爆破針型閥在火炬系統(tǒng)的應(yīng)用以及發(fā)展歷史

辛宏亮(中海石油煉化有限責(zé)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(tǒng)的應(yīng)用以及發(fā)展歷史

辛宏亮(中海石油煉化有限責(zé)任公司惠州煉化分公司，廣東 惠州 516086)

本文對(duì)爆破針型閥在火炬系統(tǒng)中的典型應(yīng)用進(jìn)行了梳理，并以時(shí)間為序?qū)Ρ漆樞烷y的發(fā)展與改進(jìn)歷史進(jìn)行了回顧，同時(shí)概括了不同設(shè)計(jì)爆破針型閥的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及應(yīng)用于火炬系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)和存在的問題，可供火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)和爆破針型閥選型時(shí)參考。

爆破針型閥是由爆破針的壓桿失穩(wěn)觸發(fā)泄壓的一種非重閉式泄壓裝置，其最早出現(xiàn)于1980年代中期，設(shè)計(jì)之初是為了解決殼牌公司當(dāng)時(shí)所面臨一類安全隱患，即在某些工況下其使用的先導(dǎo)式安全閥時(shí)長出現(xiàn)不能準(zhǔn)確泄壓的問題。從1990年代初開始，ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)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(cè)UG篇對(duì)其制造、測試和使用進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定[1]。

眾所周知，去往火炬頭的放空管道上所有可能導(dǎo)致管道不暢通的設(shè)備（例如：阻火器、調(diào)節(jié)閥、開關(guān)閥等）均應(yīng)設(shè)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(wù)而導(dǎo)致火炬系統(tǒng)內(nèi)壓力超過設(shè)定值時(shí)旁路可以自動(dòng)開啟，將火炬氣泄放至火炬頭燃燒。在火炬系統(tǒng)的應(yīng)用中，爆破針型閥較爆破片而言具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）即便在超低壓工況下，也能保證優(yōu)異的精度，切實(shí)起到保護(hù)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(gè)壓力水平下，設(shè)計(jì)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(fù)位簡單、無需拆卸管道，時(shí)間短且無介質(zhì)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(huì)有大量可燃?xì)怏w排出。由于火炬系統(tǒng)設(shè)有長明燈，且隨時(shí)會(huì)有可燃?xì)怏w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(duì)可燃?xì)怏w排放離明火太近的困境，這是十分危險(xiǎn)的。

（3）精度受介質(zhì)腐蝕性和溫度的影響很小。

（4）不會(huì)因壓力脈動(dòng)發(fā)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(jù)ASME等國際規(guī)范的規(guī)定，即便未發(fā)生爆破，爆破片也應(yīng)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(jī)率，為最終用戶帶來了額外的工作量和危險(xiǎn)性。

（6）壓力泄放時(shí)不會(huì)像爆破片一樣產(chǎn)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(yīng)用于火炬系統(tǒng)具有上述優(yōu)勢(shì)，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(tǒng)中旁路的標(biāo)準(zhǔn)配置，不再采用爆破片。

本文將對(duì)爆破針型閥在火炬系統(tǒng)中的典型應(yīng)用進(jìn)行梳理，以使國內(nèi)用戶能夠更加全面的了解爆破針型閥的應(yīng)用范圍，為國內(nèi)用戶解決其所面臨的火炬系統(tǒng)泄壓難題開拓思路。同時(shí)，在爆破針型閥應(yīng)用于火炬系統(tǒng)二十余年的歷史中，爆破針型閥經(jīng)歷了一系列的發(fā)展與改進(jìn)，不同設(shè)計(jì)的爆破針型閥技術(shù)方案差異較大，給國內(nèi)用戶的選擇帶來了諸多困惑，本文將對(duì)應(yīng)用于火炬系統(tǒng)的爆破針型閥的發(fā)展歷史進(jìn)行概括，并對(duì)不同設(shè)計(jì)爆破針型閥的優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)和特點(diǎn)進(jìn)行介紹，供相關(guān)用戶在選擇時(shí)參考。

1 爆破針型閥在火炬系統(tǒng)中的典型應(yīng)用

火炬系統(tǒng)是煉油廠、石化廠、天然氣處理廠等生產(chǎn)過程存在可燃?xì)怏w的工廠中必不可少的安全與環(huán)保設(shè)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(dǎo)致放空管道不暢通的設(shè)備均應(yīng)設(shè)置爆破針型閥作為旁路。在實(shí)踐中，爆破針型閥已經(jīng)普遍應(yīng)用于下列工況。

1.1 地面火炬分級(jí)閥旁路

地面火炬具有在整個(gè)處理能力范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)無煙燃燒、安全防護(hù)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(shí)造成周邊居民不必要的恐慌等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著世界各國用戶對(duì)于環(huán)保、安全以及與居民友好性重視程度的不斷提高，國內(nèi)外越來越多的用戶開始采用地面火炬。

地面火炬實(shí)現(xiàn)整個(gè)處理能力范圍內(nèi)的無煙燃燒，是因?yàn)槠洳捎昧朔旨?jí)運(yùn)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(dāng)火炬氣流量持續(xù)升高直至達(dá)到分級(jí)壓力時(shí)，相應(yīng)的分級(jí)控制閥會(huì)自動(dòng)開啟，該級(jí)的火炬頭會(huì)投入使用，火炬氣得以燃燒。為保證分級(jí)控制閥失效時(shí)火炬系統(tǒng)仍然能夠安全地處理火炬氣，分級(jí)控制閥必須設(shè)置爆破針型閥作為旁路。

1.2 分級(jí)式火炬

工廠大型化之后，火炬排放量越來越大。火炬設(shè)計(jì)時(shí)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(fā)嚴(yán)重。分級(jí)排放的高架火炬系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外石化工程中，其中火炬一級(jí)為常燃級(jí)，其它級(jí)設(shè)有控制閥和爆破針型閥旁路。分級(jí)排放的火炬系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）降低氮?dú)獯祾吡亢烷L期運(yùn)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(shí)的燜燒問題。

1.3 阻火器旁路

阻火器是應(yīng)用火焰通過熱導(dǎo)體的狹小孔隙時(shí)，由于熱量損失而熄滅的原理設(shè)計(jì)制造的一種阻止火焰在設(shè)備、管道間蔓延的安全裝置。其缺點(diǎn)為極易堵塞而阻斷放空氣流，特別在用于腐蝕性強(qiáng)、帶有凝液或雜質(zhì)的氣體時(shí)更是如此。API521、殼牌DEP 80.45.10.10以及國內(nèi)某些工程公司的標(biāo)準(zhǔn)均不允許單獨(dú)使用阻火器作為防回火設(shè)施使用，原因是阻火器存在被堵塞而導(dǎo)致火炬氣不能被暢通泄放的風(fēng)險(xiǎn)，影響裝置安全[2~4]。若阻火器作為防回火設(shè)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(shí)火炬氣能夠安全泄放。

2 火炬系統(tǒng)用爆破針型閥的特點(diǎn)及其發(fā)展歷史

火炬系統(tǒng)用爆破針型閥所處的工況有以下特點(diǎn)[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(gè)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(diǎn)決定了在為火炬系統(tǒng)選擇爆破針型閥時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)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(nèi)漏以防止回火閃爆的發(fā)生；其二為動(dòng)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(dòng)作，以確保在泄放管路主路不能完成泄放任務(wù)時(shí)準(zhǔn)確開啟。

爆破針型閥主要由開關(guān)閥和泄壓觸發(fā)機(jī)構(gòu)兩部分組成[6]。爆破針型閥泄壓觸發(fā)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)均基于壓桿失穩(wěn)原理，其動(dòng)作原理如下：介質(zhì)壓力作用在泄壓觸發(fā)機(jī)構(gòu)的閥瓣上產(chǎn)生動(dòng)力，此動(dòng)力在克服與閥瓣運(yùn)動(dòng)相關(guān)的所有摩擦力后的剩余力經(jīng)加載機(jī)構(gòu)作用在爆破針上。當(dāng)作用在閥瓣上的動(dòng)力達(dá)到一定極限時(shí)，爆破針失穩(wěn)彎曲，此時(shí)閥瓣會(huì)移動(dòng)而觸發(fā)泄壓。

摩擦力有一定的變動(dòng)性，不可能100%地精確計(jì)算，因此，控制摩擦力與介質(zhì)動(dòng)力相比較所占的比例對(duì)于保證爆破針型閥精度至關(guān)重要。摩擦力與介質(zhì)動(dòng)力相比較所占的比例越低，摩擦力的變動(dòng)性對(duì)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(shè)計(jì)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(jīng)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(xì)管，消除上述泄漏通道。為實(shí)現(xiàn)密封，有效密封面單位面積上的壓緊力（即實(shí)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(yīng)達(dá)到一定的寬度，以保證微觀毛細(xì)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(huì)提升密封效果，但會(huì)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)也是難點(diǎn)，設(shè)定壓力越低，找到密封性能和動(dòng)作精度的平衡點(diǎn)的難度就越大。

介質(zhì)動(dòng)力的稀缺性決定了并非任何一種設(shè)計(jì)的爆破針型閥均適用于火炬系統(tǒng)。在爆破針型閥應(yīng)用于火炬系統(tǒng)二十余年的歷史中，爆破針型閥經(jīng)歷了一系列的發(fā)展與改進(jìn)，這些發(fā)展也改進(jìn)的出發(fā)點(diǎn)也多是為了適應(yīng)火炬系統(tǒng)工況。以下將以出現(xiàn)時(shí)間為序，簡要介紹四種不同設(shè)計(jì)的爆破針型閥的工作原理、出現(xiàn)的背景以及應(yīng)用于火炬系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)進(jìn)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(xiàn)于1986年，其典型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(zhì)壓力而產(chǎn)生動(dòng)力，此動(dòng)力在克服相關(guān)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(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)，即介質(zhì)壓力對(duì)爆破針為直接加載。當(dāng)作用在閥瓣上的動(dòng)力達(dá)到一定極限時(shí)，爆破針失穩(wěn)彎曲，閥瓣與閥座會(huì)脫離進(jìn)而達(dá)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(yōu)勢(shì)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(huán)節(jié)對(duì)于力的傳遞的準(zhǔn)確性的干擾；第二，僅有一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，此運(yùn)動(dòng)部件僅能沿其中心線作直線運(yùn)動(dòng)，可靠性很高。但是，長期實(shí)踐證明這種類型的爆破針型閥應(yīng)用于火炬系統(tǒng)也有著明顯的局限性：

其一，該類爆破針型閥在開啟時(shí)閥瓣對(duì)于閥蓋的沖擊力是很大的，對(duì)于大口徑閥門更是如此，國外某些項(xiàng)目中曾經(jīng)出現(xiàn)閥瓣將閥蓋沖破的事故。

該類爆破針型閥的設(shè)計(jì)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(qū)別在于加載元件是爆破針還是彈簧。對(duì)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(chǎn)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(guān)系圖

而對(duì)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(wěn)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(huì)隨著閥門通徑的增大而延長，閥瓣對(duì)于閥蓋的沖擊力也會(huì)迅速上升。根據(jù)反復(fù)試驗(yàn)與模擬計(jì)算的結(jié)果，10”閥門在100kPa時(shí)開啟的沖擊力可能高達(dá)數(shù)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(fù)位時(shí)密封件極易咬傷。該類爆破針型閥用作旁路時(shí)，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(fù)位完成，在閥瓣的重力作用下，閥桿始終處于懸臂梁狀態(tài)，如圖3（b）所示。在復(fù)位過程中，閥桿與閥蓋之間的兩個(gè)密封環(huán)，受力狀態(tài)始終十分糟糕，極易損傷。在閥門完成復(fù)位之前，也就是閥瓣進(jìn)入閥座之前，整個(gè)閥桿系統(tǒng)的受力狀態(tài)是最為糟糕的，閥桿的傾斜程度是最大的，極易出現(xiàn)閥座對(duì)于閥瓣密封環(huán)的咬傷的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)復(fù)位困難的問題。隨著閥門通徑的增大，閥瓣的重量會(huì)增加，這個(gè)問題會(huì)更加明顯，這是較大口徑工況（>10”）時(shí)不應(yīng)采用該爆破針型閥的另外一個(gè)原因。

其三，動(dòng)作精度難以保證。該類爆破針型閥的開關(guān)閥部分和泄壓觸發(fā)機(jī)構(gòu)部分的功能是相互關(guān)聯(lián)與影響的。這類閥門在每一次泄壓后復(fù)位過程中，即在閥瓣脫離閥座后再一次進(jìn)入閥座時(shí)，都可能由于密封件的壓縮量發(fā)生改變而使摩擦力的水平變化，也就是說實(shí)際摩擦力的水平很難預(yù)測，精度難以控制在很高的水平。

此外，該類型用作旁路時(shí)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(jìn)一步增大了實(shí)際摩擦力的變動(dòng)性。隨著閥門通徑的增大，閥瓣的重量會(huì)增加，這個(gè)問題會(huì)更加明顯。

在其它類型的爆破針型閥出現(xiàn)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(yīng)用于地面火炬中作為旁路。但應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了閥瓣對(duì)于閥蓋的沖擊力過大、密封件極易損傷、低壓時(shí)精度難以保證等問題，很多工程公司和用戶在火炬項(xiàng)目中較大口徑工況（>10”）時(shí)已不再使用角式爆破針型閥。

2.2 間接加載式旋轉(zhuǎn)開啟爆破針型閥

隨著火炬氣排放量越來越大，火炬系統(tǒng)用爆破針型閥尺寸通常較大，例如，地面火炬系統(tǒng)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(duì)于閥蓋沖擊力過大而可能造成安全事故的問題，旋轉(zhuǎn)開啟爆破針型閥應(yīng)運(yùn)而生。最早出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)開啟爆破針型閥為間接加載式出現(xiàn)于1996年，其外觀如圖4所示。

圖4 間接加載式旋轉(zhuǎn)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(fā)機(jī)構(gòu)）和閥位指示器構(gòu)成。其中，開關(guān)閥的蝶板中線偏離閥桿軸線，閥桿兩側(cè)蝶板所承受的介質(zhì)壓力大小不同，進(jìn)而產(chǎn)生了作用在閥桿上的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，該轉(zhuǎn)動(dòng)力矩在克服密封系統(tǒng)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(jìn)入控制箱。

控制箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理如圖5所示，其內(nèi)部共有十幾個(gè)形狀不規(guī)則的部件，這些部件相互作用，形成了一系列杠桿，將扭矩轉(zhuǎn)化為直線的力加載于爆破針上。

圖5 控制箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理

這種類型爆破針型閥的主要優(yōu)勢(shì)在于：第一，閥門泄壓時(shí)為旋轉(zhuǎn)式開啟，對(duì)于閥門本身及相關(guān)管道的沖擊小；第二，閥門尺寸增大時(shí)，爆破針的長度無需加大。這些均為該類爆破針型閥應(yīng)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(zhì)動(dòng)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(zhì)動(dòng)力轉(zhuǎn)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(tǒng)各部件之間（近10處）的摩擦力。并且該類型閥門的動(dòng)作要經(jīng)歷以下過程：第一，介質(zhì)動(dòng)力矩克服密封系統(tǒng)的摩擦力矩，產(chǎn)生作用在閥桿上的凈力矩；第二，經(jīng)控制箱內(nèi)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)傳遞（并克服該機(jī)構(gòu)內(nèi)部摩擦力），力矩轉(zhuǎn)換為力；第三，力超過臨界值后，爆破針失穩(wěn)彎曲。

顯然，該類爆破針型閥通過一系列的杠桿機(jī)構(gòu)向爆破針間接傳遞了介質(zhì)壓力在閥桿兩側(cè)的蝶板面積上產(chǎn)生的力的差值，也就是說介質(zhì)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(shè)計(jì)時(shí)找到密封性能和動(dòng)作精度的平衡點(diǎn)會(huì)更加困難。在火炬系統(tǒng)等低壓工況下，介質(zhì)壓力產(chǎn)生的動(dòng)力是稀缺資源，較低的介質(zhì)壓力利用率和內(nèi)部損耗較多的間接加載方式?jīng)Q定了該類爆破針型閥應(yīng)用于火炬系統(tǒng)主要會(huì)存在以下問題：

第一，精度很難提高。在介質(zhì)壓力向爆破針加載的過程中，所有擾動(dòng)因素綜合之后不可精確計(jì)算的部分與被利用的介質(zhì)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(duì)于間接加載式旋轉(zhuǎn)開啟爆破針型閥而言，其可產(chǎn)生擾動(dòng)因素的環(huán)節(jié)較直接加載式爆破針型閥要多得多，且其介質(zhì)壓力利用率較低，因此，擾動(dòng)因素不可精確計(jì)算的部分與實(shí)際利用的介質(zhì)壓力的比值很難控制下來，精度很難提高，這是由其設(shè)計(jì)先天性地決定的，后天很難彌補(bǔ)。

第二，密封系統(tǒng)十分脆弱。間接加載式旋轉(zhuǎn)開啟爆破針型閥介質(zhì)壓力利用率低和加載各環(huán)節(jié)擾動(dòng)多的設(shè)計(jì)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(tǒng)的設(shè)計(jì)。對(duì)于間接加載式旋轉(zhuǎn)開啟爆破針型閥而言，其較低的介質(zhì)壓力介質(zhì)壓力利用率是由其偏心蝶閥式設(shè)計(jì)決定的，不可改變。若提高精度，設(shè)計(jì)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(duì)于12~24”的間接加載式旋轉(zhuǎn)開啟爆破針型閥的介質(zhì)動(dòng)力扭矩進(jìn)行計(jì)算，并與常規(guī)雙偏心軟密封蝶閥的開關(guān)扭矩進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)設(shè)定壓力為100kPa時(shí)，若該類型爆破針型閥需要達(dá)到相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的動(dòng)作精度（±13.9kPa），該類型爆破針型閥密封系統(tǒng)產(chǎn)生的摩擦力僅為常規(guī)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(tǒng)的可靠性會(huì)僅為常規(guī)雙偏心蝶閥的1/4左右。

該類爆破針型閥的生產(chǎn)廠家在其操作手冊(cè)中明確規(guī)定其閥門在起跳25次后應(yīng)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(tái)閥門額外準(zhǔn)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(dǎo)式直線開啟爆破針型閥

先導(dǎo)式直線開啟爆破針型閥出現(xiàn)于1999年，其設(shè)計(jì)原理與先導(dǎo)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(dǎo)閥，該先導(dǎo)閥的上腔通過連通管與系統(tǒng)下游管道連通，先導(dǎo)閥泄壓時(shí)壓力會(huì)向系統(tǒng)下游管道泄放。先導(dǎo)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(tǒng)上游管道連通。因此，主閥下腔、上腔和先導(dǎo)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(dǎo)式直線開啟爆破針型閥

當(dāng)系統(tǒng)壓力超過泄壓設(shè)定值時(shí)，爆破針失穩(wěn)，先導(dǎo)閥會(huì)向系統(tǒng)下游管道泄壓。此時(shí)主閥上腔的壓力會(huì)迅速向下游管道泄放而降低，下腔與上腔之間的壓差會(huì)使主閥閥瓣的下表面壓力大于上表面壓力，此壓力差會(huì)將主閥閥瓣從主閥閥座上推開，從而實(shí)現(xiàn)上游介質(zhì)向下游泄壓。

這種類型爆破針型閥的先導(dǎo)閥具有上文分析的直接加載式直線開啟爆破針型閥的優(yōu)勢(shì)，即力的加載方式直接、簡潔，且僅有一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，先導(dǎo)閥本身的可靠性較高。但是，這種類型的爆破針型閥應(yīng)用于火炬系統(tǒng)也有著明顯的劣勢(shì)：

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

第二，對(duì)于設(shè)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(shè)定壓力本身就已經(jīng)很低，可能會(huì)出現(xiàn)主閥下腔與主閥下腔與上腔之間不能形成足夠壓差而導(dǎo)致先導(dǎo)閥動(dòng)作后主閥卻未能如期開啟的情形。

按照生產(chǎn)廠家的建議，該類爆破針型閥最低設(shè)定壓力為4.5psig（31kPag）。此外，在實(shí)地調(diào)研過程中，國內(nèi)某項(xiàng)目用戶反映曾出現(xiàn)先導(dǎo)閥已經(jīng)動(dòng)作主閥卻未開啟的情形。

第三，該類爆破針型閥的現(xiàn)有設(shè)計(jì)存在明顯安全隱患。爆破針型閥的動(dòng)作是隨機(jī)的，具有不可預(yù)測性。然而，該類爆破針型閥的主閥閥桿未設(shè)任何保護(hù)裝置，人的肢體能夠自由進(jìn)入主閥閥桿區(qū)域，也就是說，存在閥門動(dòng)作時(shí)肢體恰好處于主閥閥桿區(qū)域而受傷的可能性。

2.4 先導(dǎo)式旋轉(zhuǎn)開啟爆破針型閥

先導(dǎo)式旋轉(zhuǎn)開啟爆破針型閥出現(xiàn)于2012年，該閥門將爆破針技術(shù)與角行程開關(guān)閥完美地結(jié)合起來，其動(dòng)作原理如圖7所示。

圖7 先導(dǎo)式旋轉(zhuǎn)開啟爆破針型閥

爆破針型先導(dǎo)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(zhì)壓力，并經(jīng)其閥桿將載荷傳遞至爆破針。當(dāng)管線內(nèi)壓力小于設(shè)定壓力時(shí)，爆破針保持穩(wěn)定，與閥桿固定連接為一體的鎖止卡套將兩個(gè)鎖止手柄卡住，使得鎖止手柄將助力機(jī)構(gòu)的頂桿頂住，蝶閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)管線內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定壓力，爆破針失穩(wěn)彎曲而喪失承載能力，管線內(nèi)介質(zhì)壓力將推動(dòng)活塞并進(jìn)而帶動(dòng)鎖止卡套向下移動(dòng)直至失去對(duì)鎖止手柄的約束。此時(shí)，鎖止手柄將釋放助力機(jī)構(gòu)的頂桿，助力機(jī)構(gòu)帶動(dòng)蝶閥開啟而達(dá)到泄壓的目的。

該類爆破針型閥的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在以下方面：在設(shè)計(jì)上將先導(dǎo)閥與主閥的摩擦系統(tǒng)隔離開來，使得先導(dǎo)閥的動(dòng)作不受主閥密封系統(tǒng)摩擦力的影響，也就是說主閥密封系統(tǒng)摩擦力對(duì)于先導(dǎo)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作不會(huì)產(chǎn)生影響，而主閥本身是是通過彈簧式執(zhí)行器開啟的，主閥選擇時(shí)無需考慮介質(zhì)壓力產(chǎn)生的動(dòng)力的制約，可選擇密封等級(jí)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(shè)計(jì)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(shí)獲得最佳的爆破精度和密封性能，并且為旋轉(zhuǎn)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(tǒng)等低壓工況。

3 結(jié)語

本文對(duì)爆破針型閥在火炬系統(tǒng)中的典型應(yīng)用進(jìn)行了梳理，并以時(shí)間為序?qū)Ρ漆樞烷y的發(fā)展與改進(jìn)歷史進(jìn)行了回顧，同時(shí)概括了不同設(shè)計(jì)爆破針型閥的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及應(yīng)用于火炬系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)和存在的問題，供相關(guān)用戶和工程公司在設(shè)計(jì)火炬系統(tǒng)和進(jìn)行爆破針型閥選擇時(shí)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(shè)施的設(shè)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?yàn)閮?chǔ)運(yùn)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理。