火災緊急隔離閥門(mén)的設計探討

　　結合國外設計規范和工程公司的規定及一般做法，重點(diǎn)介紹了石油化工行業(yè)火災隔離閥的設置原則，詳細闡述了隔離閥門(mén)的類(lèi)型、防火結構等設計要求，同時(shí)從工程設計角度闡述了急停按鈕、復位按鈕的設置和相關(guān)信號電纜敷設的設計�；馂母綦x系統的設計是綜合性的設計，目前國內還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的設計規范做依據，筆者提出探討性的建議供同行磋商。

　　石化行業(yè)的生產(chǎn)原料和產(chǎn)品大多具有易燃、易爆、有毒、有害和腐蝕性，生產(chǎn)工藝操作復雜、連續性強，具有生產(chǎn)危險性大、發(fā)生火災爆炸幾率高等特點(diǎn)。一旦發(fā)生火災、泄漏等事故，應立即切斷泄漏源，將火災危險源與設備隔離開(kāi)，設置緊急隔離閥是減輕火災損失的重要手段�？筛鶕�用戶(hù)的安全要求確定，目前還沒(méi)有具體、明確的設計規范可遵循。結合以往發(fā)生的火災案例，筆者探討火災緊急隔離閥的設置原則和工程設計應注意的事項。

1、典型案例和教訓

　　2007-02-16Valero能源公司美國德州Mckee煉油廠(chǎng)丙烷脫瀝青裝置(PDA)的一條丙烷管線(xiàn)因維護管理缺失發(fā)生破裂泄漏，引發(fā)火災并造成一連串火災爆炸事故，該廠(chǎng)停止運轉2個(gè)月，PDA裝置停工維修約一年，直接損失超過(guò)5000萬(wàn)美元。U.S.CSB《事故調查發(fā)現(8)》中提到事故發(fā)生的6條基本原因中，第2條是該廠(chǎng)沒(méi)有遵循Valero公司的指令“EmergencyIsolationValveprocedure”，指令要求對于工廠(chǎng)可能發(fā)生大量易燃物質(zhì)釋放事故時(shí)，應設置緊急隔離閥(EIV)，以快速隔離處理。第3條是該廠(chǎng)1996年P(guān)HA過(guò)程危害分析報告中，曾提及PDA工廠(chǎng)應裝設遙控操作切斷閥ROSOV(RemotelyOperableShutoffValves)，但卻未追蹤改善，以致此次發(fā)生大量泄漏時(shí)，無(wú)法即時(shí)關(guān)斷、阻截，造成嚴重的災害損失。

　　2010-01-07T17-24，位于甘肅省蘭州市的中國石油蘭州石化分公司316號罐區發(fā)生一起爆炸火災事故，造成6人死亡、6人受傷。此次事故原因：裂解C4球罐(R202)內物料從出口管線(xiàn)彎頭處發(fā)生泄漏并迅速擴大，泄漏的裂解C4達到爆炸極限，遇點(diǎn)火源后發(fā)生空間爆炸，進(jìn)而引起周邊儲罐泄漏、著(zhù)火和爆炸。在國家安全監管總局關(guān)于中國石油天然氣股份有限公司蘭州石化分公司“1•7”爆炸火災事故的通報(安監總管三[2010]8號)中，明確要求：“使安全設施滿(mǎn)足現行安全標準、規范的要求，特別是液態(tài)烴、液氯、液氨及劇毒化學(xué)品等重點(diǎn)儲罐，應按照或參照參考文獻[2]的要求設置緊急切斷閥、裝備安全聯(lián)鎖裝置”。

　　以上僅列出兩起近年發(fā)生嚴重火災事故的一些結論，均明確提出設置火災隔離閥的要求。

2、設置原則

　　隔離閥的設置方式與設備的容器體積、介質(zhì)及布置情況等有著(zhù)密切的關(guān)系，設置形式也是多樣的。隔斷閥通常分：A型——安裝在設備管口處手動(dòng)操作的閥;B型——安裝在管道系統的手動(dòng)操作的閥;C型——安裝在管道系統的動(dòng)力操作的閥;D型——動(dòng)力操作的閥，并能通過(guò)安裝在現場(chǎng)和控制室的按鈕關(guān)閥。

　　根據國外工程公司的設計慣例，大型機泵、壓縮機、加熱爐或減壓系統設置的隔離閥除現場(chǎng)設置手動(dòng)按鈕外，還必須在有人值守的控制室內設置操作按鈕。因此大型機泵、壓縮機、加熱爐或是減壓系統設置的隔離閥均應為D型閥。

　　參考文獻[2]中也明確了隔離閥的設置要求，如第7.2.15節提到“液化烴設備抽出管道應在靠近設備根部設置切斷閥。容積超過(guò)50m3的液化烴設備與其抽出泵的間距小于15m時(shí)，該切斷閥應為帶手動(dòng)功能的遙控閥，遙控閥就地操作按鈕距抽出泵的間距不應小于15m”。

　　液化石油氣(LPG)設施的設計和建造(API2510)規定：液化烴管道上的切斷閥應盡可能靠近罐布置，最好安裝在罐壁管嘴法蘭上。為便于操作和維修，切斷閥安裝位置應易于迅速接近。當液化烴罐容積約超過(guò)38m3(10000gal)時(shí)，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。切斷閥控制系統應耐火保護，切斷閥應能手動(dòng)操作。

　　設計時(shí)，必須在遵循《石油化工企業(yè)設計防火規范》的基礎上，根據安全分析的結果充分考慮火災隔離的設置，確保在事故發(fā)生時(shí)，通過(guò)操作緊急隔離閥及時(shí)進(jìn)行系統隔離。

3、設計

　　根據隔離閥的分類(lèi)，一般有現場(chǎng)手動(dòng)隔離閥和現場(chǎng)、遠程兩地操作的緊急隔離閥，該文重點(diǎn)探討可遠程操作的緊急隔離閥的設計。

　　3.1、閥門(mén)類(lèi)型

　　在中低壓應用場(chǎng)合，緊急隔離閥口徑不大于300mm時(shí)，一般選用球閥，大于300mm時(shí)，一般選用高性能偏心蝶閥;特殊情況下，可根據介質(zhì)等條件選用其他類(lèi)型的閥門(mén)，如閘閥、球閥、旋塞閥等;在高壓應用場(chǎng)合，一般選用球閥、閘閥等。蝶閥一般應用于不大于300bf(1bf=4.448N)壓力等級的場(chǎng)所，最高不超過(guò)600bf。

　　選用球閥時(shí)，介質(zhì)應潔凈不含有固體顆粒。一般情況下，介質(zhì)溫度不小于200°C時(shí)應選用金屬密封閥座的球閥，介質(zhì)溫度小于200°C時(shí)應選用非金屬密封軟閥座的球閥，非金屬密封閥座環(huán)一般為PTFE、強化PTFE或其他高溫高強度材料。

　　泄漏等級應能滿(mǎn)足ANSIB16.104(ANSI/FCI70.2)或API598規定的泄漏標準，火災隔離閥的泄漏等級應為嚴密關(guān)斷(TSO)。對于硬密封金屬閥座，TSO為V級;對于軟密封非金屬閥座，TSO應為VI級。

　　3.2、防火及防靜電結構

　　當隔離閥門(mén)選用球閥時(shí)，應設計為防火、防靜電結構。

　　如果是軟密封閥座，在發(fā)生火災被燒壞時(shí)仍能保持一定要求的密封性能。防火結構應達到API607標準要求。閥門(mén)填料應優(yōu)先采用石墨基耐高溫填料。

　　閥體、球體和閥桿之間應具有能導電的結構，球體被非金屬材料夾持，可能產(chǎn)生靜電，必須與閥體導通。一旦出現靜電堆積，對于可燃性介質(zhì)尤其是燃點(diǎn)低的介質(zhì)(如汽油，液化天然氣及丙烷等)十分危險，抗靜電設計應符合BS5146Part1要求。

　　3.3、執行機構

　　遠程操作的緊急隔離閥可供選用的執行機構有電動(dòng)、氣動(dòng)和液壓三種。在石油化工廠(chǎng)內，利用已有的凈化風(fēng)氣源，可優(yōu)先選用氣動(dòng)執行機構，它具有響應時(shí)間短、關(guān)斷動(dòng)作快的優(yōu)點(diǎn)。在不能選用氣動(dòng)執行機構或沒(méi)有凈化風(fēng)氣源時(shí)，可以選用電動(dòng)執行機構，關(guān)斷時(shí)間稍長(cháng)。液動(dòng)執行機構由于要配套控制動(dòng)力油系統，較顯繁瑣，但是在高推力、快速開(kāi)關(guān)或者長(cháng)行程情況下，應用效果較好。

　　執行機構應具有防火性能，應能有足夠的防火措施以保證能有足夠的時(shí)間使閥門(mén)全開(kāi)或全關(guān)。執行機構的外殼可以采用耐火材料或耐火涂料覆蓋，UL1709標準下防火時(shí)間應不小于30min。如果閥門(mén)設計成火災時(shí)故障安全形式，可以不考慮防火。

　　3.4、附件

　　a)電磁閥。執行機構配套使用的電磁閥材質(zhì)一般應為316不銹鋼、24VDC直流供電、低功耗型、H級高溫絕緣線(xiàn)圈，一般情況下電磁閥不帶復位功能，復位通過(guò)專(zhuān)門(mén)的復位按鈕或控制系統實(shí)現。

　　b)限位開(kāi)關(guān)。應設置開(kāi)閥、關(guān)閥限位開(kāi)關(guān)，限位開(kāi)關(guān)一般為機械式或接近式，不銹鋼殼體，并應有澆封型腔體或獨立的接線(xiàn)盒。電動(dòng)執行機構和限位開(kāi)關(guān)應為一體式的結構。工程設計時(shí)，限位開(kāi)關(guān)輸出觸點(diǎn)的作用方式一般采用/到位閉合0的形式。

　　c)手輪。如果緊急隔離閥門(mén)僅用于緊急隔離，可以根據工況設置手輪;如果它還和緊急停車(chē)系統關(guān)聯(lián)，則不設置手輪。一般情況下，用于隔離的緊急隔離閥不宜用于緊急停車(chē)聯(lián)鎖保護系統。

　　設置手輪時(shí)，閥門(mén)上應有明確的“手動(dòng)”和“自動(dòng)”切換開(kāi)關(guān)，并有鎖定機構。將手輪聯(lián)上或達到“手動(dòng)”位置，就可以手動(dòng)操作;正常投用時(shí)，必須達到“自動(dòng)”位置，使手輪與閥桿脫開(kāi)，并將手輪打到安全位置上(閥門(mén)全開(kāi)的位置上)。

　　3.5、其他

　　a)急停按鈕。應在現場(chǎng)和控制室輔操臺分別設置緊急關(guān)閥按鈕，確保能在危險發(fā)生時(shí)操作人員按下按鈕迅速關(guān)斷緊急隔離閥。

　　b)復位按鈕。應在現場(chǎng)緊急隔離閥門(mén)處設置復位按鈕，在現場(chǎng)確認安全或危險消除后，按下復位按鈕，將緊急隔離閥置于正常投用狀態(tài)。

　　上述這些按鈕是緊急隔離系統的一部分，由設計院進(jìn)行相關(guān)系統設計，以確保危險發(fā)生時(shí)操作人員能夠迅速響應及安全復位。

4、安裝

　　緊急隔離閥應盡量安裝在要切斷的設備、儲罐或管線(xiàn)的根部或起點(diǎn)位置。

　　當設備或儲罐后安裝2臺及以上抽出泵時(shí)，緊急隔離閥應安裝在泵入口公用管線(xiàn)上，且與泵的間距不宜小于5m(水平距離)，如受空間限制，也應盡量拉大與泵的距離。

　　當要隔離的設備與其抽出泵之間距離小于15m時(shí)，現場(chǎng)緊急關(guān)閥按鈕應布置在距離相應抽出泵15m(水平距離)之外的區域，安裝地點(diǎn)應在安全、明顯、方便接近、操作的地方。復位按鈕應緊鄰緊急隔離閥現場(chǎng)布置安裝。

5、系統設計

　　用于火災隔離控制的電氣、儀表和控制系統應當進(jìn)行防火保護設計，除非系統已經(jīng)設計為發(fā)生火災時(shí)故障安全型。

　　火災隔離控制系統可以通過(guò)SIS來(lái)實(shí)現，現場(chǎng)關(guān)閥按鈕、輔操臺關(guān)閥按鈕、復位按鈕信號均傳輸至SIS，通過(guò)邏輯運算輸出信號至緊急隔離閥，控制緊急隔離閥的關(guān)斷和復位。

　　在輔操臺上的緊急隔離閥關(guān)斷、復位按鈕應集中在一個(gè)區域布置。

　　如果用于激活緊急停車(chē)設備(包括泄壓或隔離系統)的控制電纜在火災發(fā)生時(shí)暴露在火焰中，那么電纜應具有15~30min的耐火能力。用于火災隔離系統的電纜應該是具有防火性能的耐火電纜，UL1709標準下耐火時(shí)間不小于15min。如果不采用耐火電纜，電纜必須采用埋地、耐火電纜槽盒內敷設或遠離潛在高火災危險區域之外敷設。

　　除控制閥及附件需考慮防火設計外，控制閥的儀表風(fēng)系統或液壓油系統也要考慮防火設計。在高火災危險區域內，火災緊急隔離閥的動(dòng)力系統管路盡可能采用ASTM304，316或321不銹鋼管，這些管材自身具有較高的耐火能力，不需要進(jìn)行額外的防火處理。

6、結束語(yǔ)

　　首先工藝專(zhuān)業(yè)應對緊急隔離閥設置做出全面考慮，避免緊急隔離閥的關(guān)閉帶來(lái)潛在的新危險，常見(jiàn)情況如下：

　　a)泵吸入口前的緊急隔離閥應考慮與泵電機聯(lián)動(dòng)，關(guān)閉緊急隔離閥后應立即停泵，防止無(wú)流量對泵的損壞。

　　b)當設備容器或儲罐后安裝2臺及以上抽出泵時(shí)，緊急隔離閥應安裝在泵入口公用總管線(xiàn)上。

　　c)緊急隔離閥不宜用于緊急停車(chē)系統，應盡量避免與緊急停車(chē)保護系統相關(guān)聯(lián)。緊急隔離閥的控制方式僅為遙控手動(dòng)控制。如果緊急隔離閥參與緊急停車(chē)保護，閥門(mén)的設計還應滿(mǎn)足安全保護系統的要求。

　　關(guān)于火災緊急隔離閥的設計和應用，國內石化行業(yè)沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的設計規范，或相關(guān)規范沒(méi)有進(jìn)行詳盡的規定。筆者希望通過(guò)以上介紹，在石油化工安全設計時(shí)供同行借鑒，并提出問(wèn)題引起相關(guān)部門(mén)重視，進(jìn)而制訂出具體的相關(guān)規范，以服務(wù)于石油化工企業(yè)的安全生產(chǎn)。

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