石油化工生產(chǎn)具有高溫、高壓、易燃、易爆甚至有毒的特點。其測量點、控制點多、工藝過程復(fù)雜，要求能夠?qū)φ麄€生產(chǎn)過程進行適時、準確、有效的監(jiān)視及控制。因此一套能夠檢測裝置的異常情況，并對可能發(fā)生的潛在危害作出相應(yīng)動作以保護設(shè)備、防止事故擴大化的安全儀表系統(tǒng)是必不可少的。
筆者對儀表工程師在緊急切斷閥應(yīng)用方面常常遇到的問題進行梳理，整理出六個典型問題：
1、哪些地方需要用到緊急切斷閥？
2、閥型的選擇：球閥/閘閥/蝶閥？
3、閥體是否需要防火？
4、執(zhí)行機構(gòu)的型式選擇：氣動/電動/電液？
5、執(zhí)行機構(gòu)防火形式的選擇：火災(zāi)安全/火災(zāi)可操作？
6、SIL等級及閥門冗余如何配置？
文章內(nèi)容圍繞這六方面展開，以干貨內(nèi)容解讀安全聯(lián)鎖中緊急切斷閥應(yīng)用的六個難點。
1、緊急切斷閥的組成和主要應(yīng)用場景
緊急切斷閥主要的組成部分有：執(zhí)行機構(gòu)(分電動、氣動和電液)，電磁閥(氣動閥)，閥體以及其他附件。下面為常規(guī)氣動切斷閥門簡配圖：
在石油化工工藝過程中，要求緊急切斷和隔離的場所無處不在。例如：切斷反應(yīng)進料，切斷加熱爐燃料；高低壓緊急隔離；緊急切斷汽輪機蒸汽；泵設(shè)火災(zāi)隔離等等?？梢哉f是緊急切斷閥是安全運行的“衛(wèi)士”。
應(yīng)用場景1：切斷進料
應(yīng)用場景2：高低壓隔離
應(yīng)用場景3：泵設(shè)隔離
應(yīng)用場景4：切斷加熱爐燃料
2、緊急切斷閥閥型的種類和選型要點
石油化工工程中常用的自控緊急切斷閥按照閥體類型一般分為三種：閘閥、球閥、蝶閥。也有個別工藝包或者業(yè)主要求用GLOBE閥門作為切斷閥。
閘閥一般應(yīng)用在口徑較大的場所(DN250及以上)，投資相對球閥來說比較低廉。閘閥的主要缺點是：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(yīng)用口徑較小的場所，考慮到投資因素，口徑一般不易大于DN200。介質(zhì)溫度較低時可選用非金屬密封閥座環(huán)，介質(zhì)溫度較高時應(yīng)選用金屬密封閥座環(huán)。
切斷蝶閥一般選用三偏心結(jié)構(gòu)，蝶閥具有轉(zhuǎn)動力矩大、密封和關(guān)斷性能好、重量輕、結(jié)構(gòu)尺寸小以及造價便宜等特點。由于蝶板一直在流道中，其流通能力低于閘閥和球閥，尤其高壓蝶閥，閥板較厚，造成流通能力更小。
緊急切斷閥門采用嚴密關(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ANSI CLASS V以上；對于非金屬軟密封的切斷閥，泄漏等級一般要求為ANSI CLASS VI，并盡量滿足上下游雙向密封的要求。一般應(yīng)該遵守API598的內(nèi)漏要求。如果采用ISO5208等級要求，要求B或C級。
3、緊急切斷閥泄露等級判定依據(jù)
作為緊急切斷用的閥門，往往都特別關(guān)注其切斷的嚴密程度也就是泄漏等級。
閥門主要密封部位有：啟閉件與閥座間的吻合面，此處的泄漏叫內(nèi)漏，它直接影響閥門截斷介質(zhì)的能力和設(shè)備的正常運行。
填料與閥桿和填料函的配合、閥體與閥蓋的連接處：此處的泄漏叫外漏，即介質(zhì)從閥內(nèi)泄漏到閥外，它直接影響安全生產(chǎn)。造成工作介質(zhì)損失和企業(yè)經(jīng)濟損失、環(huán)境污染，嚴重時會造成生產(chǎn)事故。
◆常用閥門內(nèi)漏國內(nèi)外主要標準
①美國國家標準/流體控制組織ANSI/FCI70-2《控制閥閥座泄漏》最新為2013版；
②國際電工委員會IEC 60534-4《工業(yè)過程控制閥-檢驗和例行試驗》最新為2006版，其他部分章節(jié)2015版；
③美國石油協(xié)會API598《閥門的檢查和試驗》最新為2016版；
④美國閥門及配件工業(yè)制造商標準化協(xié)會MSS SP-61《鋼制閥門的壓力試驗》最新為2019版；
⑤國際標準化組織ISO5208《工業(yè)閥門-金屬閥門的壓力試驗》最新為2015版；
⑥歐洲標準EN12266-1/2《工業(yè)閥門閥門的試驗》-壓力試驗、試驗方法和驗收標準 最新為2012；
⑦GB/T13927-2008《工業(yè)閥門壓力試驗》等效ISO5208-2007；
⑧JB/T9092-1999《閥門的檢驗與試驗》等效API598-96；
⑨GB/T 26480-2011《閥門的檢驗和試驗》等效API598-2009；
⑩GB/T 4213-2008《氣動調(diào)節(jié)閥》等效IEC60534；
?GB/T 17213.4-2015《工業(yè)過程控制閥 第4部分：檢驗和例行試驗》等同IEC60534-2006。
◆火災(zāi)后泄漏標準
①ISO10497《閥門試驗-閥門的耐火試驗要求》最新為2010版本；
②API607-2005《轉(zhuǎn)1/4周閥門和非金屬閥座閥門的耐火試驗》最新為2016版本；
③API6FA《閥門耐火試驗試驗》最新為2018版本。
◆常用檢測標準
內(nèi)漏測試對比
總而言之：
常用閥門外漏相關(guān)標準
普通外漏：API598《閥門的檢查和試驗》是美標閥門最常用的檢驗和壓力試驗標準；該標準對上密封試驗的要求是：在規(guī)定的壓力下，不允許有目視可見泄漏。該標準要求比較寬泛，如果沒有特殊要求廠家一般會執(zhí)行該標準的要求。
低泄漏標準
低泄漏閥門是指閥門實際泄漏量很小，靠常規(guī)的水壓、氣壓密封試驗已不能判定，需要借助更加先進的手段和儀器來檢測的微小外泄漏。閥門的這種微小的對外界環(huán)境的泄漏稱為低泄漏或逸散性。
目前國內(nèi)外常見的標準
①國際標準化組織ISO15848-1《工業(yè)閥門：漏氣的測量、試驗及鑒定程序》第一部分 閥門的分類體系和型式試驗鑒定程序；
②國際標準化組織ISO15848-2《《工業(yè)閥門：漏氣的測量、試驗及鑒定程序》第二部分 閥門產(chǎn)品驗收試驗；該標準用以鑒定通ISO15848-1形式試驗的閥門產(chǎn)品；
③GB/T24681《閥門的逸散性試驗》；該標準參考ISO15848-2編制。
④殼牌石油公司SHELL MESC SPE77／312《工業(yè)閥門：低泄漏測量、分級系統(tǒng)、資格認定程序及開關(guān)閥和控制閥的型式認可和產(chǎn)品試驗》。對ISO15848-2的補充；
⑤美國環(huán)境保護署EPA method 21《揮發(fā)性有機組分泄漏檢測》。針對VOC定義了探頭法: 0.1~3L/min；
⑥德國TA-LUFT《空氣質(zhì)量的技術(shù)指導手冊》共233頁；
⑦美國石油學會API 622《防逸散過程閥門填料型式試驗》；
⑧美國石油學會API 624《帶石墨填料升降桿閥門的型式測試》；
⑨美國石油學會API 641《四分之一回轉(zhuǎn)閥門填料型式試驗》。
ISO15848-1測試及分級：性能等級分為：溫度等級、耐久等級、密封等級三項。出廠標記：ISO FE。
◆開關(guān)閥：機械循環(huán)是將閥門從全開至全閉為一次循環(huán)，一次熱循環(huán)是從室溫至規(guī)定實驗溫度再返回室溫。2015版將CO1由500次為205次。
◆控制閥：機械循環(huán)是50%的閥門行程或者轉(zhuǎn)角。在室溫或是在室溫至選定溫度下分步進行。
ISO15848-1測試及分級：性能等級分為：溫度等級、耐久等級、密封等級三項。
ISO15848-2測試及分級：
出廠密封性合格檢驗，試驗采用隨機抽檢的方式，抽檢的數(shù)量最少應(yīng)為同種類型(包括同一PN和DN)的同批閥門的3%，機械循環(huán)試驗5次。介質(zhì)：6Bar 97%的氦氣；2015版將C級由1000PPMV改為200PPM，采用ISO15848-1 附錄B檢測法，采用探頭/嗅探法(0.5~1.5L/min)，測量步驟同EPA Method21，單位為ppm。國標要求檢測試驗合格后，銘牌上應(yīng)標記“FE”。
閥桿密封泄露量對比：
4、緊急切斷閥防火方面的技術(shù)要求
EBV(緊急切斷閥)的主要作用就是當發(fā)現(xiàn)有毒或可燃介質(zhì)泄漏或者發(fā)生火災(zāi)時，通過該閥門手動或自動將泄漏源與上(下)游設(shè)備隔離，防止災(zāi)情進一步蔓延。
EBV(緊急切斷閥)主要參考的標準
①API 553-1998Refinery control valves;
②API 553 -2012 Refinery Valves and Accessories for Control and Safety Instrumented Systems;
③DEP-T-PE1530-2017 緊急切斷閥工藝設(shè)計導則(試行);
④中石化2011年518號文 液化烴球罐緊急切斷閥選型設(shè)計規(guī)定。
設(shè)置EBV閥門的主要場所：
①壓縮機
◆對于所有動力為200馬力或更大的壓縮機或處理易燃或有毒物質(zhì)，通常要求配備EBV；
◆所有進口和出口管線均需要EBV；
◆如果級間設(shè)備的液體量大于3.8立方米(1000加侖)，則級間和級間設(shè)備之間需要安裝EBV。
②泵
◆對于具有密封裝置的泵，如果上游容器包含超過7.6 m3(2000加侖)的輕組份或烴類物質(zhì)超過自燃點或超過316°C (600°F)，通常需要EBV；
◆如果上游容器中含有超過15立方米(4000加侖)的液態(tài)烴，則需要安裝EBV；
◆高排放壓力的泵在其出口(即泵溢流下游)處應(yīng)有EBV，用于反流超壓保護。
③容器
◆對于含有輕組份或有毒物質(zhì)的容器，需要EBV。從這些容器流出的流體應(yīng)該與潛在的泄漏源隔離，如泵、壓縮機、換熱器和明火設(shè)備。任何EBV與容器之間的連接分支都應(yīng)有自己的EBV；
◆對于裝有重組份但超過閃點的液體容器，需要EBV。
③加熱爐
◆每條供加熱爐和鍋爐的燃氣或燃油管線都需要安裝EBV。一般情況下，至少在每個燃料氣或燃料油管線的界線外有一個手動隔離閥；
◆手動EBV閥門經(jīng)常與自動化SIS閥門一起使用[見9.6 b部分]。在跳車后重開SIS閥門，需要在所有安全聯(lián)鎖參數(shù)都滿足后手動復(fù)位。另請參閱API556《燃氣加熱爐儀表、控制和保護系統(tǒng)》第二版；
◆每條工藝進料管線都需要安裝EBV，工藝管線內(nèi)含有易燃液體的燃燒加熱爐。EBV應(yīng)位于加熱爐的防火墻或防火區(qū)外。
中石化 DEP-T-PE1530-2017緊急切斷閥工藝設(shè)計導則：
EBV閥與普通切斷閥相比最大的區(qū)別就是防火設(shè)計。在火災(zāi)發(fā)生時，采用EBV閥將著火點與可燃物儲存設(shè)備隔離。由于平面布置的限制，EBV閥往往處在火災(zāi)危險區(qū)域。為此，需要該閥在火災(zāi)發(fā)生情況下，在一定時間(一般不低于30分鐘)內(nèi)仍可以嚴密隔離，以達到減小火災(zāi)的目的。能否在這段時間內(nèi)依然保證嚴密隔離效果就成為緊急隔離設(shè)計的關(guān)鍵。
EBV閥應(yīng)具備以下三點性能：
①內(nèi)部泄漏量最小
為了保證這一性能，首先應(yīng)考慮到閥芯和閥座的金屬面接觸，在著火時或著火后，閥體處于高溫之中，不管其密封結(jié)構(gòu)如何，彈簧力和外加壓力怎樣變化，都應(yīng)該保證這一點，應(yīng)認為這是保證其精密關(guān)閉的關(guān)鍵。EBV優(yōu)先選擇本質(zhì)火災(zāi)安全型閥門-金屬硬密封閥，且閥座盡量為雙向密封。
②外部泄漏量最小
為了盡量減小外部泄漏，考慮的方法有：采用能防火的閥桿密封材料(用石墨或金屬墊片)，避免用較大的墊片式閥體連結(jié)。
③有連續(xù)的操作性
燃燒后仍能正常工作的閥門，應(yīng)具有抗變形的能力，有抗損性。
注：選擇燃燒持續(xù)時間為30分鐘，是因為這相當于撲滅大多數(shù)煉油廠火災(zāi)所有需要的最長時間。持續(xù)時間更長的火情視為大火，比本試驗預(yù)料的后果更為嚴重。(摘自API607-93)
另外EBV是否在火災(zāi)區(qū)域的界定，不考慮受其他泄漏源的影響。如果考慮泄漏或火災(zāi)的疊加，那么石化行業(yè)內(nèi)的主裝置區(qū)內(nèi)的所有控制閥均應(yīng)考慮防火。顯然目前不是這么做的。
閥體防火安全認證之前分為三大系列：BS系列(BS5146-1971)、API系列(API607、API6FA)、ISO(ISO10497)系列，到現(xiàn)今BS已經(jīng)ISO10497所取代。所以目前主要是API和ISO兩大體系。
API607主要針對軟閥座閥門和1/4轉(zhuǎn)閥門；API 607自1993年以來做過幾次升級；93年的是第4版主要是針對轉(zhuǎn)?周軟座閥門的耐火試驗；05年的是第5版也是針對轉(zhuǎn)?周軟座閥門的耐火試驗，但是測試的工況嚴格些，要求的指標較多，較嚴格一些；第5版有兩版，一個為05年，一個為08年修訂；10年的是第6版升級到針對轉(zhuǎn)?周閥門和非金屬閥座閥門，指標基本上和05一樣。
API 6FA主要針對API 6A(井口采油樹閥，6D(管線閥門-閘、截、止、球等)；
ISO10497針對所有用于火災(zāi)區(qū)的所有閥門。
關(guān)于火災(zāi)后泄漏量，三個標準基本上一樣。
5、緊急切斷閥閥門執(zhí)行機構(gòu)種類及用途
石油化工工程中常用的執(zhí)行機構(gòu)按照驅(qū)動動力一般分為三種：氣動、電動、電液。
①氣動執(zhí)行機構(gòu)
氣動執(zhí)行一般應(yīng)用在大部分石化裝置中，具有輸出力矩大，安全，開啟速度快，可以做到FC或FO(故障安全型)等優(yōu)點，缺點是需要有凈化風。可分為薄膜式、活塞式、撥叉式和齒輪齒條式。還可以分為單作用和雙作用兩種類型，其中雙作用執(zhí)行機構(gòu)需增配事故空氣罐。由于可以做到事故安全型，常常被優(yōu)先選用。
②電動執(zhí)行機構(gòu)
電動執(zhí)行機構(gòu)一般應(yīng)用在石化儲運系統(tǒng)中。優(yōu)點是體積小，輸出力矩較大時造價較低，另外不需要凈化風。適用于公用工程條件不完善的場所，缺點是開啟速度較慢且做不到故障開或故障關(guān)。電動執(zhí)行機構(gòu)有二種類型，一般分為部分回轉(zhuǎn)電動執(zhí)行機構(gòu)和多回轉(zhuǎn)電動執(zhí)行機構(gòu),前者主要控制需要部分回轉(zhuǎn)的閥門例如：球閥，蝶閥等角行程閥門，后者需要多圈數(shù)旋轉(zhuǎn)的閥門，例如閘閥等直行程。
③電液執(zhí)行機構(gòu)
電液執(zhí)行機構(gòu)是近年來新興起來的一種執(zhí)行機構(gòu)，具有輸出力矩大，開啟速度快，甚至可以做到火災(zāi)關(guān)閥等特點。缺點是需要配動力油系統(tǒng)較為繁瑣，所占空間也往往比較大，易漏油等。
執(zhí)行機構(gòu)耐火考慮：用于防火隔離場所時，除閥體需要耐火設(shè)計外，其執(zhí)行機構(gòu)也需要設(shè)計成火災(zāi)安全型或耐火型(或叫防火型)。
火災(zāi)安全型執(zhí)行機構(gòu)在正常工況下可以遠程控制，但在火災(zāi)發(fā)生時，如果該閥處于火災(zāi)區(qū)，其執(zhí)行機構(gòu)可能會被損壞，這類執(zhí)行機構(gòu)通常采用彈簧復(fù)位型。具體做法有：連接開閥氣源的供風管一般采用耐日照的易熔斷線路，繞在執(zhí)行機構(gòu)周圍。發(fā)生火災(zāi)時，氣路管路熔斷切斷氣源使閥門回到關(guān)閉狀態(tài)。另外一種做法是，在執(zhí)行機構(gòu)上加易熔塞，當火災(zāi)發(fā)生時，易熔塞熔化，氣缸失氣閥門關(guān)閉。易熔塞一般采用耐溫135-500°F(57-260℃)間金屬制作而成(中石化設(shè)計意見建議是250℃)。
耐火型執(zhí)行機構(gòu)本身就具有耐火性能。一種做法是：執(zhí)行機構(gòu)的外殼采用防火罩覆蓋，該材料在環(huán)境溫度急劇上升時，體積能急速膨脹，形成對熱浪的阻隔。根據(jù)UL1709的要求其耐火(1093℃(2000°F))時間不小于30分鐘。選用這種執(zhí)行機構(gòu)時，閥門配套附件，如電纜、氣源供風管線等，均采用耐火型，以到達整體防火設(shè)計的要求。
電動閥由于做不到FC，所以只能選用耐火型電動執(zhí)行機構(gòu)。
6、SIL等級與緊急切斷閥配置方案
石化裝置SIL等級，根據(jù)IEC61508和IEC61511的規(guī)定：安全完整性等級由低到高為SIL1~SIL4；過程工業(yè)領(lǐng)域的安全完整性等級應(yīng)為SIL1~SIL3，石化裝置就屬過程工業(yè)。
切斷閥配置方案，根據(jù)GB50770的規(guī)定：
SIL等級故障裕度(HFT)：GB50770的規(guī)定是根據(jù)IEC61511中規(guī)定的硬件故障裕度演變過來的。
注意：當產(chǎn)品符合經(jīng)驗使用原則時，HFT可減1。GB50770考慮到了該情況。
注：M取N硬件故障裕度=M-N；如：3取2硬件故障裕度為1。
電磁閥的冗余配置：
①當要求高安全性時，電磁閥應(yīng)按照“二取一”的方式配置，如下圖：
②當要求高可用性時，電磁閥應(yīng)按照“二取二”的方式配置，如下圖：
作者：趙貴東(中石化廣州工程公司專業(yè)副總工程師)
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