紧急截止阀在石油化工工程中的设计探讨
郑昊
(中石化洛阳工程有限公司, 河南 洛阳 471003)
摘要:参考国内外设计规范的规定及一般做法,介绍了石油化工工程中紧急截止阀的设置原则。详细阐述了紧急截止阀不同于一般紧急切断阀的阀体及执行机构的技术要求,并针对这些技术要求对紧急截止阀的设计选型进行了深入探讨。结合紧急截止阀的安装及相关系统的设计,从防火设计的角度阐述了紧急截止阀在装置火灾中的安全作用。
关键词:紧急截止阀;设置原则;选型;防火设计;
Emergency Block Valve in Petrochemical Engineering
Zheng Hao
(Luoyang Petrochemical Eng. Co.,Sinopec,Henan Luoyang 471003,China)
Abstract: This paper introduces the setting principle of emergency block valve in petrochemical engineering by referring to the provisions and general practices of design codes at home and abroad. This paper describes in detail the technical requirements of the valve body and actuator of emergency block valve which are different from the general emergency shut off valve, and discusses the design and selection of emergency block valve in view of these technical requirements. Combined with the installation of emergency block valve and the design of related systems, the safety function of emergency block valve in plant fire is described from the Angle of fire protection design.
Key words: emergency block valve; Setting principle; Type selection; Fire protection design;
引 言
石油化工行业和其他行业相比,因为其原料、中间品、产品等都属于易燃易爆的物质,而且生产运行过程相对复杂,点火源也相对较多,所以极易引起火灾、爆炸等危险事故的发生。一旦发生危险事故,如何快速、精准的切断事故源,防止火灾、爆炸等面积的进一步扩大,减少事故的影响和损失是在工程设计阶段必须着重考虑的问题。
由此紧急截止阀(emergency block valve)的概念应运而生。紧急截止阀不完全等同于通常所说的紧急切断阀,紧急截止阀的最大特点是有着完整的防火设计,可以更大程度地减少火灾造成的直接损失和由于火灾停车造成的间接损失。近些年来,我们也从国际标准、国外项目的工艺包中对其有了广泛的了解,同时,近些年来我国国家标准,行业标准的逐步完善也使得紧急截止阀在国内的工程项目中得到了大量的应用。本文通过介绍紧急截止阀的国际、国内相关标准规范和相关的设计经验,旨在与各位工程设计人员探讨紧急截止阀的设置原则及应用时的注意事项。
1. 紧急截止阀的设置原则
国际上,根据美国石油协会API RP 553《炼油厂控制阀》2012年第8章关于Emergency Block Valve的章节,其中详细说明了在压缩机、泵、容器、加热炉等相关设备设置紧急截止阀的基本原则。
国家标准,根据GB50160-2022《石油化工企业设计防火标准(2022 年版)》7.2.15条规定设备容积超过50m3的液化烃设备与其抽出泵的间距小于15m时,应在靠近设备根部设置切断阀。
近些年,行业规范,中石化安2010-635号,中石化安非2018-477号,对常压储罐设置紧急切断阀都有明确的描述。另外,最新的要求是根据中华人民共和国应急管理部2022年2月24日发布的《油气储存企业紧急切断系统基本要求(试行)》,明确规定所有与常压储罐(公称直径大于或等于30m或公称容积大于或等于10000m3的储罐(不含低温储罐))直接相连的工艺物料进出管道上均应设置紧急切断阀。
结合这些规范要求以及国内外各大工程公司的设计实例,原则上均要求在高火灾危险设备紧邻的出口(或入口)工艺管线上设置紧急截止阀,并且能够充分满足隔离操作的要求,用于停止易燃或有毒物料无节制的释放。紧急截止阀具体设置原则接合我公司工艺、储运等专业的实际应用,且参考中石化炼化工程SEG在2017年发布的《紧急切断阀工艺设计导则(试行)》(此处仅介绍与自控专业相关的远程紧急截止阀,如储量不大的压力储罐的进出口、加热炉的燃料油、气或易燃物料管线上的手动切断阀不再罗列)。
包含且不限于:
1)体积超过50m3的液化烃工艺设备和泵入口之间。
2)体积超过8m3并且装有操作温度大于316℃可燃液体的工艺设备和泵入口之间。
3)体积超过16m3并且装有闪点小于28℃可燃液体的工艺设备和泵入口之间。
4)在释放入大气时带有超过40%(wt%)闪蒸可燃气体和可燃液体的工艺设备和泵入口之间。
5)盛装极度危害、高度危害物料的设备且采用有密封泵,在泵的出入口处。
6)正常流量超过30t/h的可燃气体、输送极度危害、高度危害气体的压缩机的出入口处。
7)储存易燃液体,液体储量大于50t的压力储罐的出入口处。
8)储存极度危害、高度危害液体储罐的出入口处。
在上述设置原则的指导下,国内新建或改造装置中紧急截止阀的使用会越来越常见。但是紧急截止阀也会因其误动作关闭或者火灾时无法关闭,带来影响装置正常工作的安全风险,所以紧急截止阀的设计选型也尤为重要。
2. 紧急截止阀的设计与选型
紧急截止阀在API RP 553《炼油厂控制阀》中被分ABCD四种类型。AB类指现场手动截止阀,C类指动力操作的截止阀,D类指可远程遥控操作的截止阀。本文仅探讨D类可远程遥控操作的截止阀的设计与选型。
2.1 紧急截止阀的类型与结构
紧急截止阀按照阀门类别通常被分为三类:球阀、闸阀和蝶阀。
在中低压应用场合, 对于公称通径DN≤200的阀门,一般选用球阀或闸阀,对于公称通径DN>200的阀门,宜选用闸阀、三偏心蝶阀或双偏心高性能蝶阀。
在高压应用场合,对于公称通径DN≤200的阀门,一般选用球阀或闸阀,对于公称通径DN>200的阀门,一般选用闸阀。
球阀主要应用于DN200以下公称通径较小的低压场合,而在DN200以上公称通径较大的场合闸阀的价格相对较低。
紧急截止阀不需要进行口径计算和噪音计算,阀体的公称通径应与工艺管道相同。
阀门的内部泄漏指的是阀门关闭时,阀芯与阀座之间的泄漏。紧急截止阀的内部泄漏等级应符合API 598或GB/T13927规定的泄漏标准。API 598可用于闸阀、球阀和蝶阀等的密封性能测试,要求在弹性密封时0泄漏,金属密封时按照口径设定泄漏值。
阀门的外部泄漏指的是介质从阀体内通过填料泄漏到阀体外,主要发生在阀杆填料和阀体阀盖密封处,也叫逸散性泄漏。紧急截止阀的外部泄漏等级应符合ISO 15848 或GB/T 26481规定的泄漏标准。紧急截止阀在填料和填料函结构的选择上应选用防火耐高温型,在火灾发生的情况下尽可能的减小外部泄漏。
紧急截止阀在同时作为进出口总管上的紧急切断时,应选用双向密封型阀内件。
紧急截止阀的阀体、阀座、阀内件、垫片等结构和材质的选择以及紧急截止阀的防腐要求与普通的切断阀并无二致,所遵循的原则可参考SH/T 3005-2016。紧急截止阀的阀座密封型式应尽量选择金属硬密封。若选择软密封阀座,应采用防静电的结构。
2.2 紧急截止阀的防火设计
紧急截止阀在火灾发生后,必须能够在相当长的时间内隔离高火灾危险的设备。目前国际上和我国的大型炼油化工装置受占地面积、平面布局和工艺管线布置的影响,紧急截止阀往往都安装在火灾危险区域,通常要求紧急截止阀在不少于三十分钟的高温环境下严密关断,并且操作效果不能受到影响。
阀门防火规范是用试验的方法来测量暴露于火焰中的阀门在火灾中和火灾后的泄漏量,从而评估阀门设计和选材的防火安全能力。
目前被广泛应用的阀门测试标准是美标API 607和API 6FA。
API 607,最初是针对软密封阀座的角行程阀门,例如球阀、蝶阀等阀芯90°旋转阀门的防火认证。而API 6FA(同为一种防火认证)它涵盖的阀门类型不但包括了当时API 607标准下的阀门,而且比API 607更为广泛。通常情况下,球阀和蝶阀的火灾安全试验倾向采用API 607,闸阀则更倾向采用API 6FA。
在2005年,API 607第五版出版,它的适应范围大大扩宽,不仅在阀门类型中增加了直行程阀门,还同时包含了硬密封阀门,通用性和广泛性大大增强。
到目前为止,应用最广泛的防火规范就是API 607和API 6FA,同时ISO 10497基本等同于API 607第五版。在工程使用中,API 607和API 6FA仅在测试压力和最大允许泄漏量等方面略微有所差异,如下表1所示。也就是说,这三个认证无论是做了哪个都是被认可的。
表1 API 607和API 6FA差异分析
2.3 紧急截止阀的执行机构
一般紧急截止阀可供选用的执行机构有气动执行机构和电动执行机构等。石油化工行业装置区域均装配有可靠的仪表风系统,所以气动执行机构应当是首选,它不仅能做到事故安全型,而且具有关闭迅速、响应耗时短等特点。
若紧急截止阀选用气动阀门,执行机构在防火方面可大致分为两类:
2.3.1火灾安全型
这类执行机构通常采用仪表空气故障关型(FC),并选用弹簧返回型单作用气缸执行机构,弹簧表面做防腐处理,主要利用的是熔断机理切断气源使得阀门关闭。
常规做法有两种:一种是使用易熔断的供风管路来连接截止的气源,一旦发生火灾,开阀气源管路熔断,切断气源使得阀门关闭。第二种是在执行机构上加装易熔塞,一旦发生火灾,易熔塞熔化,气缸内的压力被泄放,弹簧复位使得阀门关闭。
这种火灾安全型的紧急截止阀,无论是选择熔断风管的方式还是选择执行机构加易熔塞的方式,都需要考虑温度和日照等因素。
2.3.2耐火型
这类执行机构通常有两种实现方式。一种是外壳使用耐火的材料或使用耐火涂料喷涂。耐火材料在周围温度快速上升时,体积能迅速膨胀,形成一道起保护作用的隔热碳层,该碳层不但可以起到隔热保护作用,而且这种材料在燃烧过程中本身也会吸收大量的热量,起到防火作用。另一种是执行机构的外壳采用防火罩覆盖。防火罩分为柔性防火罩和刚性防火罩两种,如下图1-2所示。柔性防火罩由防雨层、不锈钢线网、塑料编织物、铝箔和隔热纤维组成,并用不锈钢线缝合,禁止采用石棉材料。它的优点是安装和维修方便,不会引起腐蚀。刚性防火罩是由隔热矿物纤维填充的不锈钢绝缘板构成。不锈钢板夹层的隔热材料可以降低向箱内执行机构传导热量的速度,还可以根据用户要求,留出方便观察、操作和维护的窗口,这也是在石油化工行业中紧急截止阀首选防火罩的原因。耐火材料或防火罩等均需防风雨,耐阳光。具体可参考API RP 2218《石油和石化厂的防火应用措施》。
图1 柔性防火罩图片 图2 刚性防火罩图片
根据UL1709钢结构防火材料的快速升温测试标准,无论是上述哪种耐火型执行机构,均需要满足在1093℃下,抵抗烃类火灾大于三十分钟。此外,气源管线最好选用具有较好耐火能力的不锈钢管。
在一些没有条件使用气动执行机构的区域,例如一些罐区,可以选择电动执行机构。且根据API RP 553,闸阀也应首选电动执行机构,因为在大口径管路中,直行程阀门的气动执行机构推力大,所占体积也比较大,不但成本昂贵,在有限的安装空间还不利于安装。对紧急截止阀来说,最重要的是在火灾情况下,关闭阀门,所以电动执行机构必须是耐火型的,做法和2.3.2气动执行机构耐火型类似,可使用耐火涂料涂层,也可用上图所示的防火罩,且动力电缆和控制电缆也应采用耐火型,做到整体防火的设计要求。
2.4 紧急截止阀的附件
紧急截止阀的附件包括手轮、储气罐、电磁阀和回讯开关等。所有附件的设计和安装均应考虑耐火和高温工况,不得影响阀门的整体防火要求。手轮可根据不同装置现场的操作情况设定。储气罐至少为碳钢材质并取得压力容器的证书,此外最小容积还需要满足阀门在仪表风压力下全行程开和关各一次的储气量。电磁阀应选用直接作用式、316不锈钢阀体和低功耗型,用于弹簧复位型单作用执行机构的电磁阀应为2位3通型、通用型及断电排气式,用于双作用执行机构的电磁阀应为2位4通型或2位5通型,线圈应采用高温绝缘线圈。
3. 安装
紧急截止阀应优先安装在火灾危险区域外。另外,为了从可燃物的源头将其阻断,紧急截止阀应当靠近物料储罐等设备安装,最好安装在储罐或设备侧的管嘴上。由于本文主要讨论的是可远程操作的紧急截止阀,所以应在现场和控制室分别设置紧急关阀按钮,以确保在危险发生时操作人员按下按钮能迅速关断紧急截止阀。
设置现场紧急关阀按钮的注意事项:
1) 应具有可操作性,按钮醒目且容易辨认,关联的紧急截止阀位号应明确标识。
2) 布置在避免人为或环境因素造成误动作的位置。
3) 布置在最可能的疏散通道上,方便操作。
4) 布置在潜在火灾源的上风位置。
5) 布置在尽可能远离地面的液体排放口的位置。
6) 布置在距泵十五米以外的安全位置。
同时,紧急截止阀及其附件的安装支架、紧固件等配件也应选用钢制材料。动力、控制电缆应选用耐火电缆,如若未选择耐火电缆,电缆需要埋地充沙填实。局部地段仪表电缆必须在地面敷设时,应采用镀锌保护管或带盖板的全封闭金属电缆槽盒。
4. 系统设计
紧急截止阀可由SIS 或 DCS系统实现安全联锁关断,但具体采用哪种系统控制,应根据项目安全完整性等级(SIL)分析结果确定。
泵吸入口前的紧急截止阀应与泵电机联动,关闭紧急截止阀的同时应立即关停泵的电机,防止入口没有流量对泵造成损坏。而且如果阀门没有打开,泵不能启动,在控制系统里可以通过检测紧阀门回讯的位置来实现。当检测到紧急截止阀全开时,允许起泵;当检测到紧急截止阀全关时,联锁停泵。(联锁逻辑如图3所示)
图3 紧急截止阀安全联锁系统逻辑图
5. 结语
紧急截止阀的设置是为了满足石油炼化装置日益严格的安全要求而产生的。尽管它会增加装置的一次性投资,但是在保障装置长期平稳、安全运行的过程中紧急截止阀不仅可以起到遏制火灾的蔓延的作用,还可以大幅度降低相关安全事故的发生几率,有效地减小损失。所以从长远角度考虑,紧急截止阀的设置还是非常必要的。未来,紧急截止阀势必会成为现代化石油化工工程安全设计的一部分。作为石油化工行业仪表专业从业人员,只有正确且合理地选择、应用紧急截止阀,才能为石化装置安全运行打下坚实的基础。
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说明:郑昊,1987年11月,男,河南洛阳,工程师,石油化工工程自动控制专业设计。
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