海上石油平臺(tái)在生產(chǎn)過程中，為滿足生產(chǎn)工藝和消防要求，需要將海水升壓后進(jìn)入工藝系統(tǒng)和消防系統(tǒng)然后減壓排入海中。在排海過程中，由于前后壓差大，對(duì)閥門要求苛刻。通過選用國產(chǎn)迷宮閥替代單座角閥和調(diào)節(jié)閥，滿足了生產(chǎn)需求，節(jié)約了采購和維修成本。

　　海洋石油在開發(fā)過程中，由于離陸岸較遠(yuǎn)，一般采取建海上石油平臺(tái)或者油輪進(jìn)行開發(fā)生產(chǎn)。在進(jìn)行油氣水處理過程中，經(jīng)常需要冷、熱媒進(jìn)行工藝交換或注水開采，同時(shí)為滿足安全生產(chǎn)需求，平臺(tái)上需要建立完善的水消防系統(tǒng)。為減少投資和便于操作，海水是理想的換熱介質(zhì)。海水通過升壓后，進(jìn)入工藝系統(tǒng)，給處理工藝系統(tǒng)提供源源不斷的冷熱交換載體，海水吸收了熱源或冷源后再排入海中，形成一個(gè)開式循環(huán)。同時(shí)，為滿足濕式消防系統(tǒng)的要求，在水消防管網(wǎng)中充滿海水并保壓，多余的海水也需排入海中。因此，減壓排海設(shè)備的性能決定了系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定。本文通過總結(jié)以往減壓設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，大膽創(chuàng)新，探討了海上平臺(tái)海水排海技術(shù)，將新技術(shù)應(yīng)用于新建平臺(tái)。

1、單座角閥節(jié)流減壓原理及特點(diǎn)

　　海水系統(tǒng)壓力控制通常采用多級(jí)減壓的工藝設(shè)計(jì)流程，即采用一個(gè)常規(guī)控制閥和兩個(gè)單座角閥組成的串聯(lián)控制來實(shí)現(xiàn)管線壓力穩(wěn)定及減壓排放。為了保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，需要通過安裝在工藝流程上的控制閥和角閥將部分海水直接排放到大海中。

1.1、角閥節(jié)流減壓原理

　　單座閥都是通過改變閥芯閥座的節(jié)流面積而調(diào)節(jié)壓力和流量，也就是等熵流動(dòng)過程。在這個(gè)過程中，在節(jié)流面積最小處的下游會(huì)出現(xiàn)一個(gè)流速最大，壓力最低位置，在這個(gè)位置上的流體壓力如果低于飽和蒸汽壓力，液體就會(huì)氣化，產(chǎn)生空化現(xiàn)象。而在后面壓力恢復(fù)的過程中，流體壓力再次高于飽和蒸汽壓力產(chǎn)生的氣泡破裂，發(fā)生氣蝕，從而產(chǎn)生的后果非常嚴(yán)重。不僅閥門噪音急劇增大，振動(dòng)劇烈，而且極有可能引發(fā)管道共振，發(fā)生安全事故，如圖1所示。

圖1 單座閥減壓節(jié)流原理

1.2、特點(diǎn)

　　由于閥門前后壓差大，在閥門內(nèi)部形成空化和氣蝕，造成控制閥和角閥振動(dòng)和噪音增大，調(diào)節(jié)性能下降，嚴(yán)重的可直接導(dǎo)致閥門內(nèi)件損壞或報(bào)廢。使用控制閥和單座閥作為排放閥時(shí)，主要存在的問題有：

　　(1)排放時(shí)由于閥門前后壓差大，存在氣蝕，噪音大大超過環(huán)保要求的允許值。

　　(3)維護(hù)頻繁。因氣蝕和振動(dòng)，閥門內(nèi)件容易損壞，維修人員要不停地進(jìn)行維修。

　　(4)縮短了閥門使用壽命。由于壓差大、流速高，介質(zhì)對(duì)內(nèi)件的沖刷和腐蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致閥門使用壽命縮短。

　　由于以上原因，以往項(xiàng)目在采購過程中，一直依賴國外產(chǎn)品，且要求的材質(zhì)非常高，造成采購費(fèi)用高、周期長、限制多，維護(hù)非常不便。

2、迷宮閥節(jié)流減壓原理及特點(diǎn)

2.1、迷宮閥節(jié)流減壓原理

　　迷宮閥通過采用迷宮芯包內(nèi)件，通過流體在迷宮內(nèi)部耗能減壓，建立一個(gè)等焓流動(dòng)過程。迷宮閥的芯包內(nèi)件是由多個(gè)迷宮盤片組成的并具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的減壓內(nèi)件，通過多級(jí)減壓，它能極好地將介質(zhì)的流速限制在較低的數(shù)值上，從而使閥門在沒有氣蝕和高噪聲的狀態(tài)下運(yùn)行。迷宮內(nèi)件的每一個(gè)迷宮盤片都需要經(jīng)過精心計(jì)算，確定設(shè)計(jì)流道，根據(jù)工況條件計(jì)算得出的多個(gè)尖銳直角、轉(zhuǎn)角所組成。當(dāng)閥芯在迷宮芯包內(nèi)移動(dòng)時(shí)，流體受到節(jié)流并迫使其流過極其曲折的途徑，而每個(gè)轉(zhuǎn)角就起一級(jí)降壓的作用。由于流道具有許多尖銳轉(zhuǎn)角和連續(xù)擴(kuò)張的流徑，在逐級(jí)膨脹的過程中消耗了流體的動(dòng)能，降低了流體壓力，從而避免了產(chǎn)生噪聲。如圖2所示。

圖2 迷宮閥減壓節(jié)流原理

2.2、迷宮閥減壓特點(diǎn)

　　對(duì)液體流而言，迷宮閥可有效地消除氣蝕，并避免對(duì)閥門、內(nèi)件以及下游管道的破壞。迷宮閥解決了高壓差工況下流體不穩(wěn)定、噪聲大、振動(dòng)大、閥內(nèi)件壽命短等難題。流體的流動(dòng)速度是產(chǎn)生沖刷的主要原因，沖刷的速率將以流體速度的3至4次方而變化，因此，合理控制流體速度對(duì)于減小沖刷帶來的閥門內(nèi)件損壞是至關(guān)重要的。迷宮調(diào)節(jié)閥可提供多達(dá)60級(jí)的減壓結(jié)構(gòu)，可充分控制每級(jí)的降壓量和流體流速，確保介質(zhì)在閥芯內(nèi)流速穩(wěn)定并保持在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，極大地減小甚至消除高速介質(zhì)對(duì)內(nèi)件的沖刷和侵蝕，大大延長閥門的使用壽命。迷宮芯包的特殊結(jié)構(gòu)型式帶來的另一個(gè)好處是密封面和節(jié)流分別設(shè)置，充分保護(hù)密封面不被介質(zhì)沖刷和侵蝕，密封面采用帶有經(jīng)過計(jì)算和實(shí)踐檢驗(yàn)的有角度差的錐面密封結(jié)構(gòu)，簡單并易于密封，可修復(fù)性強(qiáng)，泄漏量小，如圖3所示。

圖3 迷宮閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3、單座閥和迷宮閥性能對(duì)比

表1 單座閥和迷宮閥性能對(duì)比

　　通過對(duì)比可以看出，迷宮閥由于采用了迷宮內(nèi)件，介質(zhì)在閥內(nèi)的流速基本不變，消除了閃蒸、氣蝕、振動(dòng)和噪聲，大大延長了閥內(nèi)件的使用壽命和可靠性。

　　采用迷宮式多級(jí)降壓有如下優(yōu)勢：

　　(1)降低流經(jīng)閥內(nèi)件的流體速度;

　　(2)防止液體產(chǎn)生氣蝕;

　　(3)降低高壓差流體所產(chǎn)生的噪聲;

　　(4)延長閥內(nèi)件使用壽命;

　　(5)迷宮盤片設(shè)計(jì)較薄、調(diào)節(jié)性能好，可精密控制流量;

　　(6)閥芯、閥座設(shè)計(jì)成線接觸密封，關(guān)閉性能好。

4、國產(chǎn)迷宮閥的首次使用

　　由于國外迷宮閥價(jià)格昂貴，且交貨周期很長。國內(nèi)迷宮閥價(jià)格相對(duì)便宜，交貨期較短，可以滿足項(xiàng)目進(jìn)度要求。因此，在南海某油田開發(fā)項(xiàng)目中，項(xiàng)目組通過對(duì)國內(nèi)迷宮閥生產(chǎn)廠家的調(diào)研及技術(shù)論證，認(rèn)為國內(nèi)生產(chǎn)的的迷宮閥產(chǎn)品經(jīng)適當(dāng)改進(jìn)后可以滿足海上油田海上排海工藝的要求。本項(xiàng)目首次采用一個(gè)迷宮閥代替一個(gè)控制閥和兩個(gè)角閥的方案，如圖4所示。該方案工藝流程簡單，工藝配管占用面積少，操作方便，通過減壓、降速，有效地消除氣蝕、沖刷，降低振動(dòng)和噪聲，滿足了注水工藝和排放要求。在油田開發(fā)生產(chǎn)期內(nèi)，延長了閥門使用壽命，大大降低了閥門采購和維護(hù)費(fèi)用，可節(jié)省成本約400萬元。

圖4 海水排海管線工藝流程

5、總結(jié)

　　迷宮閥首次在南海某油田開發(fā)項(xiàng)目階段設(shè)計(jì)并采用，從平臺(tái)投產(chǎn)至今，流程的振動(dòng)和噪聲明顯減小，各項(xiàng)性能滿足設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場人員反映產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，使用效果良好。

　　本項(xiàng)目的成功應(yīng)用說明，國產(chǎn)迷宮閥在海上油田海水排海工藝中可滿足工況要求，簡化工藝設(shè)置，減少設(shè)備數(shù)量，節(jié)省平臺(tái)空間，降低了成本，安全性能進(jìn)一步提高，在同類油田開發(fā)中具有推廣應(yīng)用價(jià)值。