泵與工藝設備自動(dòng)緊急隔離閥設計探討

　　分析探討了泵與工藝設備緊急隔離閥的設置原則。對緊急隔離閥閥型結構的選擇以及安裝做了簡(jiǎn)單說(shuō)明。參考API607的說(shuō)明對緊急隔離閥的防火測試做了簡(jiǎn)要說(shuō)明。并對緊急隔離閥執行機構的設計和選型進(jìn)行了深入探討。結合相關(guān)案例對緊急隔離系統的相關(guān)安全聯(lián)鎖的設置原則做了簡(jiǎn)單闡述。

　　石油化工企業(yè)的原料和產(chǎn)品大多數都是易燃易爆，生產(chǎn)工藝比較復雜，上下游之間的聯(lián)系比較緊密。因此稍有不慎很容易發(fā)生火災。一旦發(fā)生火災，如果能及時(shí)切斷火災源就可以最大限度的減小火災對生產(chǎn)裝置的影響，防止災情進(jìn)一步擴大。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為設置隔離是減輕火災損失的重要手段之一。

1、緊急隔離閥的設置原則

　　緊急隔離閥的設置與設備容積的大小、介質(zhì)、溫度以及機泵功率、容量有著(zhù)密切的關(guān)系。參考國內外工程公司的做法，現就某兩個(gè)公司的設計原則說(shuō)明如下：

　　A公司的設置原則：

　　容積大于8m3的LPG儲罐;

　　容積大于8m3的烴(或其他可燃物)儲罐，且介質(zhì)溫度高于介質(zhì)自燃溫度或者高于250℃;

　　容積大于16m3的烴(或其他可燃物)儲罐;

　　大型機組，功率超過(guò)150kW。

　　B公司的設置原則：

　　泵內工藝介質(zhì)(為可燃物)溫度高于正常的沸點(diǎn)，入口和出口總儲存量超過(guò)450kg，且泵密封系統潛在的泄漏速率超過(guò)450kg/min(如果詳細設計承包商的彌散模型可以確定泄漏量超過(guò)1300kg時(shí)也不會(huì )高于爆炸下限，則可以適當抬高泄漏速率值);

　　泵內工藝介質(zhì)(為可燃物)溫度高于自燃點(diǎn)，入口和出口總儲存量超過(guò)450kg;

　　以上泄漏量計算是假定泵密封系統發(fā)生災難性損害時(shí)的情況，如果采用無(wú)泄漏型泵，則隔離系統可以取消。

　　目前國內大多數項目基本上泵設緊急隔離系統與A公司的設置原則比較接近。

2、隔離系統的組成

　　隔離系統設置的目的是當發(fā)生火災時(shí)能夠及時(shí)切斷火災源-可燃物質(zhì)。根據有關(guān)規定，如API2510要求，大型儲罐在火災發(fā)生15min內，所有位于罐最高液面下管道上的切斷閥應能自動(dòng)關(guān)閉或遙控操作。為此，自動(dòng)隔離系統至少由下列元素構成：

　　緊急隔離閥(EBV)，執行隔離動(dòng)作;

　　現場(chǎng)緊急隔離按鈕，發(fā)生火災時(shí)，能立即就地切斷隔離閥。要求緊急隔離按鈕設在現場(chǎng)發(fā)生火災時(shí)操作人員能方便、安全到達且醒目的位置，一般要求此按鈕距離相關(guān)泵15m以外。

　　控制室緊急隔離按鈕，發(fā)生火災時(shí)，能立即遙控切斷隔離閥;

　　安全聯(lián)鎖系統(SIS或DCS)，發(fā)生火災時(shí)，根據工藝要求完成相關(guān)安全聯(lián)鎖功能;

　　其他相關(guān)附件，如電纜、接線(xiàn)盒、手輪、限位開(kāi)關(guān)等。

3、緊急隔離閥(EBV)設計原則

3.1、閥型選擇

　　根據APIRP553相關(guān)規定，緊急隔離閥(EBV)通常分為以下四種類(lèi)型：

　　A型安裝在設備上的手動(dòng)操作閥，這類(lèi)閥門(mén)安裝在發(fā)生泄漏但不會(huì )發(fā)生火災的場(chǎng)所;

　　B型安裝在工藝管道上的手動(dòng)操作閥;這類(lèi)閥門(mén)安裝在離著(zhù)火泄漏點(diǎn)25英尺以外的場(chǎng)所，且閥門(mén)尺寸不大于8英寸，壓力等級不超過(guò)ASMECLASS300。

　　C型安裝在工藝管道上的動(dòng)力操作閥;這類(lèi)閥門(mén)安裝在離著(zhù)火泄漏點(diǎn)25英尺以外的場(chǎng)所，且閥門(mén)尺寸大于8英寸，高度不高于15英尺，壓力等級超過(guò)ASMECLASS300。

　　D型動(dòng)力操作的閥門(mén)，并能通過(guò)安裝在現場(chǎng)和控制室的按鈕關(guān)閉閥門(mén)。這類(lèi)閥門(mén)的安裝位置沒(méi)有太多限制，但控制按鈕應安裝在離著(zhù)火泄漏點(diǎn)40英尺以外的火災危險區以外�；馂奈ｋU區域內的執行機構、控制電纜、動(dòng)力管路等采用防火設計或者設計成火災情況下，操作不會(huì )失效。此外配管配線(xiàn)的支架也應采用防火設計。

　　緊急隔離閥一般采用D型。

　　緊急隔離閥按照閥體類(lèi)型一般分為三種：閘閥、球閥、三偏心蝶閥。

　　閘閥一般應用在口徑較大的場(chǎng)所(DN250以上)，投資相對球閥來(lái)說(shuō)比較低廉。閘閥的主要缺點(diǎn)是：閥體笨重且安裝尺寸較大，填料密封性能不好，閥體也容易卡住。

　　球閥主要應用在中低壓場(chǎng)所，考慮到投資因素，口徑一般不易大于DN250。選用球閥時(shí)，工藝介質(zhì)應潔凈，介質(zhì)溫度較低時(shí)可選用非金屬密封閥座環(huán)，介質(zhì)溫度較高時(shí)應選用金屬密封閥座環(huán)。

　　三偏心蝶閥具有轉動(dòng)力矩大、密封和關(guān)斷性能好、重量輕、結構尺寸小以及造價(jià)便宜等特點(diǎn)。在中低壓工藝管道上可以代替閘閥。

　　緊急隔離閥門(mén)采用嚴密關(guān)斷型(TSO)。一般對于金屬硬密封的隔離閥，泄漏等級一般要求ANSICLASSV以上;對于非金屬軟密封的隔離閥，泄漏等級一般要求為ANSICLASSVI。并盡量滿(mǎn)足上下游雙向密封的要求。

3.2、閥門(mén)結構

　　緊急隔離閥與普通切斷閥相比最大的區別就是防火設計。在火災發(fā)生時(shí)，采用隔離閥將著(zhù)火點(diǎn)與可燃物儲存設備隔離。由于平面布置的限制，緊急隔離閥往往處在火災危險區域。為此，需要該閥在火災發(fā)生情況下，在一定時(shí)間(一般不低于30分鐘)內仍可以嚴密隔離，以達到減小火災的目的。能否在這段時(shí)間內依然保證嚴密隔離效果就成為緊急隔離設計的關(guān)鍵。目前廣泛被閥門(mén)生產(chǎn)廠(chǎng)用于測試的標準是美國石油學(xué)會(huì )的API607。API607測試程序簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：

　　將測試閥門(mén)在處于關(guān)閉狀態(tài)下，充滿(mǎn)加壓的水，然后對閥體用火焰持續燃燒30min，期間閥體周?chē)�環(huán)境平均溫度處在750～1000℃(1400～1800°F)，且任一測溫點(diǎn)最低溫度不應低于700℃(1300°F)。確定這段時(shí)間內通過(guò)閥門(mén)并排到大氣中的泄漏量。在火焰熄滅后5min內用水噴射閥體使其在10min內強制冷卻至100℃(212°F)，然后確定強制冷卻期間閥門(mén)的泄漏量，完成靜態(tài)泄漏試驗后，再對閥門(mén)進(jìn)行靜壓試驗評定閥門(mén)殼體及閥座的耐壓能力。測試用的燃料一般為瓦斯氣。選擇持續燃燒30min是因為這相當于撲滅大多數煉廠(chǎng)火災所需要的最長(cháng)時(shí)間。持續時(shí)間更長(cháng)的火情視為大火，比實(shí)驗預料的后果將更為嚴重。API607針對不同壓力等級和不同口徑規定了相應的泄漏量標準，低于該標準即視為滿(mǎn)足防火設計要求。測試標準的目的是：閥門(mén)的內部泄漏量和外部泄漏量不能超過(guò)規定值，且具有連續的可操作性。

　　緊急隔離閥在選型設計時(shí)優(yōu)先選擇本質(zhì)火災安全型閥門(mén)，閥門(mén)應為金屬硬密封閥座，填料選擇柔性石墨填料等。且閥座盡量為雙向密封。

　　此外，如果緊急隔離閥采用球閥，當采用非金屬軟密封時(shí)，應設計成防靜電結構。因此球體部分是通過(guò)非金屬材料夾持形成的密封，閥球旋轉動(dòng)作時(shí)可能會(huì )產(chǎn)生靜電，必須與閥體導通。在電源電壓不超過(guò)12V的防靜電電路中，阻值小于10Ω，一旦出現靜電堆積，對可燃介質(zhì)十分危險。

　　火災是一種緊急事故，在火災發(fā)生時(shí)，緊急隔離閥應自動(dòng)置于危害最小的狀態(tài)，通常為關(guān)閉狀態(tài)，緊急隔離閥一般選擇F.C(事故時(shí)關(guān)閉)閥門(mén)。

3.3、執行機構選擇

　　根據APIRP553要求，閘閥應首選電動(dòng)執行機構，這是因為電動(dòng)執行機構在失電時(shí)可停留在原位。對緊急隔離閥來(lái)說(shuō)，最重要的是關(guān)閉閥門(mén)。所以電動(dòng)執行機構的防護措施以及調節回路均應在緊急隔離時(shí)被旁路。此外電動(dòng)執行機構以及相應配套附件，如控制電纜等均應采用耐火型。

　　對于角行程的閥門(mén)，如球閥，優(yōu)先選擇氣動(dòng)執行機構，且應設計成氣源故障時(shí)可使閥門(mén)關(guān)閉。氣動(dòng)執行機構分為兩類(lèi)，一類(lèi)為火災安全型，另一類(lèi)為耐火型。

　　火災安全型執行機構在正常工況下可以遠程控制，但在火災發(fā)生時(shí)，該執行機構可能會(huì )被損壞。這類(lèi)執行機構通常采用彈簧復位型，連接開(kāi)閥氣源的供風(fēng)管一般采用耐日照的易熔斷線(xiàn)路，且繞在執行機構周?chē)�。發(fā)生火災時(shí)，氣路管路熔斷切斷氣源使閥門(mén)回到關(guān)閉狀態(tài)。另外一種做法是，在執行機構上加易熔塞，當火災發(fā)生時(shí)，易熔塞熔化，氣缸失氣閥門(mén)關(guān)閉。易熔塞一般采用耐溫135～500��(57～260℃)間金屬制作而成。

　　耐火型執行機構本身就具有耐火性能。執行機構的外殼采用耐火材料或耐火涂料覆蓋，該材料在環(huán)境溫度急劇上升時(shí)，體積能急速膨脹，形成對熱浪的阻隔。根據UL1709的要求其耐火(1093℃(2000°F))時(shí)間不小于30min。選用這種執行機構時(shí)，閥門(mén)配套附件，如電纜、氣源供風(fēng)管線(xiàn)等，均采用耐火型，以到達整體防火設計的要求。

3.4、緊急隔離閥安裝

　　為了從源頭上切斷可燃物質(zhì)，緊急隔離閥應盡量靠近設備安裝，最好位于設備或儲罐壁嘴子上。當抽出泵為2臺以上時(shí)，緊急隔離閥應安裝在泵入口公共管道上。緊急隔離閥應帶有現場(chǎng)緊急隔離按鈕，緊急隔離按鈕一般設在距泵15m以外的安全區域。大型機組的緊急隔離閥一般安裝在出/入口管道上。

3.5、緊急隔離閥附件

　　緊急隔離閥附件一般為電磁閥和閥位回訊開(kāi)關(guān)等，某些場(chǎng)合可能有手輪。電磁閥應選用不銹鋼材質(zhì)、低功耗型，線(xiàn)圈應采用高溫絕緣線(xiàn)圈。閥位回訊一般選用不銹鋼殼體，并帶獨立的接線(xiàn)盒。所有的設計均應考慮耐火災高溫工況。

4、安全聯(lián)鎖

　　緊急隔離閥由SIS或DCS安全聯(lián)鎖實(shí)現時(shí)。閥門(mén)的緊急隔離命令通常由就地或控制室內的緊急切斷按鈕發(fā)出，切斷閥門(mén)的同時(shí)通過(guò)SIS或DCS聯(lián)鎖關(guān)停相關(guān)機泵。另外，為了防止閥門(mén)誤動(dòng)作給機泵帶來(lái)?yè)p壞，一般通過(guò)檢測閥位回訊的位置來(lái)聯(lián)鎖機泵。當檢測到閥全開(kāi)時(shí)才允許啟泵;當檢測到閥關(guān)時(shí)，應聯(lián)鎖停泵。

5、結語(yǔ)

　　隨著(zhù)石油化工裝置的大型化和人們安全生產(chǎn)意識的不斷增強，企業(yè)的火災安全理念被逐步加強。緊急隔離閥在一次性投資比較大，但考慮到其在裝置長(cháng)期運行中能有效遏制火災蔓延，并大幅度降低惡性火災發(fā)生的概率，從整個(gè)項目的投資回報率角度來(lái)講，還是比較可行。由于國內沒(méi)有相關(guān)方面的詳細的標準規范，筆者希望通過(guò)本文的闡述，對大型石化裝置火災安全方面提供一些有益的啟示。