胡小林 陳 雷 陸響暉

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置（FPSO），是對開采的石油進(jìn)行油氣分離、處理含油污水、原油產(chǎn)品的儲存和運(yùn)輸，集人員居住與生產(chǎn)指揮系統(tǒng)于一體的綜合性大型海上油氣生產(chǎn)基地。與其他形式石油生產(chǎn)平臺相比，F(xiàn)PSO 具有抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、適應(yīng)水深范圍廣、儲/卸油能力大，以及可轉(zhuǎn)移、重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，廣泛適合于遠(yuǎn)離海岸的深海、淺海海域及邊際油田的開發(fā)，已成為海上油氣田開發(fā)的主流生產(chǎn)方式。［1-2］

FPSO 按功能分為兩個(gè)大的功能模塊，即船體（HULL）和上部模塊（TOPSIDE），油氣生產(chǎn)及處理等石化功能由上部模塊完成，船體部分作為上部模塊的承載平臺，完成定位、轉(zhuǎn)場、儲油卸油、含油污水排放、人員居住及生產(chǎn)指揮等功能。二者相輔相成，共同完成海上油氣生產(chǎn)的任務(wù)［1-2］。船體還要為上部模塊提供油、水、氣甚至甲醇、石蠟抑制劑等基本生產(chǎn)要素，確保生產(chǎn)的正常連續(xù)進(jìn)行。

因此，維持輸送管路中不同介質(zhì)各自的壓力，確保整船用戶在各自允許的各種介質(zhì)壓力范圍內(nèi)運(yùn)行就顯得尤為重要，既不能超壓，也不能欠壓（低于要求的最低壓力）。欠壓產(chǎn)生的原因有設(shè)備故障、管路泄漏等，此處不做討論；超壓產(chǎn)生的原因有減壓閥故障、管路出口堵塞、熱膨脹、火災(zāi)等。目前，防止管路超壓的管路附件基本上都采用壓力泄放閥，通過將多余的壓力釋放到安全區(qū)域來達(dá)到保護(hù)管路及設(shè)備的目的。

壓力泄放閥的選擇必須經(jīng)過嚴(yán)格的計(jì)算，以便選擇最合適的規(guī)格。如果選大了，不僅不經(jīng)濟(jì)，還會造成頻繁起跳；如果選小了，則會存在重大的安全隱患，對于FPSO 甚至?xí)斐蓢?yán)重的安全事故。

SBM FPSO 是上海外高橋造船有限公司為荷蘭SBM OFFSHORE 建造的當(dāng)前世界最大噸位的新型海上浮式生產(chǎn)儲卸裝置。該型FPSO 總長333 m、型寬60 m、型深32.8 m、吃水深度25 m，最大儲油量200 萬桶，入級法國船級社。該型FPSO 船體用途廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)，未來有望成為世界FPSO 市場的主力。［3］

本文以SBM FPSO 船體管路系統(tǒng)為例，介紹船體管路系統(tǒng)壓力泄放閥的計(jì)算及選型。

1 壓力泄放閥簡介

壓力泄放閥是靠閥門前的靜壓力動作，在緊急情況或非正常情況下開啟，以防止設(shè)備/管路內(nèi)流體壓力超過設(shè)定壓力的管路附件。壓力泄放閥分為彈簧加載式壓力泄放閥、導(dǎo)閥控制式壓力泄放閥，前者又分為泄放閥、安全閥、安全泄放閥、常規(guī)式壓力泄放閥、平衡式壓力泄放閥。［4］

其中，泄放閥主要用于不可壓縮流體，安全閥通常用于可壓縮流體，安全泄放閥是既可作為安全閥又可作為泄放閥使用的彈簧加載式壓力泄放閥。［4］

彈簧加載式壓力泄放閥按開啟高度又分為全啟式、微啟式和中啟式［5-7］。全啟式壓力泄放閥是到設(shè)定壓力時(shí)一次性開啟到位，多用于可壓縮流體；微啟式壓力泄放閥是在達(dá)到設(shè)定壓力后按實(shí)際的超壓情況決定開度，多用于不可壓縮流體。

為確保SBM FPSO 管路系統(tǒng)的絕對安全，壓力泄放閥全部采用全啟式。

2 計(jì)算及選型

SBM FPSO 船體管路中的介質(zhì)既有可壓縮流體，也有不可壓縮流體，涉及到壓力泄放閥的有海水系統(tǒng)、淡水系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、氮?dú)庀到y(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)以及儀表空氣系統(tǒng)等，安裝位置有管路和壓力容器。壓力泄放閥選型時(shí)考慮的主要參數(shù)是有效排出面積。

2.1 計(jì)算需要考慮的因素

2.1.1 超壓

從單個(gè)偶發(fā)事故到復(fù)雜的綜合事故都可能成為超壓的原因，F(xiàn)PSO 船體管路系統(tǒng)涉及到超壓的主要原因有管路出口堵塞、壓力控制閥失效、熱膨脹、火災(zāi)等［8］。不是所有的情況都同時(shí)發(fā)生，因此，壓力泄放閥應(yīng)根據(jù)在一種或幾種情況下所需要的最大泄放量來確定尺寸。［4］

2.1.2 背壓

壓力泄放閥出口總的背壓包括積聚背壓和疊加背壓，疊加背壓又分為持續(xù)疊加背壓和瞬時(shí)疊加背壓。積聚背壓是壓力泄放閥開啟后由流體阻力形成的壓力，疊加背壓是壓力泄放閥開啟前出口的靜壓［7］。壓力泄放閥的計(jì)算和選型時(shí)必須對背壓予以考慮。

2.2 用于可壓縮流體的計(jì)算及選型

SBM FPSO 船體管路介質(zhì)涉及到壓力泄放閥的可壓縮流體有氮?dú)?、壓縮空氣和儀表空氣等。

用于可壓縮流體的壓力泄放閥有效排出面積按式（1）［10］或式（2）［10］計(jì)算：

臨界流動時(shí)：

亞臨界流動時(shí)：

介質(zhì)處于臨界流動還是亞臨界流動，要依據(jù)式（3）［11］和式（4）［11］來判定：

臨界流動：

亞臨界流動：

式中：A為泄放閥所需的有效排出面積，mm2；W為需要通過泄放閥的流量，kg/h；C為標(biāo)準(zhǔn)條件下由介質(zhì)比熱比確定的系數(shù)；Kd為有效排出系數(shù)，取0.975；P1為閥前泄放壓力，kPa（a）；Kb為背壓校正系數(shù)，從制造商獲得；Kc為組合校正系數(shù)，此處取1；T為入口處介質(zhì)的泄放溫度，K；Z為壓縮系數(shù)；M為介質(zhì)的相對分子質(zhì)量；F2為亞臨界流動系數(shù)；P2為背壓，kPa（a）；k為比熱比。

2.2.1 安裝于管路的壓力泄放閥計(jì)算及選型

FPSO 惰氣發(fā)生器產(chǎn)生惰氣用于貨油艙空氣惰化，確保貨油艙空氣含氧量遠(yuǎn)離爆炸極限，惰氣發(fā)生器發(fā)生故障會直接影響油氣生產(chǎn)。在惰氣發(fā)生器的燃?xì)夤?yīng)單元停止工作后，需要及時(shí)將單元內(nèi)的燃?xì)怛?qū)除，SBM FPSO 上的惰氣發(fā)生器采用氮?dú)怛?qū)氣，燃?xì)夤?yīng)單元驅(qū)氣工作壓力0.5～0.7 MPa（g），氮?dú)饪偣軌毫?.05 MPa（g），為此，在燃?xì)夤?yīng)單元驅(qū)氣進(jìn)口增加1.05 MPa（g）→0.7 MPa（g）減壓閥組，配整定壓力0.77 MPa（g）的安全閥，供氣管路外徑60.3 mm，壁厚8.74 mm。由系統(tǒng)（如圖1）可以判定管路最大超壓為減壓閥失效。

圖 1 氮?dú)鉁p壓閥組

由k=1.4 得

安全閥泄放壓力

P1=（7.7×1.1 + 1.013）= 0.948 3 MPa（a）

安全閥出口直接透大氣，沒有疊加背壓，因管路較短，積聚背壓很小，忽略不計(jì)，安全閥出口背壓P2取大氣壓力0.101 3 MPa（a），P2/P1=0.106 8。因此，

介質(zhì)處于臨界流動。

減壓閥失效時(shí)的最大泄放量為186.25 kg/h，取該數(shù)值為最終的計(jì)算數(shù)據(jù)，可得該安全閥要求的有效排出面積為：

SBM FPSO 建造規(guī)格書要求按照API 標(biāo)準(zhǔn)選擇安全閥，該標(biāo)準(zhǔn)中最小一檔的安全閥額定有效排出面積為70.968 mm2，尺寸選擇1D2［13］，該型安全閥的額定泄放量為526.8 kg/h。

2.2.2 安裝于壓力容器的壓力泄放閥計(jì)算及選型FPSO 儀表空氣也是全船重要的生產(chǎn)用流體，它控制著全船的電磁閥、防火風(fēng)閘、快關(guān)閥、遙控閥等重要部件，是保證全船設(shè)備正常自動化運(yùn)行必不可少的介質(zhì)，也是安保系統(tǒng)正常運(yùn)行的保障。

SBM FPSO 共有4 個(gè)儀表空氣瓶，容量30 m3（2 848 mm×5 388 mm），工作壓力1.2 MPa（g），工作溫度45℃，保證充足合格的儀表空氣供全船用戶使用。由于儀表空壓機(jī)出口自帶壓力開關(guān)，一旦超壓會自動停機(jī)，而且，空氣瓶上均有壓力傳感器，一旦超壓就會輸出報(bào)警，再者，空氣瓶出口管路上也有壓力傳感器，一旦超壓會直接指令儀表空壓機(jī)停機(jī)，為此，空氣瓶不會因?yàn)榭諌簷C(jī)過度運(yùn)行而超壓。在此情況下，空氣瓶最大的超壓發(fā)生在火災(zāi)時(shí)。

安全閥的排放直接通過煙囪頂排大氣，如圖2所示。

火災(zāi)時(shí)安全閥有效排出面積按式（5）［14］計(jì)算：

式中：A為閥門的有效排放面積，mm2；A′為容

器暴露在火中的面積，mm2；P1為閥前泄放壓力，kPa（a）；F′為絕熱系數(shù)，按式（6）［14］計(jì)算。

式中：Tw為容器壁失效溫度，取866.15K；T1為泄放壓力下氣體的溫度，K；Kd為泄放系數(shù)，取0.975；C為標(biāo)準(zhǔn)條件下由介質(zhì)比熱比確定的系數(shù)。

需要通過安全閥的流量W按式（7）［11］計(jì)算：

由此，

需要通過泄放閥的流量為：

按API 標(biāo)準(zhǔn)選擇安全閥，該標(biāo)準(zhǔn)中比477.16 mm2大的第一檔安全閥額定有效排出面積為506.451 mm2，尺寸選擇2H3［12］，該型安全閥的額定泄放量為5 268.1×506.451/477.16 kg/h = 5 591.49 kg/h。

2.3 用于不可壓縮流體的計(jì)算及選型

SBM FPSO 船體管路介質(zhì)涉及到壓力泄放閥的不可壓縮流體有淡水、海水和燃油等。

用于不可壓縮流體的壓力泄放閥有效排出面積按式（8）［10］計(jì)算：

式中：A為閥門的有效排放面積，mm2；Q為需要通過泄放閥的流量，L/min；Kd為有效排出系數(shù)，無廠商資料時(shí)取0.65；Kw為背壓校正系數(shù)，取1；Kc為組合校正系數(shù)，取1；Kv為粘度校正系數(shù)，第一次試算時(shí)取1；Gl為介質(zhì)比重；P1為泄放壓力，kPa（a）；P2為背壓，kPa（a）。

粘度校正系數(shù)計(jì)算時(shí)按式（9）計(jì)算，式（9）中的雷諾數(shù)按式（10）［10］計(jì)算：

式中：Re為雷諾數(shù)；μ為介質(zhì)粘度，cP。

2.3.1 減壓閥失效時(shí)的計(jì)算及選型

SBM FPSO 高倍泡沫用于機(jī)械處所（機(jī)艙）的滅火，其水源來自于船上的消防環(huán)管（外徑273 mm，壁厚9.73 mm），但是，消防環(huán)管的壓力加上靜壓大約要達(dá)到1.2 MPa（g），而高倍泡沫的比例混合器的工作壓力為1.0 MPa（g）、設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa（g），為此，在比例混合器的進(jìn)口設(shè)置一個(gè)減壓閥，同時(shí)，在減壓閥后設(shè)置一個(gè)泄放閥，確保減壓閥失效后比例混合器的進(jìn)口水壓不超過其設(shè)計(jì)壓力（參見圖3）。

圖 3 消防減壓閥組

按消防環(huán)管及比例混合器進(jìn)口管，減壓閥失效后的最大流量約為9 400 L/min 計(jì)算，為此，泄放閥的有效排放面積試算結(jié)果為，

按API 標(biāo)準(zhǔn)選擇泄放閥，該標(biāo)準(zhǔn)中比4 398.60 mm2大的第一檔泄放閥額定有效排出面積為7 129.018 mm2，

泄放閥的有效排放面積的計(jì)算結(jié)果A=A′/1.0045 mm2= 4375.52 mm2，選定的泄放閥額定有效排出面積為7 129.018 mm2，尺 寸 選 擇6Q8［3］，該型泄放閥的額定泄放量為7 129.018×9 400/4 398.60 L/min = 15 235.02 L/min。

2.3.2 熱膨脹泄放時(shí)的計(jì)算及選型

為確保FPSO 冷卻水系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，所有需要冷卻水的設(shè)備，其冷卻水進(jìn)口需要設(shè)置一個(gè)泄放閥，泄放閥的開啟條件是熱膨脹泄放，泄放流量按極小流量考慮。泄放閥的額定有效排出面積按最小一檔選70.968 mm2［11］，泄放閥的額定泄放量為：

尺寸按照API526 選擇1D2。

圖 4 冰機(jī)冷卻淡水管

3 結(jié) 語

本文通過對SBM FPSO 船體管路系統(tǒng)的詳細(xì)分析，核實(shí)了每一個(gè)壓力泄放閥的超壓模式，并按確認(rèn)的超壓模式對每一個(gè)壓力泄放閥進(jìn)行重新計(jì)算和選型，最后與制造商一一確認(rèn)，修正了其中部分壓力泄放閥的超壓模式選擇和計(jì)算，確保了系統(tǒng)壓力泄放閥的正確選型。

其他船舶上管路系統(tǒng)壓力泄放閥的計(jì)算和選型亦可參照進(jìn)行。