FPSO 船体管路系统压力泄放阀的计算与选型

2020-05-11 09:35胡小林陆响晖

船舶 2020年2期

胡小林陈雷陆响晖

（中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011）

引言

浮式生产储油卸油装置（FPSO），是对开采的石油进行油气分离、处理含油污水、原油产品的储存和运输，集人员居住与生产指挥系统于一体的综合性大型海上油气生产基地。与其他形式石油生产平台相比，FPSO 具有抗风浪能力强、适应水深范围广、储/卸油能力大，以及可转移、重复使用的优点，广泛适合于远离海岸的深海、浅海海域及边际油田的开发，已成为海上油气田开发的主流生产方式。［1-2］

FPSO 按功能分为两个大的功能模块，即船体（HULL）和上部模块（TOPSIDE），油气生产及处理等石化功能由上部模块完成，船体部分作为上部模块的承载平台，完成定位、转场、储油卸油、含油污水排放、人员居住及生产指挥等功能。二者相辅相成，共同完成海上油气生产的任务［1-2］。船体还要为上部模块提供油、水、气甚至甲醇、石蜡抑制剂等基本生产要素，确保生产的正常连续进行。

因此，维持输送管路中不同介质各自的压力，确保整船用户在各自允许的各种介质压力范围内运行就显得尤为重要，既不能超压，也不能欠压（低于要求的最低压力）。欠压产生的原因有设备故障、管路泄漏等，此处不做讨论；超压产生的原因有减压阀故障、管路出口堵塞、热膨胀、火灾等。目前，防止管路超压的管路附件基本上都采用压力泄放阀，通过将多余的压力释放到安全区域来达到保护管路及设备的目的。

压力泄放阀的选择必须经过严格的计算，以便选择最合适的规格。如果选大了，不仅不经济，还会造成频繁起跳；如果选小了，则会存在重大的安全隐患，对于FPSO 甚至会造成严重的安全事故。

SBM FPSO 是上海外高桥造船有限公司为荷兰SBM OFFSHORE 建造的当前世界最大吨位的新型海上浮式生产储卸装置。该型FPSO 总长333 m、型宽60 m、型深32.8 m、吃水深度25 m，最大储油量200 万桶，入级法国船级社。该型FPSO 船体用途广泛、适应性强，未来有望成为世界FPSO 市场的主力。［3］

本文以SBM FPSO 船体管路系统为例，介绍船体管路系统压力泄放阀的计算及选型。

1 压力泄放阀简介

压力泄放阀是靠阀门前的静压力动作，在紧急情况或非正常情况下开启，以防止设备/管路内流体压力超过设定压力的管路附件。压力泄放阀分为弹簧加载式压力泄放阀、导阀控制式压力泄放阀，前者又分为泄放阀、安全阀、安全泄放阀、常规式压力泄放阀、平衡式压力泄放阀。［4］

其中，泄放阀主要用于不可压缩流体，安全阀通常用于可压缩流体，安全泄放阀是既可作为安全阀又可作为泄放阀使用的弹簧加载式压力泄放阀。［4］

弹簧加载式压力泄放阀按开启高度又分为全启式、微启式和中启式［5-7］。全启式压力泄放阀是到设定压力时一次性开启到位，多用于可压缩流体；微启式压力泄放阀是在达到设定压力后按实际的超压情况决定开度，多用于不可压缩流体。

为确保SBM FPSO 管路系统的绝对安全，压力泄放阀全部采用全启式。

2 计算及选型

SBM FPSO 船体管路中的介质既有可压缩流体，也有不可压缩流体，涉及到压力泄放阀的有海水系统、淡水系统、燃油系统、氮气系统、压缩空气系统以及仪表空气系统等，安装位置有管路和压力容器。压力泄放阀选型时考虑的主要参数是有效排出面积。

2.1 计算需要考虑的因素

2.1.1 超压

从单个偶发事故到复杂的综合事故都可能成为超压的原因，FPSO 船体管路系统涉及到超压的主要原因有管路出口堵塞、压力控制阀失效、热膨胀、火灾等［8］。不是所有的情况都同时发生，因此，压力泄放阀应根据在一种或几种情况下所需要的最大泄放量来确定尺寸。［4］

2.1.2 背压

压力泄放阀出口总的背压包括积聚背压和叠加背压，叠加背压又分为持续叠加背压和瞬时叠加背压。积聚背压是压力泄放阀开启后由流体阻力形成的压力，叠加背压是压力泄放阀开启前出口的静压［7］。压力泄放阀的计算和选型时必须对背压予以考虑。

2.2 用于可压缩流体的计算及选型

SBM FPSO 船体管路介质涉及到压力泄放阀的可压缩流体有氮气、压缩空气和仪表空气等。

用于可压缩流体的压力泄放阀有效排出面积按式（1）［10］或式（2）［10］计算：

临界流动时：

亚临界流动时：

介质处于临界流动还是亚临界流动，要依据式（3）［11］和式（4）［11］来判定：

临界流动：

亚临界流动：

式中：A为泄放阀所需的有效排出面积，mm2；W为需要通过泄放阀的流量，kg/h；C为标准条件下由介质比热比确定的系数；Kd为有效排出系数，取0.975；P1为阀前泄放压力，kPa（a）；Kb为背压校正系数，从制造商获得；Kc为组合校正系数，此处取1；T为入口处介质的泄放温度，K；Z为压缩系数；M为介质的相对分子质量；F2为亚临界流动系数；P2为背压，kPa（a）；k为比热比。

2.2.1 安装于管路的压力泄放阀计算及选型

FPSO 惰气发生器产生惰气用于货油舱空气惰化，确保货油舱空气含氧量远离爆炸极限，惰气发生器发生故障会直接影响油气生产。在惰气发生器的燃气供应单元停止工作后，需要及时将单元内的燃气驱除，SBM FPSO 上的惰气发生器采用氮气驱气，燃气供应单元驱气工作压力0.5～0.7 MPa（g），氮气总管压力1.05 MPa（g），为此，在燃气供应单元驱气进口增加1.05 MPa（g）→0.7 MPa（g）减压阀组，配整定压力0.77 MPa（g）的安全阀，供气管路外径60.3 mm，壁厚8.74 mm。由系统（如图1）可以判定管路最大超压为减压阀失效。

图 1 氮气减压阀组

由k=1.4 得

安全阀泄放压力

P1=（7.7×1.1 + 1.013）= 0.948 3 MPa（a）

安全阀出口直接透大气，没有叠加背压，因管路较短，积聚背压很小，忽略不计，安全阀出口背压P2取大气压力0.101 3 MPa（a），P2/P1=0.106 8。因此，

介质处于临界流动。

减压阀失效时的最大泄放量为186.25 kg/h，取该数值为最终的计算数据，可得该安全阀要求的有效排出面积为：

SBM FPSO 建造规格书要求按照API 标准选择安全阀，该标准中最小一档的安全阀额定有效排出面积为70.968 mm2，尺寸选择1D2［13］，该型安全阀的额定泄放量为526.8 kg/h。

2.2.2 安装于压力容器的压力泄放阀计算及选型FPSO 仪表空气也是全船重要的生产用流体，它控制着全船的电磁阀、防火风闸、快关阀、遥控阀等重要部件，是保证全船设备正常自动化运行必不可少的介质，也是安保系统正常运行的保障。

SBM FPSO 共有4 个仪表空气瓶，容量30 m3（2 848 mm×5 388 mm），工作压力1.2 MPa（g），工作温度45℃，保证充足合格的仪表空气供全船用户使用。由于仪表空压机出口自带压力开关，一旦超压会自动停机，而且，空气瓶上均有压力传感器，一旦超压就会输出报警，再者，空气瓶出口管路上也有压力传感器，一旦超压会直接指令仪表空压机停机，为此，空气瓶不会因为空压机过度运行而超压。在此情况下，空气瓶最大的超压发生在火灾时。

安全阀的排放直接通过烟囱顶排大气，如图2所示。

火灾时安全阀有效排出面积按式（5）［14］计算：

式中：A为阀门的有效排放面积，mm2；A′为容

器暴露在火中的面积，mm2；P1为阀前泄放压力，kPa（a）；F′为绝热系数，按式（6）［14］计算。

式中：Tw为容器壁失效温度，取866.15K；T1为泄放压力下气体的温度，K；Kd为泄放系数，取0.975；C为标准条件下由介质比热比确定的系数。

需要通过安全阀的流量W按式（7）［11］计算：

由此，

需要通过泄放阀的流量为：

按API 标准选择安全阀，该标准中比477.16 mm2大的第一档安全阀额定有效排出面积为506.451 mm2，尺寸选择2H3［12］，该型安全阀的额定泄放量为5 268.1×506.451/477.16 kg/h = 5 591.49 kg/h。

2.3 用于不可压缩流体的计算及选型

SBM FPSO 船体管路介质涉及到压力泄放阀的不可压缩流体有淡水、海水和燃油等。

用于不可压缩流体的压力泄放阀有效排出面积按式（8）［10］计算：

式中：A为阀门的有效排放面积，mm2；Q为需要通过泄放阀的流量，L/min；Kd为有效排出系数，无厂商资料时取0.65；Kw为背压校正系数，取1；Kc为组合校正系数，取1；Kv为粘度校正系数，第一次试算时取1；Gl为介质比重；P1为泄放压力，kPa（a）；P2为背压，kPa（a）。

粘度校正系数计算时按式（9）计算，式（9）中的雷诺数按式（10）［10］计算：

式中：Re为雷诺数；μ为介质粘度，cP。

2.3.1 减压阀失效时的计算及选型

SBM FPSO 高倍泡沫用于机械处所（机舱）的灭火，其水源来自于船上的消防环管（外径273 mm，壁厚9.73 mm），但是，消防环管的压力加上静压大约要达到1.2 MPa（g），而高倍泡沫的比例混合器的工作压力为1.0 MPa（g）、设计压力为1.6 MPa（g），为此，在比例混合器的进口设置一个减压阀，同时，在减压阀后设置一个泄放阀，确保减压阀失效后比例混合器的进口水压不超过其设计压力（参见图3）。