止回閥失效事故分析與對策研究

張德全，王延平，盧均臣，姜春明

(1.中國石化安全監(jiān)管局，北京 100728；2.中國石化青島安全工程研究院；3.化學(xué)品安全控制國家重點實驗室)

2018年3月12日，A煉油廠柴油加氫裝置加氫進料泵聯(lián)鎖停泵后，因泵出口兩道止回閥失效，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)高壓介質(zhì)(柴油、氫氣，5.07 MPa)從泵出口經(jīng)泵體反串入原料罐(設(shè)計壓力0.38 MPa)，致使原料罐罐體撕裂，引起爆炸、起火。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該裝置自2002年以來，一直沒有對加氫進料泵出口止回閥進行過檢修，企業(yè)管理制度中也沒有對止回閥定期檢修的要求。

事故暴露出的止回閥管理問題，在其他石化企業(yè)也普遍存在[1]。因此，有必要對止回閥失效引起的事故進行專項分析，提出針對性措施，防止類似事故再次發(fā)生。

1 止回閥失效事故剖析

止回閥，又稱單向閥、逆止閥，在石油化工行業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，在一些高風(fēng)險裝置的關(guān)鍵部位如加氫裝置高壓離心泵出口、氫氣壓縮機出口、高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)界區(qū)都安裝止回閥[2]。一些企業(yè)由于在設(shè)計、選材、使用、檢驗、維修等環(huán)節(jié)管理不到位，導(dǎo)致止回閥失效，物料倒流，高壓系統(tǒng)物料向低壓系統(tǒng)反串，引起低壓設(shè)備損壞，或發(fā)生物料泄漏，引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故。

1.1 歷史上發(fā)生的止回閥失效事故

在歷史上，國內(nèi)外石化企業(yè)都曾多次發(fā)生由于止回閥失效導(dǎo)致的事故，具體情況如表1所示[3-6]。

1.2 止回閥失效形式分析

石油化工常用止回閥按結(jié)構(gòu)可分為升降式、旋啟式、蝶式等型式。對表1所列事故進行分析，止回閥失效分為止回閥內(nèi)漏和止回閥外漏兩種形式，具體的失效現(xiàn)象與說明及事故案例如表2所示。

1.3 止回閥失效事故深層次原因剖析

1.3.1設(shè)計不合理工藝設(shè)計和止回閥設(shè)計存在缺陷或不合理情況。

(1)工藝設(shè)計存在缺陷，對于物料倒流會產(chǎn)生危險的設(shè)備管道，沒有在設(shè)置止回閥的同時設(shè)置緊急切斷閥。

發(fā)生爆炸火災(zāi)事故的A煉油廠柴油加氫裝置，止回閥后雖然設(shè)置了快速切斷閥，但氣動頭需現(xiàn)場關(guān)閉，沒有參與聯(lián)鎖，沒有進DCS系統(tǒng)。該裝置設(shè)計年代較早(1990年)，雖然符合當(dāng)時標(biāo)準(zhǔn)要求，但歷經(jīng)2002年、2010年2次改造，均未按規(guī)范要求進行改造。

《石油化工企業(yè)職業(yè)安全衛(wèi)生設(shè)計規(guī)范(SH 3047—1993)》第2.2.7條規(guī)定：物料倒流會產(chǎn)生危險的設(shè)備管道，應(yīng)根據(jù)具體情況設(shè)置自動切斷閥、止回閥或中間容器等。該條的條文說明指出：止回閥應(yīng)和切斷閥(遙控或手動閥)結(jié)合使用。如果需要嚴(yán)格防止倒流，則需采用自動切斷閥，或結(jié)合生產(chǎn)流程的特點采取其他可靠措施。

(2)止回閥結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷，選材不當(dāng)，不能滿足工藝要求，在使用過程中發(fā)生損壞。

1997年，D化學(xué)公司美國德克薩斯州烯烴裝置發(fā)生爆炸事故，事故直接原因為：工藝氣壓縮機第5級吸氣側(cè)止回閥存在設(shè)計缺陷，閥門的“短軸”缺少二級軸固定，軸定位銷承受較大的應(yīng)力載荷，材質(zhì)為滲碳鋼，發(fā)生氫脆，在正常生產(chǎn)過程中軸從閥中吹出。2008年3月10日，G工廠合成氣壓縮機在運行過程中止回閥損壞。事故原因為閥門設(shè)計存在缺陷：旋啟式單瓣止回閥在裝置開停車過程中，閥門發(fā)生啟閉動作對閥芯及附件有較大沖擊力，“水錘”現(xiàn)象比較明顯，導(dǎo)致閥瓣從搖臂上脫落，固定閥瓣的螺母及頂絲脫落。氣體中高濃度的氫對頂絲、螺母表面有一定的腐蝕作用，導(dǎo)致頂絲、螺母的預(yù)緊力下降。

表1 止回閥失效事故列表

表2 止回閥失效形式

1.3.2止回閥選型不合理設(shè)備選型沒有考慮壓差、直徑等問題，不能滿足工藝要求，導(dǎo)致閥門泄漏甚至失效[7]。

A煉油廠柴油加氫裝置爆炸火災(zāi)事故中，加氫進料泵出口采用同一形式雙止回閥，都屬于旋啟式止回閥。《煉油裝置工藝管道流程設(shè)計規(guī)范(SHT 3122—2013)》第11.7條要求對出口與入口壓差大于4.0 MPa的離心泵，宜在泵出口管道上設(shè)置雙切斷閥和不同形式的雙止回閥，該條的條文說明指出：為了減少止回閥泄漏量，宜設(shè)置雙止回閥。如果兩個止回閥都采用同一種結(jié)構(gòu)型式，當(dāng)泵發(fā)生突然停止運轉(zhuǎn)的情況時，出現(xiàn)閥瓣不能自動關(guān)閉導(dǎo)致倒流的幾率較大。為了降低閥瓣不能自動關(guān)閉而引起倒流的幾率，因此規(guī)范規(guī)定，設(shè)置兩個不同類型的止回閥。雖然該裝置設(shè)計年代較早(1990年)，不適用2013年發(fā)布的設(shè)計規(guī)范，但選用同一形式的雙止回閥是導(dǎo)致閥門失效的重要因素。

1.3.3沒有止回閥檢驗、維修管理制度、標(biāo)準(zhǔn)止回閥是存在運動部件的設(shè)備，存在損壞可能，必須對止回閥定期進行檢驗和修理，才能確保其可靠性。

一些關(guān)鍵部位的止回閥的重要性不低于安全閥，目前國家標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)的管理制度中對安全閥的檢查和校驗都有明確要求，但是沒有對止回閥進行定期檢驗、維修的制度、規(guī)定、標(biāo)準(zhǔn)。止回閥不在國家強制檢驗范圍之內(nèi)，只是列入一般閥門管理。

在《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和《壓力容器定期檢驗規(guī)則(TSG R7001—2013)》中，安全閥屬于安全附件，止回閥不屬于安全附件，規(guī)范對安全閥的檢查和校驗有明確要求，但是對止回閥沒有定期檢驗的要求。《閥門的檢驗與試驗(JBT 9092—1999)》、《工業(yè)閥門壓力試驗(GBT 13927—2008)》、國家標(biāo)準(zhǔn)《閥門的檢驗和試驗(GBT 26480—2011)》、美國石油協(xié)會《閥門的檢查和試驗(API 598—2009)》、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)用閥門 閥門的壓力試驗(ISODIS 5208—2007)》等國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中，也沒有對裝置在用止回閥進行定期檢查、試驗、維護方面的要求。

由于缺乏相關(guān)制度，導(dǎo)致企業(yè)止回閥檢驗、維修工作不到位，形成管理真空，目前企業(yè)在用止回閥的可靠性很低，一些企業(yè)的止回閥在裝置建成后很少檢修，為裝置埋下大量安全隱患。

1.3.4止回閥檢驗和維修困難裝置正常運行時，止回閥都是正向流動，只有裝置處于異常狀態(tài)、發(fā)生物料倒流時才動作，止回閥內(nèi)漏很難發(fā)現(xiàn)。普通的在線閥門內(nèi)漏檢測儀檢測的是正向流動，而止回閥的內(nèi)漏是反向的，難以在線檢測。一些止回閥安裝在主要的工藝管線上，沒有副線，不停工無法切出檢查，有些甚至直接焊接在管線上，很難檢查和檢修。

1.3.5缺乏止回閥失效數(shù)據(jù)由于缺少止回閥的失效概率數(shù)據(jù)，設(shè)備可靠性管理、量化風(fēng)險評估缺少數(shù)據(jù)支持。如在保護層分析方法(LOPA)中，止回閥不能作為獨立保護層使用。

1.3.6止回閥制造質(zhì)量不高目前國產(chǎn)止回閥的制造質(zhì)量與國外同類產(chǎn)品相比，仍存在差距，企業(yè)部分關(guān)鍵部位止回閥仍使用進口止回閥。

1.3.7HAZOP分析未有效識別出止回閥失效的風(fēng)險一些企業(yè)在進行HAZOP分析時，沒有對止回閥失效的風(fēng)險，特別是逆流的風(fēng)險進行分析。

2 止回閥設(shè)計、維護、檢驗標(biāo)準(zhǔn)對比

2.1 設(shè)計規(guī)范中對止回閥內(nèi)漏的分析

《石油化工企業(yè)職業(yè)安全衛(wèi)生設(shè)計規(guī)范(SH 3047—1993)》第2.2.7條的條文說明指出：止回閥和中間容器是不能完全防止倒流的，只能防止大量物料突然倒流，所以應(yīng)和切斷閥(遙控或手動閥)結(jié)合使用。如果需要嚴(yán)格防止倒流，則需采用自動切斷閥，或結(jié)合生產(chǎn)流程的特點采取其他可靠措施，如液封、倒U形管等，設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合具體情況慎重處理。

因此，止回閥只能防止大量物料突然倒流，不能完全防止物料倒流，在工藝管線中前后壓差比較大、存在高壓串低壓風(fēng)險的部位，在設(shè)置止回閥的同時，必須設(shè)置自動切斷閥。

2.2 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中對止回閥檢驗與試驗、選型的規(guī)定

目前國內(nèi)適用于止回閥檢驗與試驗、選型的標(biāo)準(zhǔn)有機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《閥門的檢驗與試驗(JBT 9092—1999)》、國家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)閥門壓力試驗(GBT 13927—2008)》、國家標(biāo)準(zhǔn)《閥門的檢驗和試驗(GBT 26480—2011)》等。國外標(biāo)準(zhǔn)有美國石油協(xié)會(API)標(biāo)準(zhǔn)《閥門的檢查和試驗(API 598—2009)》和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)用閥門 閥門的壓力試驗(ISODIS 5208：2007)》。

對國內(nèi)外止回閥檢驗和試驗標(biāo)準(zhǔn)進行了對比，它們的相同點有：①對各類閥門(包括止回閥)出廠前的檢查、檢驗和補充檢驗、壓力試驗、壓力試驗程序、再試驗都有詳細規(guī)定，內(nèi)容基本一致；②沒有對裝置在用止回閥進行定期檢查、檢驗、維護方面的要求。它們的不同點是：JBT 9092—1999、GBT 26480—2011均采標(biāo)美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)API 598—2009，這3個標(biāo)準(zhǔn)的止回閥密封試驗最大允許泄漏量、壓力試驗項目基本一致，對彈性密封副閥門、除止回閥外的所有金屬密封副閥門、金屬密封副止回閥分別給出泄漏量(見表3)；而GBT 13927—2008采標(biāo)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)用閥門 閥門的壓力試驗(ISODIS 5208：2007)》，最大允許泄漏量的確定方法、壓力試驗項目與上述3個標(biāo)準(zhǔn)不同，考慮了泄漏等級，根據(jù)泄漏等級統(tǒng)一給出泄漏量，沒有區(qū)分閥門類型(見表4)。

表3 《閥門的檢驗和試驗(GBT 26480—2011)》密封試驗最大允許泄漏率

表3 《閥門的檢驗和試驗(GBT 26480—2011)》密封試驗最大允許泄漏率

項 目公稱直徑(DN)∕mm≤5065～150200～300≥3503)所有彈性密封副閥門允許泄漏率∕(滴·min-1)02)000除止回閥外的所有金屬密封副閥門 液體試驗允許泄漏率1)∕(滴·min-1)012202×DN∕25 氣泡試驗允許泄漏率∕(氣泡·min-1)02)24404×DN∕25金屬密封副止回閥 液體試驗允許泄漏率∕(mL·min-1)(DN/25)×3(DN/25)×3(DN/25)×3(DN/25)×3 氣體試驗允許泄漏率∕(m3·h-1)(DN/25)×0.042(DN/25)×0.042(DN/25)×0.042(DN/25)×0.042

1)對于液體試驗介質(zhì)，16滴相當(dāng)于1 mL(用內(nèi)徑為6 mm的管子)。

2)在規(guī)定的最短試驗壓力持續(xù)時間內(nèi)，對于液體試驗，“0” 滴表示在每個規(guī)定的最短試驗時間內(nèi)無可見泄漏，對于氣體試驗，“0” 氣泡表示在每個規(guī)定的最短試驗時間內(nèi)泄漏量小于1個氣泡。

3)對于公稱直徑DN大于600 mm的止回閥，允許的泄漏率由供需雙方商定。

表4 《工業(yè)閥門壓力試驗(GBT 13927—2008)》密封試驗的最大允許泄漏率

表4 《工業(yè)閥門壓力試驗(GBT 13927—2008)》密封試驗的最大允許泄漏率

項 目液體試驗氣體試驗允許泄漏率∕(mm3·s-1)允許泄漏率∕(滴·min-1)允許泄漏率∕(mm3·s-1)允許泄漏率∕(滴·min-1)A級在試驗壓力持續(xù)時間內(nèi)無可 見泄漏在試驗壓力持續(xù)時間內(nèi)無可 見泄漏在試驗壓力持續(xù)時間內(nèi)無可 見泄漏在試驗壓力持續(xù)時間內(nèi)無可 見泄漏AA級0.006×DN0.006×DN0.18×DN0.18×DNB級0.01×DN0.01×DN0.3×DN0.28×DNC級0.03×DN0.03×DN3×DN2.75×DNCC級0.08×DN0.08×DN22.3×DN20.4×DND級0.1×DN0.1×DN30×DN27.5×DNE級0.3×DN0.29×DN300×DN275×DNEE級0.39×DN0.37×DN470×DN428×DNF級1×DN0.96×DN3 000×DN2 750×DNG級2×DN1.92×DN6 000×DN5 500×DN

注：泄漏率為0.1 MPa壓力下的數(shù)據(jù)；閥門的DN為按該標(biāo)準(zhǔn)附錄A規(guī)定的“等同的規(guī)格”公稱直徑數(shù)值。

對比以上標(biāo)準(zhǔn)，可見：①目前國內(nèi)涉及止回閥制造、檢驗、試驗的標(biāo)準(zhǔn)與國外差別不大，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)基本都采標(biāo)國外權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致目前企業(yè)在用止回閥可靠性差的主要原因在于制造質(zhì)量不高、設(shè)備選型不合理以及使用過程中的檢驗和維護不規(guī)范；②標(biāo)準(zhǔn)中最大允許泄漏量的確定方法、壓力試驗項目存在差異，《工業(yè)閥門壓力試驗(GBT 13927—2008)》中，按泄漏等級進行止回閥選型有很強的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵部位止回閥選型的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)就高不就低，試驗指標(biāo)從嚴(yán)，并根據(jù)實際風(fēng)險，提高泄漏等級，保證購貨質(zhì)量。

3 止回閥失效風(fēng)險控制措施與建議

3.1 建立止回閥失效風(fēng)險分級管控機制

石化裝置不同場合使用的止回閥的工藝條件、失效概率不同，失效后導(dǎo)致的風(fēng)險也不同，因此，止回閥的管理不能一刀切。

建議根據(jù)止回閥使用場合的工藝介質(zhì)、公稱直徑、串壓壓差、壓比、工藝波動情況、轉(zhuǎn)動設(shè)備啟閉頻率、歷史事故或事件情況、介質(zhì)逆流HAZOP分析結(jié)果等，制定《止回閥風(fēng)險識別和分級方法》和《止回閥分級管理制度》，指導(dǎo)企業(yè)對裝置中的各類止回閥進行串壓風(fēng)險排查，確定止回閥的風(fēng)險等級，進行分級管理，對高、中、低風(fēng)險的止回閥確定不同的檢驗、維修策略，根據(jù)生產(chǎn)運行情況，安排檢驗、維修、更換，確保裝置運行安全。

3.2 建立止回閥失效數(shù)據(jù)庫

建議加強止回閥失效數(shù)據(jù)的收集工作，制定止回閥失效數(shù)據(jù)搜集管理制度，由企業(yè)設(shè)備管理部門逐級填報止回閥檢驗、維修情況，積累失效數(shù)據(jù)，建立止回閥失效數(shù)據(jù)庫，為量化風(fēng)險評估、設(shè)備完整性管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.3 制定《止回閥選購指導(dǎo)意見》

目前市場上止回閥品種和型號很多，質(zhì)量差異很大，由于對止回閥失效的風(fēng)險認(rèn)識不到位，企業(yè)在采購過程中缺少科學(xué)指導(dǎo)，導(dǎo)致一些質(zhì)量不符合要求的止回閥安裝到關(guān)鍵裝置的關(guān)鍵部位。

建議依據(jù)最新的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，按照“就高不就低”的原則，確定止回閥檢驗、試驗項目和指標(biāo)，根據(jù)止回閥風(fēng)險等級確定止回閥的泄漏等級，進行設(shè)備選型，制定《止回閥選購指導(dǎo)意見》，指導(dǎo)企業(yè)止回閥的選購、選型、檢驗、監(jiān)造，通過加強設(shè)備選型，強化入廠檢驗、入廠監(jiān)造、到貨抽檢環(huán)節(jié)的管理，確保采購質(zhì)量。

3.4 制定止回閥定期檢驗、維修的制度和標(biāo)準(zhǔn)

建議制定有關(guān)止回閥定期檢驗和維修的制度、標(biāo)準(zhǔn)，將風(fēng)險等級高的止回閥列入企業(yè)強制檢驗范圍之內(nèi)，納入特種設(shè)備管理，規(guī)定原則上每年至少校驗一次，并參照有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，制定檢驗、維護的具體要求。在工藝條件允許的情況下，增設(shè)副線，便于止回閥切出檢驗、檢修。對無法切出的風(fēng)險等級高的止回閥，并制定妥善的工藝和安全措施，加強監(jiān)控，在各類檢修時安排校驗。

3.5 開展高可靠性止回閥研發(fā)

建議組織有關(guān)科研單位，開展高可靠性止回閥研發(fā)，有效降低失效概率和內(nèi)漏量，實現(xiàn)本質(zhì)安全。

3.6 建議按有關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求和規(guī)定，對存在類似風(fēng)險的裝置進行工藝改造

建議在加氫進料泵出口、氫氣壓縮機出口、高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)界區(qū)等存在類似風(fēng)險的裝置的止回閥后，設(shè)置聯(lián)鎖緊急切斷閥。