姚恒洋，王振伍，楊乾坤，韓碩

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

隨著我國對天然氣需求的不斷增加，國內建立了大型天然氣集輸管網，但在天然氣集輸過程中面臨著壓力高，風險大的問題。如何有效保護設備、人員及平臺安全，已成為設計中面臨的重要問題。

安全閥（PSV）對管道的壓力保護作用已得到了較廣泛的認可。但在事故發(fā)生時，安全閥僅能將系統(tǒng)壓力控制在起跳壓力和最大允許積聚壓力范圍內，無法對設備或管道起到主動泄壓的作用，從而無法主動降低設備或管道的應力，也不能防止非潤濕表面由于局部過熱超過材料應力極限而破裂，泄壓系統(tǒng)能夠有效填補這一不足[1]。泄壓系統(tǒng)在海洋石油平臺，特別是高壓氣田得到了廣泛應用。

典型的泄壓系統(tǒng)由泄放閥（BDV）、孔板（RO）等組成，如圖1所示。其主要用于在規(guī)定的時間內，將壓力容器的壓力降到安全范圍。當發(fā)生火災觸發(fā)火氣報警時，BDV打開，通過孔板降壓后進入火炬系統(tǒng)；但在泄壓過程中，由于焦耳湯姆遜效應，孔板下游可能產生低溫，該低溫將傳導到孔板上游，甚至到達BDV。如果到達BDV的溫度在0℃以下，BDV閥體有可能結冰，這將導致在泄壓完成后，無法關閉BDV，嚴重影響B(tài)DV再次使用，影響平臺安全。因此必須在孔板和BDV設計足夠長的短接，通常選取500mm，以增加孔板上下游的溫度，保證BDV泄放安全。

圖1 典型泄放系統(tǒng)

本文主要通過建立熱傳導模型，研究孔板（RO）和BDV之間500mm的距離是否足以保證上游管線及BDV不結冰，保證平臺泄放安全的問題。

1 建立熱傳導模型

孔板下游的低溫氣體一般具有非常高的流速，這將導致管線內壁具有非常高的傳熱系數(shù)，因此孔板下游管線的管壁溫度將很快會和內部氣體溫度相同，同時低溫也將向BDV傳遞。在傳遞過程中，低溫流體將和BDV與孔板之間的流體以及大氣進行熱量中和，由于BDV與孔板之間的流體的流動速度較快，熱量主要來自于工藝系統(tǒng)，因此該部分換熱屬于強制換熱；而與大氣的換熱與大氣溫度有關，大氣溫度與泄壓低溫之間是相互獨立的，該部分換熱可視為自由換熱，該部分的換熱系數(shù)和內部強制換熱相比，換熱系數(shù)非常小。

對于管線的溫度分布主要依據能力守恒定律進行計算，圖2給出了計算的邊界條件。

圖2 邊界條件

2 工況研究

2.1材料變級位置研究

在壓力等級為600磅，操作溫度為50℃下，當壓力罐進行壓力泄放時，BDV和孔板的管線尺寸為20英寸（內徑為500mm，外徑為525mm），通過泄壓計算，泄放量為10000kg/h，泄放流體密度為10kg/m3，設備的低溫為-25℃，孔板下游的低溫為-100℃。

不同材料所能承受的低溫如下：普通碳鋼：設計溫度＞-29℃；低溫碳鋼：設計溫度＞-46℃；不銹鋼：設計溫度＞-105℃；

依據以上標準，一般情況，壓力設備選用碳鋼，泄放管線選用不銹鋼，泄放簡圖如圖3所示：

圖3 BDV泄放簡圖

表1中列出了不同工況，主要考慮了管線的內部和外部不同傳熱工況，x為孔板上游的低溫傳遞距離?？諝鉁囟劝?℃考慮，根據公式（7）計算結果如表1所示，根據計算結果表明，當孔板下游泄放溫度為-100℃時，低溫向上游傳遞，工況3最為保守，只考慮了管線外部傳熱，因為外部大氣的溫度比較低，僅為5℃，所以管道內部流體接受外部傳熱最小，孔板向其上游傳遞的低溫最遠，傳遞到384mm處的溫度為-29℃，所以目前設計中止回閥和孔板的距離為500mm，碳鋼和不銹鋼變級的位置選取可以滿足設計低溫要求。

表1 計算結果

2.2 外界溫度t以及傳熱系數(shù)m對BDV和孔板間距離的影響

為了保證泄放安全和BDV安全復位，一般到達BDV不應低于0℃，如果低于0℃，管道和BDV閥將出現(xiàn)結冰，導致BDV泄放后無法復位，影響系統(tǒng)安全。根據不銹鋼和低溫碳鋼的最低耐受溫度分別為-105℃和-46℃，當大氣溫度或管道內流體溫度分別為5℃、10℃、20℃、50℃時，低溫距離（x）和m的關系如圖4所示。圖4(a)顯示了不銹鋼作為低溫管線（x）和m的關系；當流體溫度為50℃，m小于2時，應關注泄放閥（BDV）的低溫問題，為了保證BDV處不結冰，適當增加管線長度。當流體溫度為20℃時，m小于4時，應關注泄放閥（BDV）的低溫問題，為了保證BDV處不結冰，適當增加管線長度。流體溫度為10℃、m小于5時，應關注泄放閥（BDV）的低溫問題，為了保證BDV處不結冰，適當增加管線長度。流體溫度為5℃、m小于6時，且外界溫度較低時，應關注泄放閥（BDV）的低溫問題，為了保證BDV處不結冰，應采取一定措施，可根據計算結果適當增加管線長度。

圖4(b)顯示了低溫碳鋼作為低溫管線（x）和m的關系；當流體溫度為50℃、m小于1.7時，應關注泄放閥（BDV）的低溫問題，為了保證BDV處不結冰，適當增加管線長度。流體溫度為20℃、m小于4時，應關注泄放閥（BDV）的低溫問題，為了保證BDV處不結冰，適當增加管線長度。流體溫度為10℃、m小于3.5時，應關注泄放閥（BDV）的低溫問題，為了保證BDV處不結冰，適當增加管線長度。流體溫度為5℃、m小于5時，且外界溫度較低時，應關注泄放閥（BDV）的低溫問題，為了保證BDV處不結冰，應采取一定措施，可根據計算結果適當增加管線長度。

圖4 x和m之間的關系

綜上所述，無論選擇不銹鋼還是低溫碳鋼，當m小于5時，應該重點評估低溫傳遞對BDV以及管線帶來的安全影響，可采取適當增加保溫伴熱或者適當增加管線長度等措施。

3 結語

（1）一般情況下，在設備正常操作溫度下發(fā)生泄放，孔板和BDV之間距離為500mm能夠保證泄放管線和BDV不結冰，能夠實現(xiàn)安全泄放；但是當大氣溫度或管道內流體溫度極低，且系數(shù)m小于5的情況下，應該進行詳細計算或采取伴熱等措施。

（2）該傳熱計算模型可適用于多種工況，例如：壓力安全閥泄放時出口低溫，并且出口管線材質為不銹鋼，保守情況下火炬管匯也應選擇不銹鋼，在此情況下可根據模型計算，適當優(yōu)化管線材質設計；對于利用壓力安全閥進行手動泄壓的情況，也可利用本模型進行球閥和globe閥之間距離的計算；對于工藝設備進行緊急排液時，如果globe閥出現(xiàn)液相閃蒸導致低溫，同時保證globe閥上游的球閥的可操作性時，也可根據本模型進行計算。

◆參考文獻

[1] 劉玉強. 液化烴儲罐泄壓系統(tǒng)泄放量的計算方法[J].油氣儲運，2016，35(6)：612-616.