可调式燃气管线自动防喷安全阀设计.pdf

2 0 1 0 年 第 3 9卷 第 2期 第 7 9页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I EL D EQUI PME NT 文 章 编 号 1 001 _ 3 4 8 2 2 O 1 0 0 2 00 7 9 0 4 可调式燃气管线 自动防喷安全阀设计 王 志 云 山东省东 营职业学 院 工业工程系 ， 山东 东营 2 5 7 0 9 1 摘 要 针 对 高压输 气管 线 易发 生喷 漏事 故 的 问题 ， 研 究设 计 了一种 可调 式 燃 气 管线 自动 防喷 安 全 阀 。将 该 阀安装在 高压 输 气管路 中 ， 正 常生产 时不起 作 用 ； 无论 何种 原 因造 成 管路 内气流量 大 于限 定流量 例如管线爆裂、 闸阀失控等 时， 该 阀均能立即 自动关闭， 截断气源， 制止事故的扩 大和蔓 延 ， 并 能在修好 管路 后 ， 自动打 开 ， 恢 复 生产 。为适应 实际生产 的不 同流量要 求 ， 该 阀设 计 了限定流 量 调节机 构 ， 可 以方便 地 无级调 节 限定流 量 。 关键 词 燃 气管线 ； 自动 防喷 ； 调 节机 构 中图分类号 T E 9 2 7 ． 7 文献标 识码 A Ad j u s t a b l e Au t o ma t i c Ga s Pi p e l i n e BOP Va l v e De s i g n W ANG Zh i y u n Do n gy i n g Vo c a t i o n a l C o l l e g e o f S h a n d o n g ， Do n g y i n g 2 5 7 0 9 1 ， C h i n a Ab s t r a c t F o r h i g h p r e s s u r e g a s l i n e l e a k j e t a c c i d e n t p r o n e i s s u e s ，r e s e a r c h a n d d e s i g n o f a g a s p i p e l i n e a u t o ma t i c a l l y a d j u s t a b l e v a l v e BOP we r e ma d e ．Th e v a l v e wa s i n s t a l l e d i n t h e h i g h p r e s s u r e g a s pi pe l i ne r o u t e s，t he no r ma l pr o du c t i o n d oe s n o t wo r k；wha t e v e r c a u s e s ga s pi pe l i ne m o r e t h a n l i mi t t h e t r a f f i c f l o w s u c h a s a l a r g e n u mb e r o f p i p e l i n e b u r s t ，o u t o f c o n t r o l v a l v e ，e t c ． ， t he v a l ve c a n a u t o m a t i c a l l y s hut d own，c u t o f f g a s t o s t op t he e x pa ns i on a n d s pr e a d o f t h e i nc i de nt a nd a f t e r t he l i ne f i xe d，a u t o ma t i c o pe n，t o r e s u m e p r o du c t i on ． I n o r de r t o m e e t t he pr o d uc t i on r e q u i r e me nt s o f di f f e r e nt f l o ws t he v a l v e wa s d e s i gn e d t o l i mi t t he f l ow r e g ul a t i ng a ge nc i e s ， a n d c a n e a s i l y l i mi t f r e e a d j u s t me n t ． Ke y wo r d s g a s p i p e l i ne； a ut o BOP； r e gul a t i ng a ge nc i e s 天然气是 清 洁能 源 ， 更 是 极 为重 要 的廉 价化 工 原料 ， 越来越 受到人 们 的重视 ， 因此 ， 在世 界各油 田 ， 天然气 的开发 比重越 来越 大 。随着对 天然 气开发 规 模 的扩大 ， 天 然气 的安全输 送 问题越 来越 显得重 要 ， 因为 高压燃气 一 旦失 控 ， 其 后 果 就 不堪 设 想 。 由于 输气管线的腐蚀、 老化和破坏等原因， 使高压燃气管 线 的泄漏 事故不 可能 完全 避免 。随着 安全生 产意 识 的加 强 ， 尤 其是 在海洋 油气 开采 中 ， 油气 输送 设备 中 的安全装置越来越受到人们 的高度重视。为此 ， 有 必要设计一种燃气管线 自动防喷安全 阀， 将它安装 在 高压 输气 管线 中 ， 正 常 生产 时 ， 不 影 响 生产 ； 如果 安 全 阀以后 输气 管线 内气 流量 突 然 增 大 如 管线 爆 裂 、 闸阀失控 等 时 ， 该 阀能 立 即 自动 关 闭 ， 截 断 气 源 ， 制 止事 故 的扩 大 和蔓 延 ， 最大 限度地减 小事 故损 失 ， 给管线设备的修复留有足够的时间和可能 ， 并能 在 修好 管 路 后 ， 自动打 开 ， 恢 复生 产 。调 查 中 ， 设 计 该种安全阀受到普遍支持 。以前曾设计过一种气井 安全 装置 ] ，也 曾研 制成 功 了一种 燃 气管 线 自动 安 全 阀 ] ，虽然该 燃气 管线 自动 安全 阀能够 满 足 以上 工作要求 ， 但其限定流量调节分级， 不能进行无级调 收稿 日期 2 0 0 9 0 8 0 1 作者简介 王志云 1 9 6 4 一 ， 女 ， 山东青州人 ， 副教授 ， 主 要从事 石油矿 场机 械 的教 学和科 研工作 ， E ma i l z h i y u n wa n g 0 2 1 2 6． c o rn 。 孑 彳油 矿 场 机 械 节 ， 且调节 时必须 全部拆 卸 ， 用 更换 弹簧 的方 法调 节 限定 流量 。在实 际生产 中 ， 对 流量 的要 求变 化很大 ， 要求 随时 调节 限定 产 量 。为此 ， 研 制 了一种 可 调式 燃气 管线 自动安全 阀， 在 满足 以上要求 的 同时 ， 还可 以随时凋 节限定流 量 。 1 结构设计 经过 分析 对 比和 反 复论 证 ， 确定 本 设计 的结构 方案如图 1 。阀体外部具有入 口法兰 左 和出口法 兰 下 ， 便 于与输气 管线连 接 ； 内部具有 主阀腔 和调 l节阀腔 ， 腔 内分别装 有主 阀部分 和调节部 分 。 主阀部分 主要 由主 阀芯 、 阀座 、 阀 芷 弹簧 组 成 ， 安装在 阀体 和丝堵 形 成 的 主阀 腔 内 ； 主 阀 下 端 为 倒锥体 ， 段 和 中段 均为 圆柱体 ， 』 二 段横截 面积 大于 下段锥体 的有效横截面积 ， ．且与阀体之间为较大的 间隙配合 ； 阀芯弹簧装在主阀 和丝堵之间， 其作用 是为主 阀芯下行 复位 克服摩 擦力 。 A 主气 流 一 挎 制 气 流 A～ 节 流 门 1 _阔体 ； 2主阀芯 ； 3 阂鹰 ； 4阀芯 弹簧 ； 5调节阀芯 ； 6～ 导杆 ； 7压帽 ； 8 一捌节弹簧 ； 9 一 密封环 ； 1 0 调节杆 ； 1 1 高压组合桁封 ； 1 2 密封压帽 ； 1 3 ～ 形密封罔 ； 1 4丝堵 ； 1 5减 螺钉 图 1 口 调试燃气管线 自动防喷安全 阀结构 涮 节部分 主要 由调节 阀芯 、 导 杆 、 压 帽 、 调 节 弹 簧、 调节杆、 高压组合密封组成 ， 安装在 由阀体和密 封压帽形成的调节阀腔内； 调节阀芯下部为锥体 ， 上 部有内螺纹， 与导杆螺纹连接； 导杆装在调节杆的孔 内， 上端有台肩 ， 由调节弹簧支承在压帽上； 压帽与 调节杆螺纹连接 ， 限定了调节弹簧的工作位置； 调节 杆下部为筒体， 中部台肩为螺纹 ， 与阀体螺纹连接 ， 上部 为光滑 圆柱 体 ， 与高 压组合 密封形 成 密封 ， 上 端 为正方 柱 ， 以便使 用扳手 进行调 节 ； 密 封压 帽与 阀体 螺纹 连接 ， 以便压 紧高压 组合密 封 。 减压螺钉 的作用是在特殊情况下给阀内泄压。 2 工作原理 将 该安 全 阀安 装 在输 气 管线 的 闸板 阀之 后 ， 转 动调节杆至要求 的限定流量位置。当打开闸板阀 时 ， 主气 流从安 全 阀人 L _l 进 入 主 阀腔 ， 如 图 1 。部 分 气 流 即控 制气 流 便 通过 主阀芯上 段与 阀体问 的配 合 间 隙进 入调 节 阀腔 ， 流过调 节 阀芯下 的节流 口 ， 进 人 安全 阀出 口 。设 入 口压力 为 P ， 主 阀芯上 端 压力 为 P 。 ， 出 口压 力为 P 。 。 正常工 作 时 ， 节 流 口 A 上 的 压 力 降很 小 ， 主 阀 芯 的上下 端 压 力几 乎 相等 ， 即 P ≈ P 。 ， 但 由于 主 阀 芯 上 端 截 面 积 大 于 下 端 截 商 积 ， 主 阀 芯 在 压 差 A p 一P 一P 。 的 作 用 下 ， 克 服 阀 芯 弹 簧 力 和 自身 重 力 向上开肩 并保持 在 一 定 的高 度 ， 使 主气 流 通过 主 阀芯 与阀座 间 的环 形空 间 ， 排 往 管 线 。由于 形 成主 气流和控制气流的压差相同， 所 以主气流和控制气 流的 流量大 小成正 比关 系 。 当安 全 阀后 的输 气 管线 发 生泄 漏 时 ， 安 全 阀 出 口压力 P 。 下 降 ； 由于 主 阀 芒 上 下端 连 通 ， 出 口压 力 P 的下降对主阀芯的工作状态影响不大 ， 但对调节 阀芯影 响显 著 ， 因为通 过 安 全 阀主 阀 腔 内的 主气 流 很 快增 加的 同时 ， 调 节 阀腔 内 的控 制气 流 也很 快 增 加 ， 节 流 口 A 的节 流损 失 增 大 ， 调节 阀芯 的上 下 压 差 增大 ， 在这 个 压 差 力 的作 用 下 ， 调 节 阀 芯 拉 动 导 杆 ， 克服 调节 弹簧 的弹 力 ， 下行 关 闭 节流 口 A， 截 断 控 制气 流 ， 从 而使 P 升 高 到 P ， 此 时 主 阀芯 在 P 的作用下 ， 下行关闭全部气路 。 管路 修 复后 ， 如果 安 全 阀出 口压 力恢 复 到正 常 回压 ， 调 节阀芯 在调 节弹簧 的弹力作 用下 自动打 开 ， 恢 复正常 生产 。特 殊情 况 下 ， 如 果 出 口管线 中 回压 太低 ， 或者 入 口管线 中压力太 高 ， 调节 阀芯 不能打开 时， 应先关闭安全 阀前 的闸板 阀， 然后旋 开减压螺 钉 ， 卸掉阀内压力； 调节阀芯打开后旋紧减压螺钉 ， 缓慢 打开 闸板 阀 ， 可恢 复生产 。 3 限定流量的调 节原理 由以上工作原理知 ， 能使调节阀芯下行 、 关闭节 流 口 A 的动 力是 调节 阀芯 的上下 压差 ； 而 这个 压差 是由控制气流通过节流 口 A时所受 的阻力形成 的， 其大小取决于节流 口 A的过流面积和流量， 过流面 积一定 时 ， 形 成关 闭压差所 需要 的流 量也一定 ； 过流 面积增 大 ， 形 成关 闭压差 所需要 的流量 也增大 ， 反之 第 3 9卷第 2 期 王志云 可调式燃气管线 自动 防喷安全 阀设计 则 减小 ； 而该过 流 面积 的大 小取 决 于 调 节 阀芯 与 锥 孔 缝 隙的大小 ； 由于控制 气流与 主气 流成 比例 ， 所 以 调节该 阀限定 流量 的关键 是调节 调节 阀芯 与锥孔 的 缝 隙大 小 ； 所 以旋 出或 旋 进 调节 杆 就 可 以使 该 阀的 限定 流量 变大或 变小 。 调节 阀芯 的某一相 对高 度下 的限定 流量 的计算 很 繁琐 ， 且 很不 准确 ， 因此本 文不作 叙述 。本设 计 的 各种 相对 高度下 的 限定 流量 是在结 构一 定 的条件下 由试 验得 出的 。 4主要设计参数 所 设计安 全 阀必须满 足实 际生产 需要 的输气 量 要求 ， 以保证 正常生 产 时不会关 井 ； 同时满 足实 际工 作 压力 和环境 温度 的要求 。据 我 国天 然气 生产 的实 际， 确定 本设 计 的主要 参 数为 最 大允 许 输气 量 Q 一4 1 0 m。 ／ h ； 最 大 工 作 压 力 P 一 7 0 MP a ； 安全 阀的最高工 作温 度为 7 0℃ 。 5 主要零件的设计 5 ． 1 阀体 阀体是 最 主要 的基础零件 ， 考 虑到 耐腐蚀要 求 ， 选用 材料 为 0 C r l 7 Ni 4 C u 4 Nb精 铸 成 型 ， 固溶 处 理 铸件退 火后 ， 1 0 2 0 ～ 1 0 6 0 d C快 冷， 4 8 0时效， HB S 3 7 5 ～3 9 0 。进 出 口法 兰 均 采 用 7 O MP a标 准 6 B X型 整体 发 兰 S Y／ T 5 1 2 7 2 O 0 2 ； 主 阀腔 和 调 节 阀腔 内各段 均提 出相 应 的 同轴 度 要求 ， 加 工 精 度 为 7 级 。阀体 危险截 面 的强度计 算如 下 安全 阀体只有在关闭状态时 内部产生最大压 力 ， 该压力 为气 源 的最 大压 力 。本 设 计 确定 气 源 压 力 P 一7 0 MP a 。 由结 构 确 定 ， 危 险 截 面 的外 径 D。 一1 2 0 mm， 内 径 D 一 7 5 mm， 径 比 K D。 ／ D 一 1 2 0 ／ 7 5 1 ． 6 ， 可确定 为一厚 壁筒压 力 容器 。安 全 阀 体材料为耐腐蚀不锈钢 0 C r l 7 Ni 4 C u 4 Nb ，其 一 9 3 0 M Pa。 由厚壁 筒 中径 公式 ] ， 其周 向应 力为 一 等 X 7 0 1 5 2 M PP a 。 一 丽z 一 『 _ 二 安 全系数 一 一而9 3 0 6 ．1 ， 安 全 。 D 上J 5 ． 2主阀芯 与 阀座 主阀芯 下 端设 计 为 锥形 结 构 ， 以便 与 阀 座形 成 锥 面密封 ； 上端设 计 为柱 面结构 ， 用于 阀芯导 向并形 成缝隙节流。对锥面密封的主要要求是关闭后形成 可靠 的密 封 。在 正 常 工作 时 ， 主 阀芯 与 阀座 间有 高 速 气流通 过 ， 气 流 中可能含 有地 层砂 ， 有可 能对 主阀 芯与阀座产生冲蚀使密封性下降。为此主阀芯的下 锥体和阀座均选用高强度、 耐腐蚀 的纳米金属陶瓷 材料 ， 两者 为 3 0 。 锥 面结 合 。 成 对 研 磨 形 成 密 封 面 。 该种结构 自封性好 ， 承压能力高 ， 使用寿命长。为了 节省 贵重 的纳米 陶瓷材 料 ， 主 阀芯 由 2 件 组合 而成 ， 上 主体 部分 选用 耐腐 蚀 不 锈 钢材 料 ， 而 且 作 成 空心 结 构 ， 以减小 阀芯 的惯性 力 的影 响 。 5 ． 3 调节 机构 为 了获得较高的调节灵敏度， 在整个控制气流 的流道 中 ， 锥形 调节 阀芯 与 其对 应 的孔 座形 成 的节 流缝 隙是 最小 的。在 正 常生 产 时 缝 隙 中流 量 很小 ， 流 速不大 ， 冲蚀 作用 不强 ， 因而选 用与 阀体相 同 的材 料就可以满足寿命要求。调节弹簧的作用是控制调 节 阀芯在 正常 生产 时 不关 闭 ， 而 在 输 出管 线 发 生 泄 漏事故 ， 出口压力 p 。 降低到一定数值时关闭。为了 提高 调节 的灵敏度 ， 调 节弹 簧 的刚度选 用较小值 ， 本 设计 刚度选 为 6 N／ mm。 6 安 全 阀 限定流量和标准体积流量换算 安全阀 的体 积流量 是 以标 准状 态 标准 气压 0 ． 1 0 1 MP a 、 标准温度 2 7 3 ． 1 5 K 下的体积流量给出 的 ， 称为 标准体 积 流 量 。安 全 阀所 给 出的 限定 流 量 是 在标 准 状 态 下 测 定 的 。若 安 全 阀 的 限定 流 量 为 q ， 安 全 阀 的 实 际 出 口压 力 为 P， 气 体 绝 对 温 度 为 T， 在 忽略气 体含 液量 和气体 粘 度变 化 的条 件 下 ， 有 状态 方程 一之 T T 式 中 ， q 。 、 q 为分别 为标 准体积 流量 和安全 阀 的限定 流量 ， m。 ／ h ； P 。 、 P分别 为 标准 气 压 和安 全 阀的实 际 出 口压 力 ， MP a ； T 。 、 T为分 别 为 气体 的标 准绝 对 温 度和 实际工 作温 度 ， K。 由状态 方程 可 以得 安全 阀实 际限定 的标准 体积 流量 q 。为 q 。 一 q 等 1 代人参数得 -- 2 7 0 4 q 了 Pq o q 2 一q v 丽 v 了 z J 反之 ， 若 已知需要安全 阀实际限定的标准体积 流量 q 。 ， 可 以得 出在该状态下所需要安全阀的限定 流量 q 2 0 1 0年 第 3 9卷 第 2期 第 8 2页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I E LD E QUI P ME NT 文 章 编 号 1 O 0 1 3 4 8 2 2 O 1 0 0 2 0 0 8 2 0 5 绞车滚筒乱绳原因分析及解决方法 高加 索 ， 范吉祥。 ， 刘文娟。 1 ． 南 阳二机石油装备 集团 有 限公司 ， 河南 南 阳 4 7 3 0 0 6 ； 2 ． 大庆油 田井下作业分公 司， 黑龙江 大庆 1 6 3 3 5 5 ； 3 ． 长庆油 田分公司 机械 制造 总厂 ， 西安 7 1 0 2 0 1 摘要 绞 车滚筒乱 绳是造 成钢 丝绳过 快磨损 和失 效 的主要 原 因之 一 。结 合 生产 、 服 务 经验 ， 对 绞车 滚筒乱绳的原因进行了分析， 并提 出了解决方法， 对油田作业现场有效解决绞车滚筒乱绳、 提 高作 业效 率 、 降低 作业成 本提供 了理论 依据 。 关键词 绞车 ； 钢 丝绳 ； 乱绳 中图分 类号 T E 9 2 3 文献 标识码 B Ana l y s i s a n d S o l u t i o n f o r Di s o r d e r s o f W i r e Ro p e o n Dr a wwo r k Dr u m GAO J i a S U O ，FAN J i x i a n g ， LI U We n j u a n 。 1 ． RG Pe t r o M ac hi n e r y Gr o u p Co ．，Lt d．，Nan yan g 4 7 30 06，Chi n a；2． Do wnh ol eOpe r at i on Co mpan y Da q i n gOi l fi e l d，Da q i n g 1 6 3 3 5 5 ， Ch i n a； 3 ． Ma c h i n e r yF a c t o r y o fGe n e r a l ， C h a n g q i n g oi u’i e l d Co mp a n y， Xi ’ a n 7 1 0 2 0 1 ， Ch i n a Ab s t r a c t Th e wi r e r o pe di s o r de r i s o n e o f t he ma i n f a c t or s t ha t c a u s e d t he q u i c k a br a s i o n a nd t h e q ui c k i n e f f i c a c y o f t he wi r e r op e ．Ac c o r di n g t o t h e pr o d uc t i on a nd s e r v i c e e x pe r i e n c e s ，a s y s t e m a t i c a n a l ys i s of wi r e r o p e di s o r de r s wa s ma de，a nd a c o r r e s p o nd i ng s o l ut i o n f o r t hi s pr o bl e m wa s ⋯●⋯ ●⋯ ●⋯- ● ⋯ ●⋯ ●⋯- ● ⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ● ⋯ ●⋯●⋯ ● ⋯ ●⋯ ●⋯ ● ⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ● ⋯ ●⋯ ●⋯ ● ⋯ ●⋯ ●⋯ ● ⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯- ● ⋯ ●⋯ ●⋯ ●⋯ ● ⋯ ●⋯ ●⋯●⋯ ●⋯ ●⋯ ● ⋯ ● P。 T qv 代人标准参数得 q v 3 ． 7 0X 1 0 4 q 0 7 结 论 ， 而在野外及露天环境下的工作可靠度高 ， 比电控 、 液 控 等 自动安全 阀具有优 势 。 4 主 阀芯和 阀座 选 用 高硬 度 、 耐 腐 蚀金 属 陶 瓷材 料 ， 具 有很 高的耐 冲蚀能 力 ； 其 他部件 均采用 耐 ⋯ H s 、 C O 腐蚀 的高 强度不 锈钢 ， 适 用于 输送 各种 类 型 的天然气 。 1 设计的 自动防喷安全阀在正常生产时不影 响生产 ， 一旦 管线发 生 喷 漏 ， 可 以立 即关 闭 ， 切 断 气 源 ； 事故 处理完 后不需 调整 就可 以方便地恢 复生 产 ， 使用方便 ， 维护费用很低 。 2 设计了限定流量调节机构 ， 可以方便地无 级 调节 限定流量 。 3 纯机械控制的燃气管线 自动防喷安全阀结 构简单， 不需要复杂的检测系统和辅助控制系统 ， 因 参考文献 [ 1 3 王志云 ， 张积 明．全通径井 下 自动 防喷器设计 E J ] ．石 油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 4 3 7 4 O ． [ 2 ] 王 志云 ， 张积 明．燃 气管 线 自动防 喷 安全 阀 的研 制 [ J ] ．石油机械 ， 2 0 0 9 ， 3 7 6 5 8 ～ 6 1 ． [ 3 ] 赵正修．石油化工压力容器设计 [ M] 。东营 石油大学 出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 4 2 陆元章．现代机械设备设计手册 2卷[ K] ． 北京 机 械 工业 出版社 ， 1 9 9 6 ． 收稿 日期 2 0 0 9 0 8 1 9 作者简介 高加索 1 9 6 7 一 ， 男 ， 河南唐河人 ， 高级工程师 ， 1 9 9 0 年毕业于西安石油学院 现西安 石油大学 机械制造工艺与 设计专业 ， 从事钻采设备的设计制造工作 ， E ma i l r g g j s 1 2 6 ． c o rn。