通阀、套筒阀、角阀，V型球阀，全球型内置隔板调节阀，全球型迷宫阀等。

通常单座直通阀（Top-Guided、cage-retained）一般适用于工艺要求泄漏量小、流量小，阀前后压差小的场合。

套筒阀（cage guide）一般在阀门前后压差大或阀门尺寸大的时候推荐选用。经计算后产生气蚀工况亦推荐选用套筒阀。但套筒阀不适用于含固体颗粒脏污的介质场合。

角阀一般适用于高粘度或悬浮物的流体，容易闪蒸的场合及管道要求直角配管的场合。另外若合理选择阀内件，角阀也可适用于高静压、大压差的场合。

全球型，V型调节阀可用于密封等级高，流通能力大，含脏污介质的场合，其中V型球阀，全球型内置隔板调节阀用于压降较小的工况，而全球型迷宫阀可用于压降较大的工况，如海管段塞工况。

2.2 调节阀的口径选择

将调节阀的相应工艺参数输入软件进行计算会得出调节阀的最大，正常和最小CV值，并据此选择合适的阀门口径。

一般来说，若阀门流量特性为线性，则要求阀门开度需在10%～80%之间，若阀门流量特性为等百，则要求阀门开度需在30%～90%之间。阀门的缩径尽量不超过管线口径的一半。

2.3 调节阀噪音的应对措施

一般情况下，海洋平台上要求调节阀的噪声在连续工况小于85dBA，在间歇工况下小于90dBA。

调节阀噪音主要来源于3个方面：机械振动、水力学噪音和空气动力学噪音[2]。

空气动力学噪音是流体流经阀节流处的流动机械能转化为声能的结果，是主要的噪声来源。降低阀空气动力学的主要方法主要有两种：

1）声源处理，防止噪音产生。采用低噪音阀门，主要是在阀芯形式上做改进，采用多级套筒、多级阀芯或迷宫式阀芯等结构；

2）声路处理，一般是在阀后加装带有带小孔的扩散器或在阀后1m长管道上覆盖隔音材料。

2.4 调节阀材质选择

调节阀材质的选择要考虑介质的温度，压力，腐蚀性，是否会产生闪蒸气蚀工况，材料的性价比，材料本身的机械性能等。

一旦出现高温，必须注意在高温环境下金属材料的强度变化及腐蚀性。在低温工况下，建议材料进行低温韧性冲击试验。阀门密封材料和阀杆填料等软材料也需要考虑对高低温度的适应性。

在高压工况下，如ANSI 2500#阀门，考虑材料强度，阀内件的材料不宜选用316SS，建议选用至少选用duplexSS材质。

为应对气蚀工况和含有固体颗粒的流体，阀芯材质需进行硬化处理。硬化处理一般有三种方式[1]：

a）热处理。

b）堆焊硬化层，如堆焊司太莱合金。

c）表面硬化处理。多种元素共渗的表面硬化处理，主要用在笼式阀芯材料硬化处理。

海油平台常见的腐蚀工况有含水天然气，海水，含二氧化碳等，常用奥氏体不锈钢,双相不锈钢，镍铝青铜，蒙乃尔等材料抵抗腐蚀工况。

2.5 调节阀流量特性的选择

调节阀的流量特性，是指在工况条件下，当介质流经调节阀时，流量与调节阀的开度之间的关系[3-4]。常用的调节阀流量特性一般有线性，等百，快开，抛物线型等几种，如图1所示。

图1 调节阀的流量特性曲线

根据图1流量特性曲线，在线性流量流量特性曲线中，阀门的相对行程与通过阀门的相对流量成正比，即相同的阀门开度变化，大流量时流量相对值变化小，小流量时流量相对值变化大。在海洋石油领域，线性调节阀一般用于流量调节。

等百分比的流量特性特点是，阀门的相对行程与流量的变化不是正比关系，是对数关系，在不同的阀门开度下，阀门开度变化引起的流量变化是相同的。因此，小流量时流量相对值变化小，大流量时流量相对值变化大。在海洋石油领域，等百调节阀一般用于温度，压力等的调节。

快开流量特性的特点是，在小开度时，只要阀门行程有小的变化，流量变化范围就会很大，由于阀门增益过大，快开阀门一般用于开-关场合使用。

基于以上各种流量特性的特点，海洋石油工程项目中经常使用线性和等百两种流量特性阀门来调节相应的参数[5]。

2.6 调节阀的泄漏等级选择

通常工况下要求阀门泄漏等级为ANSI IV级，在一些关键性的用途上或常关的阀门可要求V级或VI级。

2.7 调节阀执行机构的选择

根据动力源不同，调节阀的执行机构可分为气动型，电动型，液动型。在实际工程项目中，以气动执行机构的使用为多。

气动执行机构有气动薄膜执行机构和气动活塞执行机构。

气动薄膜执行机构简单可靠，成本低廉，但输出力较小。为提高输出力，通常做法是增大尺寸，使得执行机构的尺寸和重量变得很大，因此，此类执行机构多用于尺寸较小，磅级较低的场合。

气缸活塞执行机构能充分气源压力来提高执行机构的输出力，减少重量和尺寸，适用于高压差、高静压和要求有大推力的应用场合。

3 针对具体工况的选型分析

在南海某深水天然气项目中，由于工艺流程压力高，流量大，压降要求紧张，调节比大，且存在规模年与配产之间的不协调，给调节阀选型带来极大挑战。下面针对这些典型工况具体分析，并给出选型建议。

3.1 HIPPS前压力调节阀选型分析

HIPPS是high integrity pressure protection system的简称，其作用在于：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。工艺流程在登平台海管上HIPPS设备前设置压力调节阀，保证HIPPS前压力的稳定性，尽量减少HIPPS设备的动作，以保证工艺流程平稳，安全地生产运行。如表1所示。

表1 HIPPS前调节阀工艺参数表

分析上述工况，管线口径为22”，经过咨询单座直通型调节阀厂家，没有22”的标准产品，最大只能选择20”单座直通调节阀；且经过计算，即使选用20”阀门，在满足最大流量的前提下，所需要的压损远大于允许最大压损。因此选用单座直通阀不可行。

结合全球型调节阀适用于大流量，低压降工况的特点，此处选用球型调节阀。经计算，选用16”的阀体，阀门开度在30%～75%之间。考虑含水天然气对阀门的腐蚀性，阀体，阀球，阀座，采用A182F51，阀杆采用高强度的inconel 718。

此处工况选用全球型调节阀，为中海油首次使用球形调节阀，解决了工艺流程上压降紧张的问题，且使用全球型调节阀，由于此类型调节阀流通能力大，减小了阀门尺寸，降低了投资。

3.2 断塞流捕集器液相出口液位调节阀选型分析

断塞流捕集器液相出口设置调节阀，以控制断塞流捕集器罐内液位。如表2所示。

表2 断塞流捕集器液相出口调节阀工艺参数表

分析上述工况，流量范围为41～8760m3/d，采用一个调节阀无法达到如此大的调节比，因此使用双阀调节，采用分程控制方案来解决此问题。

由仪表专业通过计算（计算依据为根据流量的上下限，在尽可能扩大这两个阀门调节范围的情况下通过计算确认出合理的分界点，此分界点以下的流量由小阀控制，总流量减去分界点的流量由大阀控制。），确认小阀尺寸为3”，流量调节范围为70～960 m3/d，大阀尺寸为8”，流量需调节范围为0～7800 m3/d，实际可调范围为300～7800 m3/d，调节阀的可调节流量下限为70 m3/d。流量分界点即为960m3/d。运用此方式进行流量调节，需要在总流量为70～960 m3/d的范围内用小阀进行调节，流量在960～8760 m3/d范围内保持小阀全开，再打开大阀进行调节。

采用分程控制方案，分程控制点的选择尤为重要。一般来说，使两个阀门的调节比近似的分程点为较优化方案。

3.3 凝析油外出泵出口调节阀选型分析

凝析油外输泵出口处压力很高，压降较大。如表3所示。

表3 凝析油外输泵出口调节阀工艺参数表

流体特性 洁净流体工作温度（℃） 40工作流量(Sm3/h)最小：0正常：0～42最大：140入口压力（k PaG）（对应最大，正常和最小流量）最小：12200正常：2430～7430最大：10730允许最大压损（k Pa）（对应最大，正常和最小流量）最小：5150正常：3680～5150最大：3680

此工况由于压降过大，因此采用多级套筒阀，阀芯的设计采用防气蚀型。介质没有腐蚀性，阀体采用铸造碳钢A216WCB；同时，由于该阀门磅级较高，对阀内件的材料硬度要求较高，虽然不是腐蚀工况，此处也选用硬度较高的duplexSS来应对如此高的入口压力。阀门的流量特性选用等百，密封等级为ANSI IV级。

通过以上分析，在上述几个典型工况中选取合适的调节阀，能够满足特殊工况下的压力流量调节，使阀门开度合适，工艺流程稳定，确保安全生产，保证控制质量，减少不必要的经济损失，对整个系统的稳定运行有着重要意义。

4 结束语

随着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多要求具有涵盖整个开发周期处理量的能力，这就意味着仪表阀门在选型过程中会遇到更为苛刻的工况条件，需要我们以更加严肃谨慎的态度对待调节阀的选型工作，使得调节阀的选型能够更好适应工况需求。□

[1] 陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].第三版.北京:化学工业出版社.2000:208,219-220,223-229.

[2] ISA. Instrument Engineers, Handbook. Fourth edition[M]. USA.2003:1050-1055.

[3] 美 J.W.哈奇森主编，林秋鸿等译.调节阀手册[M].第二版.北京:化学工业出版社. 1984:166-180, 267-268.

[4]《海洋石油工程设计指南》编委会.海洋石油工程电气,仪控,通信设计[M].北京:石油工业出版社.2007:375-377.

[5] 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：2008,5/139,53-54.