1．概述
目前在石油天然氣工業生產集輸裝置系統，普遍應用的國產安全閥。由于結構原理所定，超過壓力(△Po)范圍一般都在5～10％Ps，這類安全閥在結構和可靠性上都難于滿足生產的要求，更不能保證天然氣集輸裝置的安全運行。隨著生產裝置的大型化和高參數化，對安全閥使用的安全性、功能的可靠性以及使用壽命等方面提出了更高更嚴格的要求。本研究項目以氣動學、自動控制為理論基礎，將導閥設計為活塞結構，利用導閥閥芯密封面積與活塞面積的轉換，活塞阻尼孔流阻系數和背壓的匹配設定，實現導閥超壓即開。使安全泄放閥超過壓力△Po<1％Ps，這個理論追求值真正變為了現實，回座密封零泄漏。采用防爆監控系統，可實現遠距離超壓監控。在西氣東輸工程上已成功替代國外先導式安全閥，并在全國各天然氣集輸工程得到廣泛推廣應用，項目的安全可靠性和高效節能已被市場所認可。
文中符號注釋：Ps——整定壓力(MPa)
Pd——排放壓力(MPa)
Pr——回座壓力(MPa)
△Po——超過壓力(MPa)，△Po=Pd-Ps
△Pbl——啟閉壓差(MPa)，△Pbl=Ps-Pr
F彈——導閥彈簧力N(導閥閥芯密封比壓力)，F彈=Ps·S密
S活——導閥活塞面積(mm2)
S桿——導閥閥桿截面積(mm2)
S密——導閥閥芯密封面積(mm2)
S上——活塞上腔面積(mm2)，S上=S活-S桿(mm2)
2．國內外安全閥技術現狀
(1)從國內來看，安全閥產品不論是采用直接載荷式(重錘式、重錘加杠桿式、彈簧式)還是非直接載荷式(先導式、補充載荷式)，其主要性能指標遵循GB/T 12243—2005《彈簧直接載荷式安全閥》標準規定。在氣體介質中超過壓力△Po≤10%Ps，啟閉壓差△Pbl≤15%Ps，流道直徑≥20mm，密封泄漏率為20氣泡數/min。在石油天然氣采輸場站實地調查和排放調試情況看，安全閥超過壓力△Po ≤5%Ps，也難以滿足天然氣集輸裝置安全排放使用。在現場安裝調試一臺整定壓力7.2MPa、DN50的先導式安全閥，超過壓力△Po升至2.8%Ps，即排放壓力為7.4MPa時，天然氣從安全閥主閥出口泄漏的聲音已使幾米內的調試人員聽不到說話聲，但還沒達全行程排放。待排放壓力增加到Pd≤7.2+7.2×5%≤7.56(MPa)才全啟排放，調試現場工作人員早已沒有任何安全感了。若在標準允許的△Po≤10%Ps范圍內工作，則更不敢設想。
由于我國天然氣工業發展還處于初級階段，天然氣用安全閥與其他工業用安全閥在使用特點要求上存在著質的區別還沒有完全被人們所認識。這種區別在于，一是天然氣本身屬易燃、易爆介質，若使用的安全閥長期泄漏，一旦環境出現火種或遭雷電襲擊，會發生嚴重火災事故。如在90年代初四川磨溪氣田曾發生過一起由于安全閥泄漏，雷擊引起天然氣燃燒，造成重大破壞和經濟損失；二是天然氣介質不同于其他液體或蒸汽，一般集輸都是中高壓，特別是在高壓力情況下安全閥泄放，排放量要大、排放速度要快，性能指標要求遠遠高于液體或蒸汽；三是從安全性出發要求天然氣用安全閥超壓即刻全行程排放，一旦排放泄壓完畢迅速回座關閉“零泄漏”，高效節能，使用壽命要長。
為此，一些石油天然氣設計院專門組成考察小組，到全國各地安全閥生產廠調研考察定點生產。由于產品結構所定排放精度不能滿足天然氣集輸裝置的運用，一些天然氣礦區根據工程的需要規定不能選用國產安全閥。
(2)從國外來看，美國安德森-格林伍德公司生產的AGCO安全解壓閥(先導式安全閥)為目前世界先進水平。采用ASME規范Ⅷ篇、API 526和API 527標準，結構設計主要采用膜片或活塞作為傳動部件，導閥感測出口壓力信號，實現開啟回座。其主要技術參數超過壓力△Po可達到3%～4%Ps，啟閉壓差△Pbl≤10%Ps，密封泄漏率為O氣泡數/min。中國五環化學工程公司“千米橋潛山凝析氣田天然氣處理廠脫酸裝置”2001年6月選用的美國API RP520/ASME第Ⅷ篇標準普通先導式安全閥HTO-06CB-4L6，進口連接4″-600LB-RF，排放孔面積392mm2，在操作溫度20℃情況下，Ps=7.08MPa、Pd=7.35MPa、△Po=3.8%Ps，不能完全滿足現場工況使用要求。天然氣在超壓開啟部分泄放量大，能源損失嚴重，安全閥的售后服務和維修配件也很不方便，況且進口一臺國外安全閥價格大約為國產同類產品的8～10倍，性能價格比很不合算。
3．結構功能原理
以氣動學、自動控制為理論基礎，在先導式安全閥基本原理基礎上，將導閥設計為活塞式導閥，并在活塞上設計阻尼孔。主閥設計為自緊式結構，創新出一種新型的即開式安全保護閥，使安全閥超過壓力△Po≤1%Ps，啟閉壓差△Pbl≤10%Ps，復位準確，回座密封“零泄漏”。
結構如圖1所示。
基本工作原理：
(1)當安全保護閥的閥前壓力低于整定壓力時，導閥整定彈簧將閥芯推向閥座密封面，氣體介質通過導壓管經導閥進口進入主閥閥芯上腔，主閥閥芯在彈簧力復位作用下緊貼閥座，安全閥處于零泄漏關閉狀態。
(2)當閥前壓力達到或高于整定壓力時，介質壓力克服導閥彈簧力，導閥閥芯向上推移，超壓氣體介質進入活塞下腔，受力面積由閥芯密封面積轉化為活塞受力面積，受力面積瞬間增加，推動活塞上升力增大，而活塞上腔由于通過阻尼孔與出口端形成通路的作用，壓力增長緩慢，并與活塞下腔形成較大壓差，導閥立即輕松開啟。隨之主閥上腔氣室內的氣體從導閥出口排出，上腔泄壓，主閥開啟，介質迅速排放。
(3)在氣體介質壓力全行程排放過程中，導閥活塞下腔氣體介質壓力通過阻尼孔傳遞到活塞上腔，活塞上腔空間距離已達到最小值。造成活塞上下腔氣室壓差近乎相等，活塞下腔面積壓力與上腔面積壓力及導閥彈簧密封比壓力形成動態平衡，使導閥處于開啟狀態，氣體介質穩定排放。
(4)當氣體介質壓力降至回座壓力時，導閥活塞上腔在背壓力和導閥彈簧力共同作用下大于活塞下端所受介質壓力，導閥迅速關閉，實現零泄漏。
4．技術及性能參數
4.1 超壓即開
在天然氣集輸裝置系統，由于天然氣介質本身特殊要求較高，要滿足安全可靠、高效節能、使用壽命長的特性，就必須保證超壓即刻排放。
即開式天然氣集輸專用安全保護閥其關鍵核心技術之一就是將導閥設計為活塞結構，利用導閥閥芯密封面積與活塞開啟面積的轉換，增大開啟力，克服密封面間產生的吸附力、靜壓力、摩擦力。通過在導閥活塞上設計阻尼孔，并與閥體凸臺流道孔匹配，以滿足介質壓力上升到開啟壓力時，活塞上腔氣室通過流阻系數的匹配與活塞下腔形成較大面積壓差，實現導閥的超壓即開，使安全泄放閥超過壓力△Po<1%Ps這個理論追求值真正變為現實。
如圖2所示，安全閥導閥開啟時，Ps·S密>F彈，閥瓣離開閥座端面，氣體介質開始泄漏并作用于活塞底端面，由于活塞面積S活，即遠大于導閥密封面積S密，即Ps·S活≥Ps·S密，閥瓣迅速上移，導閥排放，主閥隨即排放。
4.2 準確復位
GB/T 12243—2005標準規定，空氣或其他氣體用安全閥的啟閉壓差△Pbl≤15%Ps。當回座壓力Pr越趨向于整定壓力Ps時，啟閉壓差△Pbl越小，安全閥回座時間越短，精度就越高，節約大量能源。
(1)本項目巧妙運用密封氣室和氣室面積差壓關系，通過計算機模擬動作設計和實驗室數據驗證，使流經活塞阻尼孔的介質在活塞上端產生的壓力在彈簧力作用下與活塞下端建立面積差壓動態平衡關系，隨介質壓力的超壓排放，實現安全保護閥復位準確和回座關閉。
(2)本產品在設計時利用活塞上下腔氣室動態平衡條件，實現啟閉壓差△Pbl精度調節。導閥回座時氣室平衡條件如圖3所示。
故：回座壓力Pr與整定壓力Ps的比值為設計所設定的導閥密封面積S密與閥桿面積S桿的比值。并由設定的導閥閥芯密封面積與閥桿面積的比值計算確定啟閉壓差值△Pbl≤10%Ps。因而復位準確，工作穩定可靠。
4.3 回座密封“零泄漏”
一般安全閥在出廠或剛使用時都符合國家通用閥門標準規定，但在天然氣工況現場超壓排放幾次就出現超壓排放工作困難，回座密封泄漏嚴重等現象，現場工人把這種現象稱為“超壓不能開啟、回座不能關閉”。
針對天然氣集輸裝置安全閥使用中存在的問題，在對其結構工作原理深刻剖析的基礎上采用了以下關鍵技術：
(1)主閥采用自緊式結構。如圖4．圖5所示，閥芯設計成圓柱臺階形，一是利于閥芯全行程開啟時限位；二是利于主閥輕便開啟。閥芯上部面積大于閥座密封面積，在設置壓力下，進口介質壓力越高，密封力越大，主閥閥芯閥座密封越可靠。主閥彈簧的作用只是復位和預緊力的實現。
(2)導閥設計成活塞迷宮阻尼結構，閥芯的密封面積遠小于活塞面積，較小彈簧力產生的密封比壓力就可滿足工作要求。
(3)主閥、導閥閥芯閥座采用硬軟雙質密封副。如圖6所示，閥芯底端內錐面與閥座凸臺錐面組成硬密封副，硬密封面堆焊stellite合金，并配對研磨，耐蝕、耐腐、耐沖刷，閥芯內腔硫化氟橡膠與閥座錐面凸臺端面組成軟密封副。閥芯底端嵌的軟密封墊，設計受力條件三相應力，滿足高壓力密封條件，底端內錐硬密封面，也是定位面，使軟密封材料始終在彈性范圍內工作。硬軟雙質密封副保證了氣體介質密封可靠，實現了安全閥回座密封“零泄漏”。使安全閥回座密封零泄漏這一長期存在的技術難點得到解決，通過靜壓試驗該閥啟閉1500次以上仍保證
回座密封“零泄漏”，真正達到人們所期望高效節能、安全可靠的目的。
4．4 性能指標
(1)排量系數的測試
由四川省產品質量監督檢驗所委托中國核動力研究設計院二所對即開式天然氣集輸專用安全保護閥進行排量測試，編號：(中心)2010號，排量系數Kd=0.835。
(2)性能參數型式試驗。
該閥型式試驗送機械工業通用機械產品檢測所測試，編號NO:2004FM450。整定壓力Ps=7.0MPa，按標準排放壓力Pd應≤7.7MPa，回座壓力應≥5.95MPa。
(3)性能指標
超過壓力：△Po
啟閉壓差：△Pbl≤10%Ps；
公稱壓力范圍：PN1.6～32.0MPa；
公稱通徑：DN25～DN200
密封泄漏率=0氣泡數/min
介質溫度：-46℃～220℃
排量系數：Kd=0.835
5.結束語
該項目針對天然氣工業需求而開發，拓新了傳統的設計理念和設計方法，形成了自己的特色。保障集輸裝置安全可靠運行，替代進口，促進國產裝備水平提高。可廣泛用于石油天然氣、化工、冶金等領域。先后被國家評為2001年國家重點新產品、2003．年國家火炬計劃、2005年國家技術創新基金項目。
目前在我國四川、陜甘寧、青海、新疆、大慶五大天然氣主產區油氣田管路集輸裝置采用，在四川天然氣礦區、“西氣東輸”工程各支線和站場、中奧合作廣東LNG液化天然氣項目、“陜-京”輸氣管線、“靖-西”管線、“忠-武”管線、中石油塔里木油田、澀北氣田產能建設、河北省天然氣利用工程、海南環島輸氣管線等國家重點工程上，替代進口產品，為國家節約了大量外匯支出。它的推廣和應用必將帶來巨大的經濟效益和社會效益。
上海蝶閥廠家-天沃，與您資料共享！
