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 常用止回阀的选型与配管设计

摘 要:本文介绍了油田地面工程常用止回阀的选型原则与安装要求,结合施工项目中止回阀配管安装实例进行了分析,可为工程设计人员提供一定的参考。

关键字:止回阀 选型 配管 安装实例


止回阀(CheckValve)是一种依靠流体介质自重或外部动力开启、关闭启闭件(阀瓣)的自动阀门,也称单向阀,广泛应用于石油化工管道系统中,可阻止介质逆流,防止泵及驱动电机反转,控制容器内介质泄放等。正确合理选型和配管安装直接关系着设备及管道系统的安全平稳运行。本文依托油田地面工程项目实际,详细介绍了常用止回阀选型原则、安装要求,并结合部分配管安装的实例,为广大工程设计人员提供一定参考。

1 常用止回阀的选择

在油田地面工程中,常用的止回阀包括升降式、旋启式、蝶式、隔膜式等类型,不同类型的止回阀阀瓣结构和启闭方式不同,因此适用工况也不同。通常,工程设计初期,工艺专业设计人员根据特定工况下止回阀对最小冲击压力或无撞击关闭时所需要的关闭速度及其速度特性进行定性评估来选择止回阀的类型。这种方法虽不十分精确,但一般适用于大多数场合。在此基础上,止回阀的选择主要遵循以下原则。

(1)止回阀的公称压力必须与实际工程中所需生产压力相匹配;

(2)止回阀不易被所属管道系统的流体介质所腐蚀;

(3)止回阀启闭件全开时的摩阻损失等必须满足工艺设计的要求,正常生产时保证启闭件处于全开状态;

(4)止回阀可能产生的水锤冲击力不可超过设备或管道系统的阈强度;

(5)止回阀组件的抗挠强度和疲劳强度应满足生产运行要求;

(6)在满足设计生产的基础上,选择的止回阀应力求经济、体积小、重量轻,宜于运输和维检;

(7)不同结构止回阀的适用管道尺寸和压力工况不同,对止回阀的选择有一定的借鉴意义,如表1所示。

表1 不同公称直径及压力工况下特定止回阀的选型参考

在以上阀门选型要求的基础上,前人已总结出一些针对特殊工况适用性极强的新型止回阀。设计人员可结合工程实际,选型时充分考虑新型阀门优势。如目前在海外油气田地面工程项目中应用较多的高效无声止回阀,阀瓣质量轻、动作灵敏、开启行程极短(最快开启时间仅0.15s)、结构长度短,尤其适用于长输管线,可安装在管道任何位置,关闭时无冲击、无噪声。

此外,某些特定工况下阀门关闭时要求水锤冲击力较小或无水锤冲击,建议选用缓闭旋启式止回阀和缓闭蝶式止回阀。但为节省投资,在水泵扬程高、压力管段短,且设置了气压式调压室的供输水管路中,无需使用缓闭式止回阀,普通止回阀即可保证工程的安全性。相反,在水泵扬程高、压力管段长且未设置气压式调解室的场合,目前多采用液控缓闭式止回阀。在水泵扬程低的长输管线中,介质倒流速度慢,不宜采用缓闭式止回阀,应选择电动型止回阀起到慢关效果。

作为配管专业设计人员,在工艺专业优选阀门类型的基础上,根据工艺管道及仪表流程图(P&ID)合理安装止回阀。安装特定类型的止回阀时,需充分考虑其尺寸参数和安装条件。在海外油田地面工程项目中,止回阀参数主要参考API、ASME、BS等国际通用规范,如API6D、API594、API602、ASMEB16.34、BS1868、BS1873、ISO15761、MSSSP-42、MSSSP-80等;在国内油田地面工程项目中主要依照GB/T12233、GB/T12235、GB/T12236、GB/T13932、JB/T8937等标准。

2 常用止回阀的安装

止回阀应安装在操作人员易接近、便于维修的地方,止回阀的内部结构决定了其独特的安装特点。

(1)必须严格按照阀门箭头标示方向安装,不可反向;

(2)直通式升降止回阀常安装于水平管道,而立式升降止回阀可安装在介质自下而上流动的垂直管道上;

(3)升降式底阀主要安装在不能自吸或无真空泵抽气引水的水泵吸水管尾端立管。底阀需没入水中,防止进入吸水管中的水或启动前预先灌入水泵和吸水管中的水倒流,保证水泵正常开启。内含过滤网,可阻止杂质进入吸水管,避免水泵及有关设备受到损坏;

(4)旋启式止回阀宜于安装在水平管道;安装于垂直管道时,介质必须为自下而上,同时也可安装于倾斜管道;

(5)对夹式止回阀安装位置较为灵活,体积小,便于管道布置,常安装于100mm≤DN≤400mm的管道系统,用来代替升降式和旋启式止回阀;

(6)蝶式止回阀结构简单,只能安装在水平管道上;为降低泵出口切断阀的安装高度,可考虑优先使用此种类型;

(7)缓闭止回阀多水平安装,若置于井内,应留有检修空间;不应置于0℃以下的环境;

(8)隔膜式止回阀一般安装在两片法兰之间,或者加紧在管接头之间;对工况要求较为严苛,如褶皱环状橡胶隔膜止回阀较适用于介质流变化范围很大的场合,但工况仅限于1MPa、70℃以内;

(9)止回阀应安装在远离脉动源的地方,尽量保证前后管道不出现大的扰动。部分止回阀前后有直管段长度的要求,配管时可选择合适支吊架来提高管道稳定性,保证止回阀的正常工作,延长其使用寿命。

3 止回阀安装实例分析

例一:为节省安装空间,设计人员有时将相邻阀门直接相连,取消直管段。这样紧凑布置虽能降低成本和安装工作量,但如笔者上文所述,在海外油田地面工程中,阀门的选择和采购应遵循国际标准。当采用国外标准系列如ASMEB16.10旋启式止回阀时,其结构型式和长度相对我国国标较小,DN>80的法兰端旋启式止回阀直接相连时螺栓的插入距离不够,中间必须加一段直管段。

例二:图1为某容器连续使用的蒸汽管道管口配管方式。图1(a)错误,止回阀不应与容器管口直接相接,阀门损坏时容器与外界相通,介质泄漏,无法检修。因此,应在止回阀前设置截断阀,同时建议阀后设置排污阀。图1(b)为正确的设计方案。

图1 容器蒸汽管道管口配管布置

图2 输油泵出口管线的ISO配管布置

例三:图2为某海外油田CPF区输油泵出口管线的配管方案,利用SmartPlant3D软件绘制的ISO视角模型。图2(a)止回阀安装在闸阀之后,运转中若单向阀损坏,介质倒流泄漏,无法检修,因此应将闸阀置于止回阀后;图2(b)两阀间无短管,安装困难,且无法安装排液阀。正确安装方式如图2(c),泵出口顺序安装止回阀、闸阀,中间预留直管段安装去排污管线和排液阀,同时直管段的存在便于在两阀间用SLIDESTOOL型管托进行支撑。

例四:图3为凝结水回收系统的部分管线。图3(a)错误,通常疏水阀设置旁路阀,极易造成背压升高。当安装无止回作用的疏水阀时,若冷凝水主管高于疏水阀,止回阀应靠近主管安装。综上,图3(b)设计更为合理。

图3 凝结水回收系统部分管线设计

例五:油田地面工程中,要根据止回阀的功能特性,结合总图装置布置位置和管线路由合理设置止回阀。图4~图6为非洲某油田卸油台系统A与污油回收系统B出口管线汇入油田CPF区油气分离核心系统C的工艺与配管设计。图4~图6中a为工艺流程PID图,b、c为配管布置俯视简图。

图4 工艺流程PID和配管设计方案一

方案一:图4(b)配管设计符合图4(a)PID流程要求,A、B两系统出口管线的流量计、温度计、压力表、止回阀等靠近装置布置,管线沿管廊带与其它系统的3条分支汇入C系统总汇管。卸油台和污油回收系统间歇操作,常关(NC)状态的止回阀并不能长期有效地阻止C系统介质回流至A、B系统。方案一的错误在于将止回阀做截断阀用,因此应另设球阀组成双阀组,操作工况下阻止介质回流,非操作工况下隔断C系统,如图5方案二所示。

方案二:图5(b)满足无故障状态下工艺设计的要求,但A、B系统距C系统较远,分支管路泄漏会使总汇管介质倒流并泄漏,迫使持续运行的油气分离主系统C停工,进而影响整个油田地面工程的油气处理工艺,因此优化设计双阀组靠近主汇管布置,如图5(c)所示,最大程度降低分支管路对C系统的影响。同时,双阀组靠近管廊边缘,可就近设置斜梯或移动爬梯,便于止回阀、球阀的安装、操作和日常检修。

图5 工艺流程PID和配管设计方案二

方案二图5(c)配管设计满足了不同工况的工艺要求,但仍有可优化空间。A、B系统出口管路管径、材质及管线等级完全一致,可在出口分别设置止回阀将两独立系统相互隔离,在汇入主管前同样设置止回阀双阀组,隔断主流程和A、B系统。方案三图6极大地减少了管材用量,节约了投资成本,根据工程实际需求,优化止回阀安装位置,与截断球阀配合使用,进一步降低了三个系统的相互影响程度,保障了CPF油气分离核心工艺的安全平稳运行。

图6 工艺流程PID和配管设计方案三

4 结论

止回阀是油田地面工程管道系统中最常用的阀门类型之一,选型和配管安装要综合考虑阀门特性、生产工况、工程需求、设备总图布置及管线路由走向等,需要设计团队中工艺专业与配管专业等协同合作,以保证管道系统安装设计的合理性与可靠性,从而保障油田地面工程安全投产与平稳运行。

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