爆破針型閥在火炬系統的應用以及發展歷史

辛宏亮(中海石油煉化有限責任公司惠州煉化分公司，廣東 惠州 516086)

爆破針型閥在火炬系統的應用以及發展歷史

辛宏亮(中海石油煉化有限責任公司惠州煉化分公司，廣東 惠州 516086)

本文對爆破針型閥在火炬系統中的典型應用進行了梳理，并以時間為序對爆破針型閥的發展與改進歷史進行了回顧，同時概括了不同設計爆破針型閥的設計特點以及應用于火炬系統的優勢、劣勢和存在的問題，可供火炬系統設計和爆破針型閥選型時參考。

爆破針型閥是由爆破針的壓桿失穩觸發泄壓的一種非重閉式泄壓裝置，其最早出現于1980年代中期，設計之初是為了解決殼牌公司當時所面臨一類安全隱患，即在某些工況下其使用的先導式安全閥時長出現不能準確泄壓的問題。從1990年代初開始，ASME鍋爐及壓力容器規范標準將爆破針型泄壓閥列為可以采用的非重閉式泄壓裝置，并在第VIII卷第1冊UG篇對其制造、測試和使用進行了相關規定[1]。

眾所周知，去往火炬頭的放空管道上所有可能導致管道不暢通的設備（例如：阻火器、調節閥、開關閥等）均應設置非重閉式泄壓裝置作為旁路，以保證在主路不能完成泄放任務而導致火炬系統內壓力超過設定值時旁路可以自動開啟，將火炬氣泄放至火炬頭燃燒。在火炬系統的應用中，爆破針型閥較爆破片而言具有以下優勢：

（1）即便在超低壓工況下，也能保證優異的精度，切實起到保護作用。石化廠火炬氣總管最高允許背壓普遍在100kPa左右，某些低壓火炬的最高允許背壓甚至低于20kPa，在這個壓力水平下，設計合理的爆破針型閥卻能夠保證很好的精度，而爆破片的精度保證卻非常困難。

（2）復位簡單、無需拆卸管道，時間短且無介質流失。然而，爆破片的更換必須拆卸管道才能完成，在此過程中，不可避免的會有大量可燃氣體排出。由于火炬系統設有長明燈，且隨時會有可燃氣體泄放至火炬頭燃燒，若在火炬及上游裝置不停車的情況下拆卸管道，則可能面對可燃氣體排放離明火太近的困境，這是十分危險的。

（3）精度受介質腐蝕性和溫度的影響很小。

（4）不會因壓力脈動發生疲勞而改變爆破壓力。

（5）無需定期拆卸管道以更換泄壓裝置。根據ASME等國際規范的規定，即便未發生爆破，爆破片也應定期更換，且通常更換周期不超過一年，這大大提高了爆破片拆卸更換的機率，為最終用戶帶來了額外的工作量和危險性。

（6）壓力泄放時不會像爆破片一樣產生碎片，避免了妨礙火炬頭正常燃燒的隱患。

正是由于爆破針型閥應用于火炬系統具有上述優勢，近十幾年來，越來越多工程公司、石油公司和化工巨頭已將爆破針型閥作為火炬系統中旁路的標準配置，不再采用爆破片。

本文將對爆破針型閥在火炬系統中的典型應用進行梳理，以使國內用戶能夠更加全面的了解爆破針型閥的應用范圍，為國內用戶解決其所面臨的火炬系統泄壓難題開拓思路。同時，在爆破針型閥應用于火炬系統二十余年的歷史中，爆破針型閥經歷了一系列的發展與改進，不同設計的爆破針型閥技術方案差異較大，給國內用戶的選擇帶來了諸多困惑，本文將對應用于火炬系統的爆破針型閥的發展歷史進行概括，并對不同設計爆破針型閥的優勢、劣勢和特點進行介紹，供相關用戶在選擇時參考。

1 爆破針型閥在火炬系統中的典型應用

火炬系統是煉油廠、石化廠、天然氣處理廠等生產過程存在可燃氣體的工廠中必不可少的安全與環保設施，是工廠的最后一道安全防線。去往火炬的放空管道必須保證暢通，理論上講，任何可能導致放空管道不暢通的設備均應設置爆破針型閥作為旁路。在實踐中，爆破針型閥已經普遍應用于下列工況。

1.1 地面火炬分級閥旁路

地面火炬具有在整個處理能力范圍內均可實現無煙燃燒、安全防護距離及占地面積較小、檢維修方便以及可以避免在火炬燃燒時造成周邊居民不必要的恐慌等優點。近年來，隨著世界各國用戶對于環保、安全以及與居民友好性重視程度的不斷提高，國內外越來越多的用戶開始采用地面火炬。

地面火炬實現整個處理能力范圍內的無煙燃燒，是因為其采用了分級運行的方式，這一方式使得火炬氣在火炬頭出口處始終有足夠的速度和能量，由此保證火炬氣能夠引射足夠的空氣并形成低輻射的無煙燃燒。當火炬氣流量持續升高直至達到分級壓力時，相應的分級控制閥會自動開啟，該級的火炬頭會投入使用，火炬氣得以燃燒。為保證分級控制閥失效時火炬系統仍然能夠安全地處理火炬氣，分級控制閥必須設置爆破針型閥作為旁路。

1.2 分級式火炬

工廠大型化之后，火炬排放量越來越大。火炬設計時無煙燃燒范圍的選取變得很難，而且火炬頭“燜燒”問題也變得越發嚴重。分級排放的高架火炬系統已廣泛應用于國內外石化工程中，其中火炬一級為常燃級，其它級設有控制閥和爆破針型閥旁路。分級排放的火炬系統具有以下優勢：（1）降低氮氣吹掃量和長期運行成本；（2）更加有效的防止回火；（3）增大火炬無煙燃燒的范圍；（4）解決了小流量排放時的燜燒問題。

1.3 阻火器旁路

阻火器是應用火焰通過熱導體的狹小孔隙時，由于熱量損失而熄滅的原理設計制造的一種阻止火焰在設備、管道間蔓延的安全裝置。其缺點為極易堵塞而阻斷放空氣流，特別在用于腐蝕性強、帶有凝液或雜質的氣體時更是如此。API521、殼牌DEP 80.45.10.10以及國內某些工程公司的標準均不允許單獨使用阻火器作為防回火設施使用，原因是阻火器存在被堵塞而導致火炬氣不能被暢通泄放的風險，影響裝置安全[2~4]。若阻火器作為防回火設施使用，必須采用爆破針型閥作為旁路，以保證在阻火器堵塞時火炬氣能夠安全泄放。

2 火炬系統用爆破針型閥的特點及其發展歷史

火炬系統用爆破針型閥所處的工況有以下特點[5]：第一，火炬氣為易燃易爆氣體，有的火炬氣有一定的腐蝕性；第二，受到各個工藝裝置排放條件的約束，火炬氣總管最高允許背壓通常較低。石化廠火炬氣總管最高允許背壓普遍在100kPa左右，一些低壓火炬的最高允許背壓低于20kPa也是常見的。

上述工況特點決定了在為火炬系統選擇爆破針型閥時，應重點考慮的性能包括：其一為密封性能的可靠性，爆破針型閥既要杜絕外漏，又要避免內漏以防止回火閃爆的發生；其二為動作精度，爆破針型閥必須能夠保證在較低壓力水平下精確動作，以確保在泄放管路主路不能完成泄放任務時準確開啟。

爆破針型閥主要由開關閥和泄壓觸發機構兩部分組成[6]。爆破針型閥泄壓觸發機構的設計均基于壓桿失穩原理，其動作原理如下：介質壓力作用在泄壓觸發機構的閥瓣上產生動力，此動力在克服與閥瓣運動相關的所有摩擦力后的剩余力經加載機構作用在爆破針上。當作用在閥瓣上的動力達到一定極限時，爆破針失穩彎曲，此時閥瓣會移動而觸發泄壓。

摩擦力有一定的變動性，不可能100%地精確計算，因此，控制摩擦力與介質動力相比較所占的比例對于保證爆破針型閥精度至關重要。摩擦力與介質動力相比較所占的比例越低，摩擦力的變動性對于爆破針型閥精度的影響越小，越有利于保證爆破針型閥的精度。

為提高爆破精度，爆破針型閥的設計人員必須盡力降低密封副之間的摩擦力。然而，密封副之間的摩擦力是不能隨意降低的，原因是這些密封副之間的摩擦力在某種程度上與密封性能是成正比的，為保證密封性能，就必須得有一定水平的摩擦力。

金屬密封面無論經過多么精密的加工，從微觀角度來講，其表面總是凹凸不平的，存在溝槽，這些溝槽成為密封面的泄漏通道，因此必須利用密封元件在一定的力的作用下，使密封元件表面嵌入到密封面的凹凸不平處，將溝槽填沒或形成微觀毛細管，消除上述泄漏通道。為實現密封，有效密封面單位面積上的壓緊力（即實際密封比壓）需要大于密封材料的必須比壓且小于其許用比壓，并且有效密封面應達到一定的寬度，以保證微觀毛細管具有一定的長度，從而保證密封效果。

密封比壓和密封面寬度的增加，會提升密封效果，但會增大摩擦力，不利于保證爆破精度。如何平衡密封性能和爆破精度成為爆破針型閥設計的關鍵點也是難點，設定壓力越低，找到密封性能和動作精度的平衡點的難度就越大。

介質動力的稀缺性決定了并非任何一種設計的爆破針型閥均適用于火炬系統。在爆破針型閥應用于火炬系統二十余年的歷史中，爆破針型閥經歷了一系列的發展與改進，這些發展也改進的出發點也多是為了適應火炬系統工況。以下將以出現時間為序，簡要介紹四種不同設計的爆破針型閥的工作原理、出現的背景以及應用于火炬系統的優勢與劣勢進行介紹。

2.1 直接加載式直線開啟爆破針型閥

直接加載式直線開啟爆破針型閥最早出現于1986年，其典型設計結構如圖1所示。這種類型的爆破針型閥的柱塞式閥瓣承受介質壓力而產生動力，此動力在克服相關摩擦力（包括閥桿與閥蓋密封元件之間的摩擦力和活塞與閥座之間的摩擦力等）后的剩余力通過與閥瓣一體的閥桿沿其軸向直接加載在爆破針上，中間沒有借助于力的轉化機構，即介質壓力對爆破針為直接加載。當作用在閥瓣上的動力達到一定極限時，爆破針失穩彎曲，閥瓣與閥座會脫離進而達到泄壓的目的。

圖1 直接加載式直線開啟爆破針型閥

這種類型爆破針型閥的主要優勢在于：第一，力的加載方式直接、簡潔，很大程度上降低了中間環節對于力的傳遞的準確性的干擾；第二，僅有一個運動部件，此運動部件僅能沿其中心線作直線運動，可靠性很高。但是，長期實踐證明這種類型的爆破針型閥應用于火炬系統也有著明顯的局限性：

其一，該類爆破針型閥在開啟時閥瓣對于閥蓋的沖擊力是很大的，對于大口徑閥門更是如此，國外某些項目中曾經出現閥瓣將閥蓋沖破的事故。

該類爆破針型閥的設計理念與彈簧直接載荷式安全閥相似，只是將作用在閥瓣上的載荷加載裝置由彈簧改為爆破針。該類型閥門與彈簧直接載荷式安全閥的區別在于加載元件是爆破針還是彈簧。對于彈簧直接載荷式安全閥而言，在閥門開啟開始泄壓后，彈簧力沒有減小，反而是隨著開啟高度的增加而加大，如圖2（a）所示，因此，在閥瓣開啟式產生的沖擊是非常有限的。

圖2 彈簧及爆破針的支撐力與變形量關系圖

而對于直接加載式直線開啟爆破針型閥而言，在爆破針開始失穩彎曲后，針的支撐力瞬間消失，如圖2（b）所示。并且，為保證泄放量，閥瓣的行程（即：針的長度）要隨著閥門通徑的增大而加大，即閥瓣的加速過程會隨著閥門通徑的增大而延長，閥瓣對于閥蓋的沖擊力也會迅速上升。根據反復試驗與模擬計算的結果，10”閥門在100kPa時開啟的沖擊力可能高達數十噸。因此，不建議較大口徑工況（>10”）采用直接加載式直線開啟爆破針型閥。

其二，該類爆破針型閥在復位時密封件極易咬傷。該類爆破針型閥用作旁路時，爆破針處于水平位置，如圖3（a）所示。

圖3 直線開啟爆破針型閥用作旁路

自閥門開啟至復位完成，在閥瓣的重力作用下，閥桿始終處于懸臂梁狀態，如圖3（b）所示。在復位過程中，閥桿與閥蓋之間的兩個密封環，受力狀態始終十分糟糕，極易損傷。在閥門完成復位之前，也就是閥瓣進入閥座之前，整個閥桿系統的受力狀態是最為糟糕的，閥桿的傾斜程度是最大的，極易出現閥座對于閥瓣密封環的咬傷的現象，甚至出現復位困難的問題。隨著閥門通徑的增大，閥瓣的重量會增加，這個問題會更加明顯，這是較大口徑工況（>10”）時不應采用該爆破針型閥的另外一個原因。

其三，動作精度難以保證。該類爆破針型閥的開關閥部分和泄壓觸發機構部分的功能是相互關聯與影響的。這類閥門在每一次泄壓后復位過程中，即在閥瓣脫離閥座后再一次進入閥座時，都可能由于密封件的壓縮量發生改變而使摩擦力的水平變化，也就是說實際摩擦力的水平很難預測，精度難以控制在很高的水平。

此外，該類型用作旁路時爆破針、閥桿、閥瓣等部件均處于水平位置，這些部件的重量將大部分由閥座支撐，在一定程度上造成密封件的偏壓，這進一步增大了實際摩擦力的變動性。隨著閥門通徑的增大，閥瓣的重量會增加，這個問題會更加明顯。

在其它類型的爆破針型閥出現與成熟之前（2000年前），直接加載式直線開啟爆破針型閥也曾應用于地面火炬中作為旁路。但應用中發現了閥瓣對于閥蓋的沖擊力過大、密封件極易損傷、低壓時精度難以保證等問題，很多工程公司和用戶在火炬項目中較大口徑工況（>10”）時已不再使用角式爆破針型閥。

2.2 間接加載式旋轉開啟爆破針型閥

隨著火炬氣排放量越來越大，火炬系統用爆破針型閥尺寸通常較大，例如，地面火炬系統用爆破針型閥的尺寸范圍通常為6~32”。

為了解決直接加載式直線開啟爆破針型閥所存在的閥瓣對于閥蓋沖擊力過大而可能造成安全事故的問題，旋轉開啟爆破針型閥應運而生。最早出現的旋轉開啟爆破針型閥為間接加載式出現于1996年，其外觀如圖4所示。

圖4 間接加載式旋轉開啟爆破針型閥

該類爆破針型閥主要由偏心蝶閥、控制箱（爆破針型泄壓觸發機構）和閥位指示器構成。其中，開關閥的蝶板中線偏離閥桿軸線，閥桿兩側蝶板所承受的介質壓力大小不同，進而產生了作用在閥桿上的轉動扭矩，該轉動力矩在克服密封系統的摩擦力矩后的凈力矩作用于閥桿，閥桿穿過閥體頂部開孔進入控制箱。

控制箱的內部結構及原理如圖5所示，其內部共有十幾個形狀不規則的部件，這些部件相互作用，形成了一系列杠桿，將扭矩轉化為直線的力加載于爆破針上。

圖5 控制箱內部結構及原理

這種類型爆破針型閥的主要優勢在于：第一，閥門泄壓時為旋轉式開啟，對于閥門本身及相關管道的沖擊小；第二，閥門尺寸增大時，爆破針的長度無需加大。這些均為該類爆破針型閥應用于較大口徑工況提供了有利條件。

然而，該類爆破針型閥介質動力向爆破針的加載方式先天性地決定了其存在不可逾越的局限性。不難看出，該類型閥門的介質動力轉化為扭矩并傳遞給爆破針的過程中至少需要克服以下摩擦力：其一，蝶板與閥座之間的摩擦力；其二，閥桿與閥蓋密封元件之間的摩擦力；其三，杠桿系統各部件之間（近10處）的摩擦力。并且該類型閥門的動作要經歷以下過程：第一，介質動力矩克服密封系統的摩擦力矩，產生作用在閥桿上的凈力矩；第二，經控制箱內轉換機構傳遞（并克服該機構內部摩擦力），力矩轉換為力；第三，力超過臨界值后，爆破針失穩彎曲。

顯然，該類爆破針型閥通過一系列的杠桿機構向爆破針間接傳遞了介質壓力在閥桿兩側的蝶板面積上產生的力的差值，也就是說介質壓力被部分地、間接地傳遞加載在爆破針上，這使得該類爆破針型閥在設計時找到密封性能和動作精度的平衡點會更加困難。在火炬系統等低壓工況下，介質壓力產生的動力是稀缺資源，較低的介質壓力利用率和內部損耗較多的間接加載方式決定了該類爆破針型閥應用于火炬系統主要會存在以下問題：

第一，精度很難提高。在介質壓力向爆破針加載的過程中，所有擾動因素綜合之后不可精確計算的部分與被利用的介質壓力的比值可以衡量爆破針型閥的精度，該比值越大，精度越差。對于間接加載式旋轉開啟爆破針型閥而言，其可產生擾動因素的環節較直接加載式爆破針型閥要多得多，且其介質壓力利用率較低，因此，擾動因素不可精確計算的部分與實際利用的介質壓力的比值很難控制下來，精度很難提高，這是由其設計先天性地決定的，后天很難彌補。

第二，密封系統十分脆弱。間接加載式旋轉開啟爆破針型閥介質壓力利用率低和加載各環節擾動多的設計不足不僅使其精度很難提高，還不可避免的影響到其閥門本體密封系統的設計。對于間接加載式旋轉開啟爆破針型閥而言，其較低的介質壓力介質壓力利用率是由其偏心蝶閥式設計決定的，不可改變。若提高精度，設計人員必須竭盡所能降低密封面之間的摩擦力（意味著犧牲密封性能）。

對于12~24”的間接加載式旋轉開啟爆破針型閥的介質動力扭矩進行計算，并與常規雙偏心軟密封蝶閥的開關扭矩進行對比，可以發現當設定壓力為100kPa時，若該類型爆破針型閥需要達到相關國際標準規定的動作精度（±13.9kPa），該類型爆破針型閥密封系統產生的摩擦力僅為常規雙偏心蝶閥的1/4左右，這意味著該類爆破針型閥密封系統的可靠性會僅為常規雙偏心蝶閥的1/4左右。

該類爆破針型閥的生產廠家在其操作手冊中明確規定其閥門在起跳25次后應從管線上卸下更換主密封，以保持閥門的密封性能，并推薦用戶為其每臺閥門額外準備一套密封組件作為備件的原因[7]，根本原因在于其密封元件極其脆弱。

2.3 先導式直線開啟爆破針型閥

先導式直線開啟爆破針型閥出現于1999年，其設計原理與先導式彈簧載荷式安全閥的原理相似。如圖6所示，其采用直接加載式爆破針型閥作為先導閥，該先導閥的上腔通過連通管與系統下游管道連通，先導閥泄壓時壓力會向系統下游管道泄放。先導閥下腔與主閥的上腔連通，而主閥的上腔和下腔通過主閥閥瓣上的小孔都與系統上游管道連通。因此，主閥下腔、上腔和先導閥的下腔都是與上游管道連通的，這幾部分的壓力與上游管道壓力相等。

圖6 先導式直線開啟爆破針型閥

當系統壓力超過泄壓設定值時，爆破針失穩，先導閥會向系統下游管道泄壓。此時主閥上腔的壓力會迅速向下游管道泄放而降低，下腔與上腔之間的壓差會使主閥閥瓣的下表面壓力大于上表面壓力，此壓力差會將主閥閥瓣從主閥閥座上推開，從而實現上游介質向下游泄壓。

這種類型爆破針型閥的先導閥具有上文分析的直接加載式直線開啟爆破針型閥的優勢，即力的加載方式直接、簡潔，且僅有一個運動部件，先導閥本身的可靠性較高。但是，這種類型的爆破針型閥應用于火炬系統也有著明顯的劣勢：

第一，與直接加載式直線開啟爆破針型閥相似，先導式直線開啟爆破針型閥用作旁路時，其主閥閥桿、主閥閥瓣等部件均處于水平位置，在主閥復位時密封件極易咬傷而造成泄漏。

第二，對于設定壓力較低的工況，該類爆破針型閥可能無法開啟。該類型爆破針型閥得以開啟的前提條件是，主閥下腔與上腔的壓力不能很快平衡，下腔與上腔之間的形成一定的壓差以將主閥閥瓣從主閥閥座上推開。若設定壓力本身就已經很低，可能會出現主閥下腔與主閥下腔與上腔之間不能形成足夠壓差而導致先導閥動作后主閥卻未能如期開啟的情形。

按照生產廠家的建議，該類爆破針型閥最低設定壓力為4.5psig（31kPag）。此外，在實地調研過程中，國內某項目用戶反映曾出現先導閥已經動作主閥卻未開啟的情形。

第三，該類爆破針型閥的現有設計存在明顯安全隱患。爆破針型閥的動作是隨機的，具有不可預測性。然而，該類爆破針型閥的主閥閥桿未設任何保護裝置，人的肢體能夠自由進入主閥閥桿區域，也就是說，存在閥門動作時肢體恰好處于主閥閥桿區域而受傷的可能性。

2.4 先導式旋轉開啟爆破針型閥

先導式旋轉開啟爆破針型閥出現于2012年，該閥門將爆破針技術與角行程開關閥完美地結合起來，其動作原理如圖7所示。

圖7 先導式旋轉開啟爆破針型閥

爆破針型先導閥的腔體通過壓力連通管線與蝶閥上游相連接，使其承受蝶閥上游的介質壓力，并經其閥桿將載荷傳遞至爆破針。當管線內壓力小于設定壓力時，爆破針保持穩定，與閥桿固定連接為一體的鎖止卡套將兩個鎖止手柄卡住，使得鎖止手柄將助力機構的頂桿頂住，蝶閥處于關閉狀態。當管線內壓力達到設定壓力，爆破針失穩彎曲而喪失承載能力，管線內介質壓力將推動活塞并進而帶動鎖止卡套向下移動直至失去對鎖止手柄的約束。此時，鎖止手柄將釋放助力機構的頂桿，助力機構帶動蝶閥開啟而達到泄壓的目的。

該類爆破針型閥的創新性設計主要體現在以下方面：在設計上將先導閥與主閥的摩擦系統隔離開來，使得先導閥的動作不受主閥密封系統摩擦力的影響，也就是說主閥密封系統摩擦力對于先導機構的動作不會產生影響，而主閥本身是是通過彈簧式執行器開啟的，主閥選擇時無需考慮介質壓力產生的動力的制約，可選擇密封等級很高的蝶閥，主閥密封性能得以保證。

該類型爆破針型閥在設計上較以上三種類型的爆破針型閥更加容易保證精度和密封，能夠同時獲得最佳的爆破精度和密封性能，并且為旋轉開啟，很好地解決了上述爆破針型閥存在的一些先天性問題，特別適用于火炬系統等低壓工況。

3 結語

本文對爆破針型閥在火炬系統中的典型應用進行了梳理，并以時間為序對爆破針型閥的發展與改進歷史進行了回顧，同時概括了不同設計爆破針型閥的設計特點以及應用于火炬系統的優勢、劣勢和存在的問題，供相關用戶和工程公司在設計火炬系統和進行爆破針型閥選擇時參考。

[1]ASME Boiler and Pressure Vessel Code,Code Case 2091-3,1990.

[2]API Standard 521,Pressure-relieving and Depressuring Systems,2014.

[3]DEP 80.45.10.10,Pressure relief,emergency depressuring, flareand ventsystems,2010.

[4]天然氣處理廠火炬放空阻火設施的設置.胡玲等,天然氣與石油,2011(5),28-30.

[5]地面火炬用爆破針型閥的選型要求.慕小軍,化工管理, 2015(27):105-107.

[6]API Standard 520,Sizing,Selection,and Installation of Pressure-relieving Devices Part I—Sizing and Selection,2014.

[7]Buckling Pin Pressure Relief Technology,BS&B Pressure Safety Management,L.L.C.公司公開出版物(Catalogue 77-1015).

辛宏亮(1977-)，男，赤峰人，本科，主要研究工作方向為儲運設備運行維護管理。