基于泄压阀失效的泄压系统分析与优化

郭 靖 潘 毅 蔡 磊 公茂柱 袁 倩 隽文龙

（中国石油工程建设有限公司华北分公司）

长输液体管道设有水击超前保护、紧急停车保护及泄压保护等管道安全保护系统［1，2］。管道首站出站、中间泵站的进/出站和末站的进站均设有泄压系统，当出现首站输油泵骤停或阀门关断引发管道水击时， 首先启动水击超前保护程序，在该保护措施下一般不会出现管道超压的情况，但当水击超前保护失效后，泄压系统将成为管道最后一道安保 “防线”——通过泄压阀对超压管道进行压力泄放，保证管道安全［3］。 因此，泄压系统对于管道安全运行、事故防护等至关重要。

输油管道泄压保护系统中的关键元件为泄压阀，泄压阀主要有先导式［4］和氮气式［5～7］两种类型。 对于原油等含有杂质、高黏度的油品，常采用氮气式泄压阀；对于成品油等纯净、低黏度的油品，常采用先导式泄压阀。 氮气式泄压阀启闭压力来自于独立的氮气源，不易受管道内液体杂质影响，做好定期的检查和维护即可；先导式泄压阀是一种自力式泄压阀，易受外部环境和自身构造的影响［8］。因此，氮气式泄压阀的失效率一般要低于先导式泄压阀。

目前国内有多条成品油管道均出现先导式泄压阀（以下简称泄压阀）失效。 对此，笔者从泄压阀阀体结构、工作原理等方面分析导致故障或失效的可能因素，并对失效工况进行模拟，辨识泄压阀失效后管道存在的风险，同时对常规泄压系统进行优化， 提出泄压阀失效逻辑保护程序，并验证保护程序的可靠性。

1 泄压阀工作原理及故障类型

1.1 泄压阀工作原理

先导式泄压阀泄压响应时间短，阀门压力设定精度高（精度值不大于±1%），结构简单，维护方便，在成品油长输管道上被广泛应用。 先导式泄压阀（图1）主要由主阀、导阀、复位弹簧、引压管及过滤器等组成。

如图1a所示， 当泄压阀上游压力pu大于导阀设定压力ps时， 导阀活塞在介质压力pu推动下克服弹簧推力处于中室后端将中室与前室隔断，中室与后室连通的情况，此时中室压力等于后室压力，即p2=p3，阀芯在上游介质压力作用下克服弹簧推力流道打开，阀腔内介质受阀芯挤压后通过中室油管→中室→后室，再经后室油管流至主阀下游，管道超压介质通过流道泄放至下游管道。

图1 先导式泄压阀结构示意图

如图1b所示，管道超压介质经泄放后上游管道压力pu降低，当pu＜ps时，导阀活塞在弹簧力推动下处于中室后端将后室和中室隔断，中室和前室连通的情况，此时中室压力等于后室压力，即p2=p3，介质通过前室油管→前室→中室，再经中室油管流至主阀阀腔，并在弹簧共同作用下推动阀芯流道闭合。

1.2 泄压阀故障

先导式泄压阀通过引压管/油管和弹簧的压差控制阀门的开启/关闭，因其独特的结构，引压管和油管的直径往往较小，只适合输送成品油等纯净、低黏度的介质。 但在工程实际应用过程中，先导式泄压阀时常出现泄压阀内漏、管道超压阀门不开启、管道不超压阀门开启及阀门泄压后不回座等故障。

1.2.1 泄压阀内漏

泄压阀内漏主要是由于复位弹簧损坏、密封件损坏或接触面附着杂质，从而导致泄压阀小流量范围的泄漏［9］。在正常工况下，阀芯在阀腔压力和复位弹簧共同作用下保持阀芯锥头与前端O形密封圈严密贴合。 当阀门前端连接管道超压时，在压力推动下阀芯向后端移动，阀门打开，泄压后阀芯在弹簧作用下再次与O形密封圈严密贴合。 在整个阀门启闭过程中，复位弹簧和密封圈起到十分关键的作用，但复位弹簧和密封圈由于老化、腐蚀、疲劳及断裂［10，11］等因素导致功能减弱或失效，造成阀门泄漏，甚至发生阀门不超压开启的故障。

1.2.2 管道超压阀门不开启

上游管道压力大于导阀压力设定值是先导式泄压阀开启的必要条件，引压管提供滑阀动作的动力， 中室油管提供阀芯动作的主要动力，通常引压管与前/中/后室连接油管的管径都比较小，介质中的杂质很容易堵塞油管。 当引压管堵塞或破裂时，若管道发生水击超压，活塞失去动作动力，其连接滑阀不能相应移动，此时pi=p2=p1＜pu，阀芯无法动作开启；当后室油管堵塞时，管道超压，活塞和滑阀动作，后室和中室连通，阀腔介质无法通过后室排入阀后，在阀腔压力下阀芯无法完成开启。

1.2.3 管道不超压阀门开启

前室油管/过滤器堵塞或结冰［12］时，若管道未超压，前室和中室失压，即pi=p2=p1＜pu，阀芯在介质推动下开启。 同理，中室油管堵塞时，阀腔失压，即pi＜p2=p1=pu，阀芯在介质推动下开启，泄放出管道介质。

1.2.4 阀门泄压后不回座

上游管道压力小于导阀压力设定值是先导式泄压阀关闭的必要条件。 泄压后引压管堵塞时，活塞无法在弹簧推动下复位，中室和后室始终保持连通，中室失压，阀芯无法动作闭合。 泄压后，前室油管/过滤器堵塞或结冰时，前室失压，前室与中室连通，即pi=p2=p1＜pu，导致阀芯在介质推动下无法回座。

泄压阀作为长输油管道最后一道保护措施，其可靠有效非常关键，失效将会严重影响管道本质安全。 当管道超压阀门不开启时，管道超压介质无法通过设置的泄压阀泄放，导致管道和设备损坏，甚至爆管泄漏。

2 泄压阀失效工况分析

某管道（规格为φ355.6 mm×6.4 mm）线路总长115 km，管道沿线纵断面和稳态水力坡降如图2所示，设计压力8.0 MPa，设计流量480 m3/h，输送介质为柴油（密度840 kg/m3，黏度4.5 mm2/s）。管道全线设有首/末站两座站场，其输油泵和泄压装置的工作参数分别见表1、2。

图2 管道稳态水力坡降图

表1 输油泵工作参数

表2 首/末站泄压装置工作参数

假定泄压阀失效后，站场正常运行，管道未设置水击超前保护， 以该管道首站泄压阀为例，采用SPS软件对不超压阀门开启 （无阻力泄放工况）和阀门泄压后不回座两种失效工况进行动态仿真模拟，分析对管道产生的影响。

为便于模拟泄压阀无阻力泄放工况，对模拟过程进行近似处理：对于泄压阀前室油管或过滤器堵塞、结冰等故障引起泄压阀阀腔失压，导致泄压阀无阻力泄放的工况，等效认为泄压阀设定值ps远远小于开启压力，近似取值0.1 MPa，即ps=pd=pi=0.1 MPa＜pu，此时泄压阀在管道正常运行时完全开启，泄压阀失效。 当泄压阀开启后不回座，认为泄压阀正常泄放后突然出现的故障导致主阀阀腔失压，近似取值0.1 MPa，即ps=pd=pi=0.1 MPa＜pu，此时泄压阀正常泄放后，泄压阀不回座，泄压阀失效。 这两种失效工况时，管线运行状况如图3所示。

图3 两种失效工况下泄压管线的泄放流量和累计泄放量

对于无阻力泄放工况，当首站出站泄压阀失效后， 在首站输油泵和管线回压共同作用下，最大瞬时泄放流量达到2 400 m3/h， 对应泄压管线流速为19.7 m/s， 由于线路管道的回流作用逐渐减弱，泄放流量逐渐降低，约2.0 min后稳定在1 230 m3/h，此时泄压管线流速为10.1 m/s；约9.8 min时，管线的累计泄放量达200 m3，18.0 min时达到370 m3。

对于泄压不回座工况， 当监控阀室事故关断，3.0 min后产生负压波向上游传播， 首站至阀室管段压力升高，在4.1 min时达到首站出站泄压阀设定值（ps=0.78 MPa），此时泄压阀开启，管线开始泄放。 由于泄压阀故障失效，当管线泄压后阀门阀芯不会回座，管线持续泄压。 在整个工况中，泄压管线最大瞬时泄放流量达1 810 m3/h，对应泄压管线流速为14.8 m/s， 与前一工况相同的原因，约8.0 min后稳定至1 140 m3/h，此时泄压管线流速为9.3 m/s；约14.0 min时，管线的累计泄放量达200 m3，18.0 min时达到275 m3。

GB 13348—2009《液体石油产品静电安全规程》规定：对于电导率低于50 pS/m的油品，在注入口未浸没前，初始流速不应大于1 m/s，当注入口浸没200 mm后，可逐步提高流速，但最大流速不应大于7 m/s。 在泄压阀失效出现无阻力泄放时，泄放管线流速过高，易产生、积聚静电等引起火灾甚至爆炸的风险［13］。 因此，在泄压阀失效后泄压管线易出现流速过高的情况，不仅存在安全隐患，也存在泄压罐冒罐的风险。

如图4所示， 泄压阀失效后最大瞬时压力出现在泄压管线的入口处。 对于无阻力泄放工况，泄压管线最大压力达4.45 MPa， 其中在0～160 m管段受到瞬时压力高于管道最大允许操作压力即最大允许水击压力MASP（其值为2.20 MPa），在160～300 m管段最大压力均小于MASP；对于泄压后不回座工况，泄压管线最大压力达到4.72 MPa，其中在0～170 m管段受到瞬时压力高于MASP，在170～300 m管段最大压力均小于MASP。 因此，泄压阀失效后， 泄压管线0～170 m管段为压力薄弱区域。 经核算，壁厚为5.6 mm的泄压管线实际可承受最大压力为7.00 MPa， 因而当泄放流量稳定后，泄压管线压力降至MASP以下，不会发生超压破裂等事故。

图4 泄压管线压力分布

综上所述，泄压阀失效后，虽然泄压管线不会发生超压破裂事故，但存在泄放流速过高引起火灾甚至爆炸的隐患和泄压罐冒罐的风险，因此有必要对泄压系统进行优化改造。

3 泄压系统优化

管线泄压系统流程通常较为简单， 基本为“阀门+泄压阀+阀门”模式，泄压阀上/下游设置阀门，便于运行过程中泄压阀拆除维修［14］。 常规泄压系统自控流程如图5所示。

图5 常规泄压系统自控流程示意图

正常工况下，泄压阀上/下游阀门处于常开状态，泄压阀处于常闭状态，上游压力表PI显示干线管道压力，泄压阀下游管线无介质流动，流量开关FS无异常信号。 当干线管道超压需要泄压时，泄压阀开启，下游介质流通，流量开关将信号传输至控制室并发出报警。 在流量开关报警时，无法通过常规泄压流程判断泄压阀处于正常泄压工况还是失效工况， 同时当泄压阀失效时，无法诊断泄压阀处于无阻力泄放还是泄压不回座的故障。 针对以上问题提出泄压系统的优化方案：

a. 泄压阀上游阀门更换为电动球阀，电动球阀执行机构安全等级具备SIL2级，配备UPS供电，同时纳入全线水击保护程序；

b. 就地压力表更换为压力变送器，采用二取一的表决结构［15］，安全等级具备SIL2级；

c. 流量开关和泄压罐液位计的安全等级具备SIL2级；

d. 将上述信号统一纳入到管道SIS系统，同时增加泄压阀失效保护程序。

如图6所示，将泄压阀上游电动阀、压力变送器、流量开关和泄压罐液位计进行联锁。 泄压阀失效保护的诊断逻辑为：

a. 当泄压阀上游压力变送器判别值小于泄压阀的设定值，同时泄压罐液位计报警或流量开关报警持续10 s时，关闭泄压阀上游电动阀门，同时执行全线停输程序， 诊断为 “无阻力泄放故障”；

b. 当泄压阀上游压力变送器判别值不小于泄压阀的设定值，泄压罐液位计报警或流量开关报警时，管道正常泄压，触发泄压保护程序，在该程序触发状态下，当泄压阀上游压力变送器判别值小于泄压阀的设定值，且泄压罐液位计报警或流量开关报警持续10 s时， 关闭泄压阀上游电动阀门，同时执行全线停输程序，诊断为“泄压不回座故障”。

另外，为防止管道流量波动引起泄压阀失效保护程序误触发，压力变送器判别值应比泄压阀的设定值略低0.3～0.5 MPa，但要高于正常输送管线的压力值。 当诊断逻辑满足条件a或b时，辨识为泄压阀失效，触发泄压阀失效保护程序，同时执行水击超前保护程序，管道全线停输。 因此，泄压阀失效保护程序可靠有效。

4 结论

4.1 常规的泄压系统通常没有保护措施，当泄压阀失效后，泄压管线在输油泵和干线管道的回压作用下流速较高，易出现火灾爆炸的风险、泄压罐冒罐的风险等安全隐患。

4.2 优化后的泄压系统在泄压阀失效时，可及时切断泄压管线阀门， 同时触发全线停输程序，并诊断出泄压阀具体的失效工况，便于事故排查及维检修。

4.3 泄压阀失效保护程序可在泄压阀失效时有效保护管道和站场安全，可靠性高，对于长输管道泄压阀防失效设计和失效隐患治理具有指导和借鉴意义。

4.4 水击泄压阀作为长输管道的最后一道保护措施， 其完整有效有利于降低管道运维事故风险；泄压阀应作为管道/站场日常巡检和维检修的重点设备，定期通过人工打压检查泄压阀是否正常，定期通过阀门和过滤器排污阀排除阀体和油管的杂质，防止堵塞或结冰。