国产迷宫阀在海洋石油生产中的成功应用
海上石油平台在生产过程中，为满足生产工艺和消防要求，需要将海水升压后进入工艺系统和消防系统然后减压排入海中。在排海过程中，由于前后压差大，对阀门要求苛刻。通过选用国产迷宫阀替代单座角阀和调节阀，满足了生产需求，节约了采购和维修成本。
海洋石油在开发过程中，由于离陆岸较远，一般采取建海上石油平台或者油轮进行开发生产。在进行油气水处理过程中，经常需要冷、热媒进行工艺交换或注水开采，同时为满足安全生产需求，平台上需要建立完善的水消防系统。为减少投资和便于操作，海水是理想的换热介质。海水通过升压后，进入工艺系统，给处理工艺系统提供源源不断的冷热交换载体，海水吸收了热源或冷源后再排入海中，形成一个开式循环。同时，为满足湿式消防系统的要求，在水消防管网中充满海水并保压，多余的海水也需排入海中。因此，减压排海设备的性能决定了系统压力的稳定。本文通过总结以往减压设计的基础上，大胆创新，探讨了海上平台海水排海技术，将新技术应用于新建平台。
1、单座角阀节流减压原理及特点
海水系统压力控制通常采用多级减压的工艺设计流程，即采用一个常规控制阀和两个单座角阀组成的串联控制来实现管线压力稳定及减压排放。为了保持系统压力稳定，需要通过安装在工艺流程上的控制阀和角阀将部分海水直接排放到大海中。
1.1、角阀节流减压原理
单座阀都是通过改变阀芯阀座的节流面积而调节压力和流量，也就是等熵流动过程。在这个过程中，在节流面积最小处的下游会出现一个流速最大，压力最低位置，在这个位置上的流体压力如果低于饱和蒸汽压力，液体就会气化，产生空化现象。而在后面压力恢复的过程中，流体压力再次高于饱和蒸汽压力产生的气泡破裂，发生气蚀，从而产生的后果非常严重。不仅阀门噪音急剧增大，振动剧烈，而且极有可能引发管道共振，发生安全事故，如图1所示。
图1 单座阀减压节流原理
1.2、特点
由于阀门前后压差大，在阀门内部形成空化和气蚀，造成控制阀和角阀振动和噪音增大，调节性能下降，严重的可直接导致阀门内件损坏或报废。使用控制阀和单座阀作为排放阀时，主要存在的问题有：
(1)排放时由于阀门前后压差大，存在气蚀，噪音大大超过环保要求的允许值。
(3)维护频繁。因气蚀和振动，阀门内件容易损坏，维修人员要不停地进行维修。
(4)缩短了阀门使用寿命。由于压差大、流速高，介质对内件的冲刷和腐蚀严重，导致阀门使用寿命缩短。
由于以上原因，以往项目在采购过程中，一直依赖国外产品，且要求的材质非常高，造成采购费用高、周期长、限制多，维护非常不便。
2、迷宫阀节流减压原理及特点
2.1、迷宫阀节流减压原理
迷宫阀通过采用迷宫芯包内件，通过流体在迷宫内部耗能减压，建立一个等焓流动过程。迷宫阀的芯包内件是由多个迷宫盘片组成的并具有独特结构的减压内件，通过多级减压，它能极好地将介质的流速限制在较低的数值上，从而使阀门在没有气蚀和高噪声的状态下运行。迷宫内件的每一个迷宫盘片都需要经过精心计算，确定设计流道，根据工况条件计算得出的多个尖锐直角、转角所组成。当阀芯在迷宫芯包内移动时，流体受到节流并迫使其流过极其曲折的途径，而每个转角就起一级降压的作用。由于流道具有许多尖锐转角和连续扩张的流径，在逐级膨胀的过程中消耗了流体的动能，降低了流体压力，从而避免了产生噪声。如图2所示。
图2 迷宫阀减压节流原理
2.2、迷宫阀减压特点
对液体流而言，迷宫阀可有效地消除气蚀，并避免对阀门、内件以及下游管道的破坏。迷宫阀解决了高压差工况下流体不稳定、噪声大、振动大、阀内件寿命短等难题。流体的流动速度是产生冲刷的主要原因，冲刷的速率将以流体速度的3至4次方而变化，因此，合理控制流体速度对于减小冲刷带来的阀门内件损坏是至关重要的。迷宫调节阀可提供多达60级的减压结构，可充分控制每级的降压量和流体流速，确保介质在阀芯内流速稳定并保持在一个合适的范围内，极大地减小甚至消除高速介质对内件的冲刷和侵蚀，大大延长阀门的使用寿命。迷宫芯包的特殊结构型式带来的另一个好处是密封面和节流分别设置，充分保护密封面不被介质冲刷和侵蚀，密封面采用带有经过计算和实践检验的有角度差的锥面密封结构，简单并易于密封，可修复性强，泄漏量小，如图3所示。
图3 迷宫阀内部结构
3、单座阀和迷宫阀性能对比
表1 单座阀和迷宫阀性能对比
通过对比可以看出，迷宫阀由于采用了迷宫内件，介质在阀内的流速基本不变，消除了闪蒸、气蚀、振动和噪声，大大延长了阀内件的使用寿命和可靠性。
采用迷宫式多级降压有如下优势：
(1)降低流经阀内件的流体速度;
(2)防止液体产生气蚀;
(3)降低高压差流体所产生的噪声;
(4)延长阀内件使用寿命;
(5)迷宫盘片设计较薄、调节性能好，可精密控制流量;
(6)阀芯、阀座设计成线接触密封，关闭性能好。
4、国产迷宫阀的首次使用
由于国外迷宫阀价格昂贵，且交货周期很长。国内迷宫阀价格相对便宜，交货期较短，可以满足项目进度要求。因此，在南海某油田开发项目中，项目组通过对国内迷宫阀生产厂家的调研及技术论证，认为国内生产的的迷宫阀产品经适当改进后可以满足海上油田海上排海工艺的要求。本项目首次采用一个迷宫阀代替一个控制阀和两个角阀的方案，如图4所示。该方案工艺流程简单，工艺配管占用面积少，操作方便，通过减压、降速，有效地消除气蚀、冲刷，降低振动和噪声，满足了注水工艺和排放要求。在油田开发生产期内，延长了阀门使用寿命，大大降低了阀门采购和维护费用，可节省成本约400万元。
图4 海水排海管线工艺流程
5、总结
迷宫阀首次在南海某油田开发项目阶段设计并采用，从平台投产至今，流程的振动和噪声明显减小，各项性能满足设计要求，现场人员反映产品质量稳定，使用效果良好。
本项目的成功应用说明，国产迷宫阀在海上油田海水排海工艺中可满足工况要求，简化工艺设置，减少设备数量，节省平台空间，降低了成本，安全性能进一步提高，在同类油田开发中具有推广应用价值。
