王成林李凤绪尚增辉
中国石油工程建设有限公司华北分公司
摘要：水击泄压系统作为输油管道最后一道物理保护屏障，对输油管道的安全运行具有十分重要的意义。采用SPS软件对泄压阀失效模拟结果表明：当水击泄压阀因故障发生失效，引发不正常泄压时，易导致泄压罐冒顶，严重威胁管道生产运行安全，因此必须对水击泄压系统进行功能完善。通过增设泄压罐上升速率报警及联锁保护程序、泄压阀失效联锁保护程序等，能够提高整个水击泄压系统的安全等级，有效提升系统的可靠性，保障管道的安全运行。 关键词：水击泄压系统；流量；泄压阀失效；安全等级；联锁保护程序
Failure Analysis and Protection Measures of Water Hammer Pressure Relief System WANG Chenglin，LI Fengxu，SHANG Zenghui
North China Company of China Petroleum Engineering&Construction Co.，Ltd.
Abstract：As the last physical protective barrier of the oil transportation pipeline，the water hammer relief system is of great significance to the safe operation of oil transportation pipeline.The simulation re-sults of the pressure relief valve failure by SPS software show that when the water hammer pressure relief valve fails due to faults and causes abnormal pressure relief，it is easy to cause the pressure relief tank to collapse，which seriously threatens the safety of pipeline production and operation.Therefore，it is necessary to complete the function of water hammer pressure relief system.By the measure of adding ris-ing rate alarm and interlock protection program of relief tank and pressure relief valve interlocking pro-tection program，the safety level of the whole water hammer relief system can be improved，the reli-ability of the system can be effectively improved，and the safe operation of the pipeline can be guaran-teed.
Keywords：water hammer pressure relief system；flow；pressure relief valve failure；safety level；in-terlock protection program
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]。
DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2021.01.011
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8.0/6.3MPa，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500×104
t/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200m 3。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2060m 3/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
图13#站出站泄压阀失效后瞬时流量
Fig.1Instantaneous flow after failure of outlet pressure relief
valve
in No.3Station
图23#站出站泄压阀失效后累计通过流量Fig.2Cumulative throughflow after failure of outlet pressure
relief valve in No.3Station
道输量；约9min 后通过泄压阀流量达到200m 3，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。
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
表1
先导式和氮气式水击泄压阀优缺点比较
Tab.1Comparison of advantages and disadvantages between pilot type and nitrogen type water hammer pressure relief
valves
对比项目优点
泄压阀类型
先导式泄压阀
泄放量与超压值无关，只要管道压力超过设定值阀门就全开启，泄压时间更短，保护作用更强；压力设定值稳定，设定值精度≤±1%；结构简单，不需要外部动力，维护方便，使用寿命长
氮气式泄压阀
压力调整范围宽；压力设定方法简单，设定值精度≤±2%；阀门启闭不受输送介质性能的影响；工况适应性强
隐患。
表2各站泄压阀失效信息
Tab.2Failure information of pressure relief valve in each station
免洗内裤
泄压阀位置首站出站2#站进站2#站出站3#站进站3#站出站4#站进站5#站进站5#站出站末站进站泄压阀瞬时流量/
(m3·h-1)
1930
1180
2050
1095
2060
1350
1400
1875
825
累计泄放200m3所需时间/
min
9
15
9
14
9
管道内衬25
13
11
16
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10s，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10s，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10s关闭泄压阀前电动阀门（阀门关闭行程取90s），执行“全线顺序停输控制程序-某站事故”（图3、图4、图5）
。
图33#站出站泄压阀上游电动球阀阀前压力变化曲线Fig.3Pressure change curve in front of electric ball valve at the upstream of the outlet relief valve in No.3
混凝土泊松比Station
图43#站出站泄压阀采取连锁保护程序后瞬时流量Fig.4Instantaneous flow after taking failure interlock protection procedure of outlet pressure relief valve in No.3Station
图53#站出站泄压阀采取连锁保护程序后累计通过流量Fig.5Cumulative throughflow after taking failure interlock protection procedure of outlet pressure relief valve in No.3Station 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5.4MPa，未超过设计值（8.0MPa），泄压阀泄放量为42.5m3，累计泄放时间约为1.67min。
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.3Information of pressure relief valve in each station after taking failure interlock protection procedure
泄压阀位置首站出站2#站进站2#站出站3#站进站3#站出站4#站进站5#站进站5#站出站末站进站泄压阀累计流量/m3
42.9
29.1
42.6
27.8
42.5
27.6
32.9
39.8
21.4
累计泄放时间/min
1.67
1.67
1.67
1.67
1.67
缠绕膜复卷机1.67
1.67
1.67
1.67
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20~50m3，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。
参考文献
[1]张国权，刘凯．成品油管道水击及防护措施[J]．油气储
运，2006，25（12）：61-63．
ZHANG Guoquan，LIU Kai．Surge analysis on products oil pipeline[J]．Oil&Gas Storage and Transportation，2006，25（12）：61-63．
[2]赵海俊，邰宝杰．成品油管道水击保护[J]．管道技术与
设备，2008（5）：15-18．
ZHAO Haijun，TAI Baojie．Protecting the long-distance refined oil pipeline from water hammer damaging[J]．Pipe-line Technology and Equipment，2008（5）：15-18．
[3]檀伟，张海霞，冯树元，等．基于GB50253的输油管道
水击泄压系统[J]．现代化工，2015，35（9）：195-196．TAN Wei，ZHANG Haixia，FENG Shuyuan，et al．Water hammer pressure relief system of oil transportationpipeline based on GB50253[J]．Oil&Gas Storage and Transporta-tion，2015，35（9）：195-196．
[4]刘翌燕．先导式水击泄压阀的动作原理和密封机理的分
析[J]．阀门，2010，39（4）：18-21．
LIU Yiyan．Analysis of action principle and seal mechanism ofpilot relief valve[J]．Valve，2010，39（4）：18-21．[5]李勇．水击泄压阀在长输油管上的应用[J]．化工设备与
管道，2004，41（3）：49-51．
LI Yong．Application of pressure relief valves against water-hammer in long oil pipeline[J]．Process Equipment&Pip-ing，2004，41（3）：49-51．
[6]宋晓芳．浅谈氮气式泄压阀在原油输油管道中的选型应
用[J]．仪器仪表用户，2019，26（8）：110-112．
SONG Xiaofang．Selection and application of nitrogen pres-sure relief valve in long-distance crude oil pipeline[J]．In-strumentation，2019，26（8）：110-112．
[7]周耀辉．DANIEL氮气式水击泄压阀的安装和功能维
护[J]．油气储运，2011，30（3）：227-230．
ZHOU Yaohui．The installation and maintenance of DAN-IELnitrogen water hammer relief valve[J]．Oil&Gas Storage and Transportation，2011，30（3）：227-230．
[8]刘洋，刘威．水击泄压阀在成品油管道的应用[J]．价值
工程，2012，31（25）：64-65．
LIU Yang，LIU Wei．Application of water hammer relief valve onproducts pipeline[J]．Value Engineering，2012，31（25）：64-65．
[9]瞿慧卿，李素杰，雍永鹏．泄压阀在成品油管道上的应
用[J]．自动化仪表，2013，34（4）：84-86．
QU Huiqing，LI Sujie，YONG Yongpeng．Application of the pressure relief valve in refined oil pipeline[J]．Process Automation Instrumentation，2013，34（4）：84-86．
[10]武应文，熊浩，张兆祥．丹尼尔先导式水击泄压阀研
究[J]．科技创新与应用，2013（31）：13．
WU Yingwen，XIONG Hao，ZHANG Zhaoxiang．Re-searching on DANIELrelief valve[J]．Technology Innova-tion and Application，2013（31）：13．
[11]张聆瑜．泄压阀的选型分析和应用[J]．石油化工安全环
保技术，2012，28（6）：40-42．
ZHANG Lingyu．Mode selection analysis and applicationof pressure relief valve[J]．Petrochemical Safety and Environ-mental Protection Technology，2012，28（6）：40-42．[12]万捷，党建新，苗剑平．泄压阀的应用及选型[J]．油气
田地面工程，2009，28（8）：39-40．
WAN Jie，DANG Jianxin，MIAO Jianping．Application and modeselection of pressure relief valve[J]．Oil -Gas Field Surface Engineering，2009，28（8）：39-40．[13]周耀辉．氮气式水击泄压阀的应用和维护[J]．石油化工
自动化，2010，46（5）：5-87．
Zhou Yaohui．The application and maintenance of pressure relieve valves pushed by water with nitrogen gas[J]．Auto-mation in Petro-Chemical Industry ，2010，46（5）：5-87．
[14]段峰波，李柏松，张兴，等．氮气式水击泄压阀设定
压力精度的影响因素[J]．油气储运，2016，35（8）：903-908．
DUAN Fengbo，LI Baisong，ZHANG Xing，et al．Fac-tors affecting set pressure precision of nitrogen surge relief valve[J]．Oil &Gas Storage and Transportation，2016，35（8）：903-908．
[15]于京平，冯坤．水击泄压阀的应用及失效分析[J]．油气
磨具抛光
储运，2016，35（2）：173-175．
YU Jingping，FENG Kun．Application and failure analysis of surge relief valve[J]．Oil &Gas Storage and Transporta-tion，2016，35（2）：173-175．
[16]卢连勇，张明红，王金鹿．输油管道泄压阀渗漏原因
与应对措施[J]．油气储运，2011，30（6）：456-458．LU Lianyong，ZHANG Minghong，WANG Jinlu．The leakage in reliefvalve of oil pipeline and solutions[J]．Oil &
Gas Storage and Transportation，2011，30（6）：456-458．[17]代一平，谢志斌，云向峰，等．先导式水击泄压阀泄
漏原因及解决措施[J]．油气储运，2017，36（2）：236-240．89c2051
DAI Yiping，XIE Zhibin，YUN Xiangfeng，et al．Causes and solutions for the leakage of water-hammer pilot relief valve[J]．Oil &Gas Storage and Transportation，2017，36（2）：236-240．
[18]任亮，温凯，宫敬，等．基于SPS 的水击超前保护方
案分析与优化[J]．油气田地面工程，2018，37（4）：32-35．
REN Liang，WEN Kai，GONG Jing，et al．Analysis and optimization of the water hammer advanced protection scheme based on SPS[J]．Oil-Gas Field Surface Engineer-ing，2018，37（4）：32-35．
[19]刘祎飞，李可，张琳．基于SPS 的输油管道工艺分析[J]．
油气储运，2012，31（2）：11-13．
LIU Yifei，LI Ke，ZHANG Lin．Process analysis of oil pipeline based on SPS[J]．Oil &Gas Storage and Transpor-tation，2012，31（2）：11-13．
[20]肖杰，郑云萍，华红玲．基于SPS 的输油管道典型事故
瞬态工况分析[J]．油气储运，2013，32（12）：1344-1346．
XIAO Jie，ZHENG Yunping，HUA Hongling．SPS-based typical accidental transient condition analysis of pipe-line[J]．Oil &Gas Storage and Transportation，2013，32（12）
：1344-1346．
作者简介
王成林：工程师，硕士，2013年毕业于中国石油大学（华东）化学工程与技术专业，从事油田地面及储运方向的设计研究工作，150****1500，****************，河北省任丘市建设路中国石油工程建设有限公司华北分公司，062552。
收稿日期
2020-08-14
（编辑
李俐莹）
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议