一种大落差输油管道低洼处水击保护装置及方法

摘要

本发明涉及一种大落差输油管道低洼处水击保护装置及方法，装置由泄压罐体、罐体内一级泄压腔体、二级泄压腔体和三级泄压孔体构成，集高压原油传动泄压、弹性软管膨胀泄压、扩散孔体分段泄压等多种功能为一体，多级泄压消减了大落差输油管道在低洼处产生的巨大动压，防止水击压力波冲击泄压罐体；设计一级泄压腔体，腔体内油压带动活塞运动做功，原油压能转变为活塞动能，实现原油一级泄压；设计二级泄压腔体，腔体内弹性软管膨胀吸收一级泄压后原油的剩余水击能量，实现原油二级泄压；设计三级泄压扩散孔体，分阶段逐步释放原油冲击力，避免对泄压罐体产生冲刷破坏。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大落差输油管道低洼处水击保护装置及方法，属于原油、成品油长距离管输技术领域。

背景技术

长距离输油管道里程可达数千公里，在经过丘陵、山区等自然屏障时，依大落差地形敷设，导致管内原油流速和压力震荡、低洼处静压过高和动压过大，诱发水击并引起管道和设备振动，严重时造成管道、设备损坏，影响管道安全、平稳运行。

为了消减管输原油在大落差管段低洼处的水击能量，低洼处设置减压站，原油流入站内泄压储罐泄放压力波，避免下游管道系统强烈振动，同时，泄压储罐罐壁和底板承受高压原油的剧烈冲刷，易发生罐壁穿孔和罐底板断裂漏油等事故。

目前，国内外已公开发表的液体输送管道水击保护装置专利主要包括：

1.中国专利CN 101943284B公开了一种针对长输原油管道的水击保护泄压阀，具有高泄放能力、低泄放噪音、结构紧凑的特点，但是流经泄压阀的高压原油进入泄压储罐后，剧烈冲刷罐体，易发生罐壁穿孔等安全事故。

2.美国专利US 6102072发明了一种针对长输液体管道的水击保护止回阀，能够在水击压力波传递至管道设备前快速开关动作，但是该类水击保护阀门仅仅是控制管道与泄压储罐间的流通面积，并没有解决高压液体对泄压储罐的冲击破坏问题。

3.中国专利CN 107850270A提出了一种针对输水管道的水击缓解系统，管道上部开口与压力储罐连通，停泵时将压力储罐内的水向主管道内水流方向高压喷出，延缓管内水的逆流，减缓水击压力波对设备的冲击，然而对于输送原油类危险品的管道，如果采用管道-压力储罐型连接方法和泄压工艺，易发生管道断裂和原油泄漏等安全事故。

4.美国专利US 9353899B2设计了一种针对输水管道的水击识别和防护系统，通过压力储罐释放与水击压力波反方向的压力脉冲，消减水击压力波，该系统中压力储罐位于管道上部，管道上方开口与其连通，管道承受了压力储罐的载重负荷，易发生管道断裂，对于输送原油等危险品的管道，显然输水管道的水击保护工艺流程并不适用。

从以上公开专利检索结果可以看出已有水击保护装置存在的不足主要有：

1.国内外专利针对水击保护阀门的设计重点在于发生水击时提高阀门的开关动作速度，以便在管内液体水击波到达水击保护阀之前全开阀门，高压液体流经水击保护阀门通道进入储罐泄压，并没有解决高压液体对泄压储罐的冲击破坏问题。

2.国内外专利设计的水击保护系统主要针对长距离输水管线，通过释放压力储罐内液体，产生与水击压力波传播方向相反的压力波，消减水击压力，压力储罐通过在管道上部开口与管道连通，管道承受了压力储罐的载重负荷，易发生管道断裂，输水管道的水击保护工艺流程并不适用于输送原油等危险品的管道。因此，目前主要的输油管道水击保护手段仍然是储罐泄压，引起的主要问题是高压原油对泄压储罐的冲刷破坏。

3.现有的水击保护装置不具备多级泄压、小孔泄放、防高压液体冲刷破坏一体化的功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大落差输油管道低洼处水击保护装置及方法，从确保低洼处管段和水击保护系统安全、平稳运行的高度出发，进行水击保护装置的结构设计，提出合理的原油泄压方法，在泄压储罐消减管输原油压力时，避免高压原油对罐体的冲刷破坏。

本发明主要解决以下问题：

1.原油依次流经活塞带压腔体、弹性软管带压腔体、泄压扩散孔体，并伴随压力势能与动能、弹性势能的多级转换，实现三级泄压，消减原油水击能量；

2.不同的泄压腔体多次改变原油流动速度和泄放方向，有效分散原油对储罐罐壁和底板的冲刷，防止罐体受损；

3.水击保护装置遵循“多级泄压、分段泄放”的设计原则，模块化泄压腔体和泄放孔体单元，减少了部件数量，降低了制造难度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种大落差输油管道低洼处水击保护装置，包括第一压力变送器1、进口球阀2、进口截止阀3、管托4、出口截止阀5、出口球阀6、第二压力变送器7、第一法兰8、第二法兰9、泄压储罐10、一级泄压原油入口11、第一原油通道12、第二原油通道13、环形槽14、密封环15、活塞16、第一带压腔体17、第一圆柱壳体18、第三原油通道19、活塞冲程阻挡段110、环形腔体111、一级泄压原油出口112、二级泄压原油入口21、第二圆柱壳体22、第四原油通道23、第二带压腔体24、第一固定螺栓25、弹性小孔26、弹性软管27、二级泄压扩散孔体28、第二固定螺栓29、二级泄压原油出口210、三级泄压扩散孔体31、测控终端41、防水接线盒42、压力信号接收器43、低洼处上游进油管道51、低洼处下游出油管道52。

低洼处上游进油管道51依次顺序连接第一压力变送器1、进口球阀2、进口截止阀3、管托4，低洼处下游出油管道52依次顺序连接出口截止阀5、出口球阀6、第二压力变送器7，泄压储罐10与低洼处上游进油管道51、低洼处下游出油管道52连通，所述泄压储罐10内为顺序连接的第一泄压腔体A、第二泄压腔体B、第三泄压腔体C，所述第一泄压腔体A内，一级泄压原油入口11、第一原油通道12、第二原油通道13、第三原油通道19、一级泄压原油出口112依次连通，外侧为第一圆柱壳体18，所述第三原油通道19外侧为顺序连接的活塞16、第一带压腔体17、活塞冲程阻挡段110，所述活塞16内为环形槽14、密封环15，所述活塞冲程阻挡段110内为环形腔体111，所述第二泄压腔体B内，二级泄压原油入口21、第四原油通道23、二级泄压扩散孔体28、二级泄压原油出口210依次连通，外侧为第二圆柱壳体22，所述第二圆柱壳体22由第一固定螺栓25、第二固定螺栓29紧固，所述第四原油通道23外侧依次为弹性小孔26、弹性软管27、第二带压腔体24，所述第一泄压腔体A通过第一法兰8与第二泄压腔体B连接，所述第三泄压腔体C内为三级泄压扩散孔体31，所述第二泄压腔体B通过第二法兰9与第三泄压腔体C连接，所述第一压力变送器1、第二压力变送器7的压力信号线与压力信号接收器43连接，所述压力信号接收器43压力信号线与测控终端41连接，压力信号接收器43外侧为防水接线盒42。

所述的大落差输油管道低洼处水击保护装置，第一带压腔体17内适用氮气压力0.5MPa～5.2MPa，适用氮气温度5℃～75℃。

所述的大落差输油管道低洼处水击保护装置，活塞16采用金属陶瓷材料制成，净重5kg～75kg。

所述的大落差输油管道低洼处水击保护装置，第一泄压腔体A、第二泄压腔体B、第三泄压腔体C内原油通道系列直径范围100mm～375mm。

所述的大落差输油管道低洼处水击保护装置，第二带压腔体24内适用氮气压力0.5MPa～2.2MPa，适用氮气温度5℃～45℃。

所述的大落差输油管道低洼处水击保护装置，弹性软管27采用耐油橡胶材料制成。

所述的大落差输油管道低洼处水击保护装置，二级泄压扩散孔体28、三级泄压扩散孔体31系列孔径范围20mm～80mm。

低洼处高压原油泄压方法：

a、低洼处原油泄压开始：当压力信号接收器43监测到第一压力变送器1、第二压力变送器7之间压力差值大于设定压力阈值时，测控终端41执行全关出口截止阀5、全关出口球阀6、全开进口球阀2、全开进口截止阀3的命令，高压原油流入泄压储罐10；

b、低洼处原油一级泄压：第一泄压腔体A内，高压原油推动活塞16压缩第一带压腔体17内的氮气，原油压能转变为活塞动能，实现一级泄压；

c、低洼处原油二级泄压：第二泄压腔体B内，弹性软管27膨胀后吸收一级泄压后原油的剩余水击能量，带压原油通过二级泄压扩散孔体28逐段泄出，并沉积在泄压储罐10中，实现二级泄压；

d、低洼处原油三级泄压：第三泄压腔体C内，二级泄压后的部分带压原油沿三级泄压通道垂直下落，通过三级泄压扩散孔体31分阶段逐步释放原油冲击力，原油泄出后沉积在泄压储罐10中，实现三级泄压；

e、低洼处原油泄压结束：当压力信号接收器43监测到第一压力变送器1、第二压力变送器7之间压力差值小于设定压力阈值时，测控终端41执行全关进口球阀2、全关进口截止阀3，全开出口截止阀5、全开出口球阀6的命令，沉积原油流出泄压储罐10。

该发明的有益效果：

1.大落差输油管道低洼处水击保护装置由泄压罐体、罐体内部一级泄压腔体、二级泄压腔体及三级泄压孔体构成，集原油高压传动泄压、弹性软管膨胀泄压、扩散孔体分段泄压等多种功能为一体，保证输油管道系统安全、平稳运行；

2.大落差输油管道低洼处水击保护装置内设置一级泄压腔体，腔体内油压带动活塞运动做功，原油压力势能转变为活塞动能，实现原油一级泄压；

3.大落差输油管道低洼处水击保护装置内设置二级泄压腔体，腔体内弹性软管膨胀吸收一级泄压后原油的剩余水击能量，实现原油二级泄压；

4.大落差输油管道低洼处水击保护装置内设置三级泄压腔体，泄压扩散孔体分阶段逐步释放原油冲击力，实现原油三级泄压。

5.大落差输油管道低洼处水击保护装置遵循“多级泄压、分段泄放”的原则，，消减原油水击能量，有效分散高压原油对储罐罐壁和底板的冲刷，避免罐体受损。

附图说明

图1是本发明实施例中水击保护装置在大落差输油管道低洼处布置的示意图。

图2是本发明实施例中水击保护装置结构示意图。

图3是本发明实施例中一级泄压腔体内活塞位于下止点的结构示意图。

图4是本发明实施例中一级泄压腔体内活塞位于上止点的结构示意图。

图5是本发明实施例中二级泄压腔体内弹性软管收缩的结构示意图。

图6是本发明实施例中二级泄压腔体内弹性软管膨胀的结构示意图。

图7是本发明实施例中三级泄压扩散孔体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

实施例

本实施例中，图1为水击保护装置在大落差输油管道低洼处布置的示意图。相邻输油站场间管道长度205km，设计年输量2000×10⁴t，设计压力10MPa，管径813mm，落差高达1800m，低洼处静压可达到17.7MPa，布置上下游压力监测系统和减压站，实时监测原油压力并通过站内水击保护装置对原油泄压，减缓原油压力波对低洼处管道和设备的冲击，保证输油管道安全、平稳运行。

图2为水击保护装置结构示意图。包括第一压力变送器1、进口球阀2、进口截止阀3、管托4、出口截止阀5、出口球阀6、第二压力变送器7、第一法兰8、第二法兰9、泄压储罐10、一级泄压原油入口11、第一原油通道12、第二原油通道13、环形槽14、密封环15、活塞16、第一带压腔体17、第一圆柱壳体18、第三原油通道19、活塞冲程阻挡段110、环形腔体111、一级泄压原油出口112、二级泄压原油入口21、第二圆柱壳体22、第四原油通道23、第二带压腔体24、第一固定螺栓25、弹性小孔26、弹性软管27、二级泄压扩散孔体28、第二固定螺栓29、二级泄压原油出口210、三级泄压扩散孔体31、测控终端41、防水接线盒42、压力信号接收器43、低洼处上游进油管道51、低洼处下游出油管道52。

低洼处上游进油管道51依次顺序连接第一压力变送器1、进口球阀2、进口截止阀3、管托4，低洼处下游出油管道52依次顺序连接出口截止阀5、出口球阀6、第二压力变送器7，泄压储罐10与低洼处上游进油管道51、低洼处下游出油管道52连通，所述泄压储罐10内为顺序连接的第一泄压腔体A、第二泄压腔体B、第三泄压腔体C，所述第一泄压腔体A内，一级泄压原油入口11、第一原油通道12、第二原油通道13、第三原油通道19、一级泄压原油出口112依次连通，外侧为第一圆柱壳体18，所述第三原油通道19外侧为顺序连接的活塞16、第一带压腔体17、活塞冲程阻挡段110，所述活塞16内为环形槽14、密封环15，所述活塞冲程阻挡段110内为环形腔体111，所述第二泄压腔体B内，二级泄压原油入口21、第四原油通道23、二级泄压扩散孔体28、二级泄压原油出口210依次连通，外侧为第二圆柱壳体22，所述第二圆柱壳体22由第一固定螺栓25、第二固定螺栓29紧固，所述第四原油通道23外侧依次为弹性小孔26、弹性软管27、第二带压腔体24，所述第一泄压腔体A通过第一法兰8与第二泄压腔体B连接，所述第三泄压腔体C内为三级泄压扩散孔体31，所述第二泄压腔体B通过第二法兰9与第三泄压腔体C连接，所述第一压力变送器1、第二压力变送器7的压力信号线与压力信号接收器43连接，所述压力信号接收器43压力信号线与测控终端41连接，压力信号接收器43外侧为防水接线盒42。

第一泄压腔体A内包括第一活塞泄压单元A1和第二活塞泄压单元A2，A1和A2具有完全相同的结构和布置，原油流经A1、A2后完成一级泄压；第二泄压腔体B内包括第一弹性软管泄压单元B1和第二弹性软管泄压单元B2，B1和B2具有完全相同的结构和布置，原油流经B1、B2后完成二级泄压；第三泄压腔体C包括第一泄压扩散孔体单元C1和第二泄压扩散孔体单元C2，C1和C2具有完全相同的结构和布置，原油流经C1、C2后完成三级泄压；第一泄压腔体A、第二泄压腔体B、第三泄压腔体C内原油通道系列直径范围100mm～375mm，D为低洼处上下游压力监测单元。

图3为一级泄压腔体A内活塞位于下止点的结构示意图。活塞16位于第一带压腔体17的下止点，此时原油尚未流入一级泄压原油入口11，未执行一级泄压操作，第一带压腔体17内适用氮气压力0.5MPa～5.2MPa，适用氮气温度5℃～75℃，活塞16采用金属陶瓷材料制成，净重5kg～75kg。

图4为一级泄压腔体A内活塞位于上止点的结构示意图。低洼处原油通过一级泄压原油入口11进入第一原油通道12，随后进入流通面积更大的第二原油通道13，原油流速降低，推动第一带压腔体17内位于下止点的活塞16运动至上止点，与活塞冲程阻挡段110接触并停止运动，环形槽14内的密封环15可以减少活塞16的运动阻力，活塞16运动过程中伴随着氮气压缩至环形腔体111，原油压力势能转变为活塞16的动能，泄压后的原油从一级泄压原油出口112流出。

图5为二级泄压腔体内弹性软管收缩的结构示意图。第二带压腔体24内弹性软管27处于收缩状态，此时原油尚未流入二级泄压原油入口21，未执行二级泄压操作，第二带压腔体24内适用氮气压力0.5MPa～2.2MPa，适用氮气温度5℃～45℃，弹性软管27采用耐油橡胶材料制成。

图6为二级泄压腔体内弹性软管膨胀结构的示意图。经过一级泄压的原油通过二级泄压原油入口21进入第四原油通道23，随后部分原油通过弹性小孔26进入第二带压腔体24，腔体内弹性软管27膨胀吸收一级泄压后原油的剩余水击能量，原油压力势能转变为弹性软管27的弹性势能，部分原油经过二级泄压扩散孔体28泄放并沉积至泄压储罐10内，其余泄压后的原油从二级泄压原油出口210流出。

图7为三级泄压扩散孔体结构示意图。经过二级泄压的原油通过三级泄压扩散孔体31泄放至泄压储罐10内，三级泄压扩散孔体31沿原油流压减小方向逐渐减小孔径，分阶段有序释放原油冲击力，避免对泄压罐体产生冲刷破坏。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，可做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明保护范围。