水击泄压系统失效分析及保护措施

中国石油工程建设有限公司华北分公司

输油管道一般采用密闭输送工艺，整个体系是一个统一的连续的水力系统，当某站场机泵出现非正常停运或者某阀门事故关闭时，都会造成水击，导致管道内不稳定流动[1]。为防止在水击工况下管道超压以及减轻管道运行参数的脉动，维持管道的平稳运行，最有效的防控手段是依靠管道的自动保护系统[2]。

输油管道水击保护措施主要由压力联锁保护、水击超前保护、水击泄压保护三部分组成。水击泄压保护作为管道安全运行中重要保障，是输油管道最后一道保护屏障[3]。国内某管道在投产过程中，泄压阀曾发生不正常开启导致泄压罐冒顶和超压损坏事件。因此，对输油管道水击泄压阀失效进行模拟，采取水击泄压系统安全保护措施，对管道的安全运行具有极其重要的意义。

1 水击泄压阀

水击泄压阀作为输油管道密闭输送工艺系统的关键设备，主要用于防止管道因压力波异常、水击导致设备超压损坏及管线破裂[4]。输油管道目前常用水击泄压阀主要有先导式水击泄压阀和氮气式水击泄压阀两类。原油管道一般选用氮气式泄压阀[5-7]，成品油管道一般选用先导式泄压阀[8-10]。

两种类型的水击泄压阀主要优缺点如表1 所示[11-12]。

2 泄压阀失效分析

根据水击泄压阀的工作原理可知，氮气式泄压阀故障主要原因有[13-15]：设备精度不够，阀门泄压点偏移，氮气损失快，阀开启后无法复位等；先导式水击泄压阀故障主要原因有[15-17]：压力管堵塞，主阀开启后无法复位，密封圈失效，先导阀失效等。

根据水击泄压阀故障原因，泄压阀失效主要表现形式包括：①运行压力未达到泄压阀设定值时泄放（正常运行过程中泄压阀失效开启）；②压力达到泄压阀设定值时，泄压阀无法开启；③正常泄放过程中泄压阀故障不回座。

国内某原油输油管道设计规模为500×104t/a，设计压力为8.0/6.3 MPa，全线共设置6 座站场。该管道在首站出站、中间站场的进站和出站、末站进站均设有氮气式水击泄压阀。

以该输油管道为例，对泄压阀失效进行分析。采用SPS（Stoner Pipeline Simulator）软件对泄压阀失效行为进行模拟。SPS 软件[18-20]能够实现输油管道的离线实时模拟计算，是世界公认的用于长距离输油（气）管道设计、计算以及全线自动化控制模拟的高精度软件。

2.1 运行压力未达到泄压设定值时泄放的模拟分析

主要对夏季设计输量500×104t/a 工况时泄压阀失效后的事故状态进行分析。

以3#站为例（3#站为热泵站），进、出站均设有氮气式水击泄压阀，泄压罐容积为200 m3。当运行压力未达到3#站出站泄压阀设定值时泄放分析见图1、图2。

正常运行过程中，当3#站出站压力未达到泄压阀设定值时而发生泄放，3#站至末站管段停输。3#站出站泄压阀瞬间最大通过流量可达2 060 m3/h，随着压力的泄放，管道内压力波动趋于平稳，通过流量逐渐减小，稳定后通过泄压阀流量为失效前管道输量；约9 min 后通过泄压阀流量达到200 m3，时间较短，易造成冒罐事故。各站泄压阀失效后主要信息见表2。

图1 3#站出站泄压阀失效后瞬时流量Fig.1 Instantaneous flow after failure of outlet pressure relief valve in No.3 Station

图2 3#站出站泄压阀失效后累计通过流量Fig.2 Cumulative throughflow after failure of outlet pressure relief valve in No.3 Station

由表2可知，各站泄压阀失效时，通过泄压阀瞬间流量大，泄压罐液位上升速率较快，能在较短时间内发生冒顶，存在安全隐患。

2.2 达到开启压力后泄压阀无法开启的分析

当压力达到泄压阀设定值泄压阀无法开启时，会造成管道、设备超压，严重时会造成管道大范围超压破裂，引起管道介质泄漏，存在极大的安全隐患。

表2 各站泄压阀失效信息Tab.2 Failure information of pressure relief valve in each station

2.3 正常泄放过程中泄压阀故障不回座的分析

正常泄放过程中泄压阀泄压出现故障不回座时，此时对应的最大瞬时泄放流量与管道事故处理后的实际输量相近（管道事故处理后的实际输量小于或等于管道事故前的运行输量），泄压阀通过流量大于正常泄放过程通过流量，如果处理不及时，也可能造成冒罐事故，存在安全隐患。

3 水击泄压系统完善措施

通过上述分析可知，当泄压阀失效时，会引发泄压罐短时间内发生冒顶或管道、设备的超压，安全隐患较大，必须对泄压系统采取更加完善的安全保护措施。

3.1 泄压系统的完善

（1）增设泄压罐液位上升报警速率和液位超高联锁保护程序。除首站外，该管道其余各站场均设置有泄压罐，本次增设泄压罐液位上升速率报警程序。当泄压罐液位上升速率低于设定值时，液位计报警；当泄压罐液位上升速率高于该设定值时，液位计报警并联锁关闭泄压阀前的电动阀门，执行“全线顺序停输控制程序-某站事故”。

同时，泄压罐增设储罐高液位联锁值程序。当液位达到高液位联锁值时报警，同时流量开关、液位计二者之一或者二者全部报警，联锁关闭泄压阀前电动阀门，调度根据判断确定后续停输程序。

（2）增设运行压力未达到泄压设定值时泄压阀失效联锁保护程序。当运行压力未达到泄压设定值泄放时，泄压罐液位上升速率报警或流量开关产生流量报警，且持续10 s，则自动关闭泄压阀上游电动阀门，触发该程序后，执行“全线顺序停输控制程序-某站事故”。

（3）增设达到泄压设定值时泄压阀无法开启联锁保护程序。当运行压力达到泄压设定值时，泄压罐液位无上升速率或流量开关无流量，且持续10 s，则自动关闭泄压阀上游电动阀门，触发该程序后，执行“全线顺序停输控制程序-某站事故。”

（4）增设正常泄压时泄压阀故障不回座的联锁保护程序。若某站场发生泄压，泄压阀开启后不回座保持泄放时（以泄压阀前新增压力变送器示数低于泄压阀回座值为判断依据），泄压罐液位上升速率报警或流量开关产生流量报警，且持续10s，则自动关闭泄压阀上游电动阀门，经人工确认触发“全线顺序停输控制程序-XX站事故”。

3.2 泄压阀失效泄压联锁保护程序模拟试验

对3#站出站泄压阀失效泄压联锁保护程序进行模拟试验，当达到泄压阀失效条件时，延时10 s关闭泄压阀前电动阀门（阀门关闭行程取90 s），执行“全线顺序停输控制程序-某站事故”（图3、图4、图5）。

图3 3#站出站泄压阀上游电动球阀阀前压力变化曲线Fig.3 Pressure change curve in front of electric ball valve at the upstream of the outlet relief valve in No.3 Station

图4 3#站出站泄压阀采取连锁保护程序后瞬时流量Fig.4 Instantaneous flow after taking failure interlock protection procedure of outlet pressure relief valve in No.3 Station

图5 3#站出站泄压阀采取连锁保护程序后累计通过流量Fig.5 Cumulative throughflow after taking failure interlock protection procedure of outlet pressure relief valve in No.3 Station

采取泄压阀失效泄压联锁保护程序后，全线无超压点，3#站出站泄压阀上游电动阀门阀前压力约为5.4 MPa，未超过设计值（8.0 MPa），泄压阀泄放量为42.5 m3，累计泄放时间约为1.67 min。

模拟管道各站泄压阀失效后采用失效联锁保护程序后各站泄放信息见表3。

表3 采取泄压阀失效连锁保护程序后各站泄压阀泄放信息Tab.3 Information of pressure relief valve in each station after taking failure interlock protection procedure

由表3可知，当泄压阀失效时，采用泄压阀失效联锁保护程序，泄压阀通过流量控制可在20～50 m3，能够有效避免冒罐事故的发生，保障管道运行安全。

4 结论及建议

（1）通过SPS软件对泄压阀失效模拟可知，当泄压阀失效时，泄压阀瞬间通过流量大，易引发泄压罐冒顶。通过增设液位上升速率报警及联锁保护程序、泄压阀失效联锁保护程序、泄压阀故障不回座的联锁保护程序等安全保护措施，能够降低泄压阀失效带来的危害，提高输油管道水击泄压系统的安全等级，降低安全风险，保障管道安全运行。

（2）从泄压系统失效原因可看出泄压阀结构存在缺陷，设备制造商应优化设备结构、增强设备制造水平，提高设备的可靠性，减少设备失效概率，为管道安全生产保驾护航。