氣動爆破針閥應用于地面火炬中的問題和安全隱患

李強

摘 要：作為旁路使用的爆破針閥是地面火炬系統及其上游裝置的最后安全保障。其可靠性影響的不僅是局部的安全，更會影響全廠所有產生火炬氣的裝置的安全。氣動爆破針閥的動作依賴于外界公用工程條件，其功能能否完成取決于外界條件，不是“失效安全型”，不滿足API 537和SH 3009標準的基本要求。此外，實際應用中發現，由于氣動爆破針閥多處使用了O形環和潤滑脂，O形環與金屬件的“粘連”以及潤滑脂的燥化，都會造成實際爆破壓力的上升，這是采用爆破針型換向閥的必然結果。因此，不應選擇氣動爆破針閥作為分級閥旁路使用。

關鍵詞：地面火炬;氣動爆破針閥;安全隱患

1 引言

國內某乙烯工程設置了全廠低壓火炬，用于處理該工程LLDPE裝置、JPP裝置、丁二烯裝置、乙烯裝置、汽油加氫裝置、芳烴抽提裝置、C5裝置和低溫罐區等各種工況下排放的低壓火炬氣。該火炬設施采用地面火炬形式，設計處理能力為（13+34+11）t/h，即用于處理低熱值低壓火炬氣13t/h、高熱值低壓火炬氣34t/h和低溫低壓火炬氣11t/h。

來自丁二烯/乙烯裝置與LLDPE裝置低熱值低壓火炬氣分別通過一支單獨管線插入臥式水封罐，當排氣壓力超過水封壓力時，排放氣沖破水封，由出口排出通過兩個分級控制閥組進入地面火炬中低熱值低壓專用特殊燃燒器處理?？紤]排放氣熱值較低，在分級管線上設置有壓力變送器和燃料氣補充管線。燃料氣管線上設置有氣動調節閥，DCS遠程控制伴燒燃料氣補充量。為達到100%無煙燃燒效果，設置一路中壓消煙蒸汽管線，管線上設置氣動調節閥，通過DCS遠程控制。

來自丁二烯裝置、JPP/HDPE裝置分別通過一支單獨管線插入臥式水封罐，當排氣壓力超過水封壓力時，排放氣沖破水封，由出口排出通過四個分級控制閥組進入地面火炬中的三參數蒸汽消煙型燃燒器處理。為達到100%無煙燃燒效果，每級均設置中壓消煙蒸汽管線。

來自低溫罐區的火炬氣通過單獨管線進入全廠低壓地面火炬中低溫低壓專用特殊燃燒器處理。管線上設置有流量變送器、并聯阻火器及差壓變送器。為達到100%無煙燃燒效果，特殊燃燒器設置一路中壓消煙蒸汽。

火炬系統是乙烯工程的重要安全和環保設施，其可靠性影響的不僅是局部，更是全廠的安全，是石化廠的最后一道安全防線。在火炬系統的設計上，必須保證去往火炬的放空管道在任何情況下均能夠保持暢通，因此，按照API 537等標準的要求，分級控制閥應設置“失效安全型”的非重閉式泄壓裝置（爆破片或者爆破針閥）作為旁路，旁路的動作必須不依賴其他外界條件，在分級控制閥不能完成泄放任務時自動開啟以將火炬氣泄放至火炬頭燃燒，以保證火炬系統自身及其上游裝置的安全性[1]。

與爆破片相比較，設計良好的爆破針閥具有動作精度高、復位安全簡單迅速、無需定期更換、泄放時不會產生碎片、長期使用成本低等優勢。在該項目前期技術交流過程中，各國際知名火炬公司均推薦使用爆破針閥作為旁路使用。

爆破針閥目前在國內地面火炬項目已得到廣泛應用，但在該項目設計時，爆破針閥還是一種較新的泄壓裝置，在采購階段未能提出關于爆破針閥的關鍵技術要求。最終，火炬總包方供應了5臺氣動爆破針閥。本文將對氣動爆破針閥的原理進行介紹，并對這些閥門在調試和使用過程中暴露出來的問題和安全隱患進行總結，供后續項目借鑒。

2 氣動爆破針閥原理

如圖1所示，氣動爆破針閥主要由雙作用執行器、蝶閥和爆破針型兩位五通換向閥組成，其與普通氣動蝶閥的主要區別在于兩位五通換向閥的工作原理。普通氣動蝶閥使用的兩位五通換向閥由電磁控制，當電磁線圈通電或斷電時，該換向閥內部通道發生改變，達到控制氣源按所需通道進出雙作用執行器的目的。

而氣動爆破針閥使用的兩位五通換向閥由爆破針控制，如圖2所示。當介質壓力達到設定壓力水平時，爆破針會失穩彎曲，換向閥內部通道發生改變，使氣源按所需通道進出雙作用執行器，進而開啟蝶閥。

3 由于依賴儀表風而帶來的安全隱患分析

爆破針閥作為地面火炬分級控制閥旁路，API 537及SH 3009標準對其基本要求是“失效安全型”[1-2]。爆破針閥是否動作，應該僅由地面火炬分級控制閥組處的壓力決定，在正常工況下，分級控制閥組處的壓力小于設定值，爆破針保持直線穩定，爆破針閥處于關閉狀態;在非正常工況下，分級控制閥組處的壓力超過設定值，爆破針失穩彎曲，爆破針閥開啟泄壓。同時，爆破針閥是否動作，應該僅由爆破針是否發生失穩決定，而不應依賴于任何外部公用工程條件。更為重要的是，爆破針閥的動作，絕對不能與分級控制閥依賴于相同的公用工程條件，否則，分級控制閥和爆破針閥就會同時出現故障，而將地面火炬系統和上游裝置置于危險境地，很有可能導致安全事故。

對于氣動爆破針閥而言，其動作不僅由分級控制閥組處的壓力是否已經將爆破針壓至失穩彎曲決定，也由儀表風這一公用工程條件決定。若儀表風出現故障，即使爆破針已經失穩彎曲，爆破針閥也無法開啟，這樣的泄壓裝置顯然不是“失效安全型”。儀表風發生故障雖然屬于特殊情況，但是并非不可能發生，必須引起足夠的重視。

經與火炬總包方和氣動爆破針閥廠家溝通，廠家建議在爆破針閥附近增加一個空氣儲罐，在儲罐入口設置一個單向閥。在正常工作狀態下，儲氣罐始終處于充氣狀態，當氣源壓力快速降低或者消失時，單向閥自動關閉，改由儲罐繼續給執行機構供氣。此外，儲罐應配置現場壓力表、壓力變送器（用以遠傳壓力信號以監控儲罐狀態）、排污閥、安全閥和吹掃用閥門等附件。

項目及運行人員認為，增加空氣儲罐，只不過是沒有其他更優選擇情況下的無奈選擇，儀表風的可靠性能夠得到一定程度的提高，但不能改變氣動爆破針閥不是“失效安全型”這一本質。氣動爆破針閥還可能由于諸多因素失效，進而無法有效保護地面火炬及其上游設備，帶來安全隱患，相關因素匯總如下表所示。

表格所述的危險因素，若在巡檢過程未及時發現，表格所述的問題將變為隱性故障，導致氣動爆破針閥無法按照設計要求在超壓時開啟，進而無法泄壓，將意味著無法有效保護地面火炬系統及上游裝置，嚴重的話將導致安全事故。因此，項目運行人員提高了對于氣動爆破針閥的巡檢頻率，項目投產至今，平均每年能夠發現并處理氣動爆破針閥隱患十余處。

4 現場調試及后續運行測試中發現的爆破壓力升高問題

在低壓地面火炬調試階段，業主與火炬總包方及氣動爆破針閥廠家共同對氣動爆破針閥進行逐個測試。根據氣動爆破針閥廠家承諾的精度，實際爆破壓力相對于設定壓力允許的偏差為±9%。根據現場讀取的爆破壓力，所有5臺閥門均在大大高于設定壓力9%后方能爆破，其中3臺閥門高于設定壓力110%后爆破，另外兩臺閥們高于設定壓力150%后爆破。

爆破針閥可以視作整個乙烯工程低壓火炬氣系統的最后一道安全保護設施，在特殊工況下，若爆（下轉第163頁）（上接第160頁）破針閥不能如其動作而導致火炬氣背壓持續升高，會導致其上游裝置（包括儲罐、容器、壓縮機等）無法及時泄壓而引發危險。氣動爆破針閥廠家就爆破壓力上升分析原因如下，并相應地提供了解決方案。

在氣動爆破針閥出廠前，廠家對所有的密封件（這其中包括換向閥閥芯與閥體之間的6個O形環，活塞與缸體之間的1個O形環），均涂抹了含PTFE的多用途潤滑脂Slick 50。從閥門出廠到現場測試，已有近半年時間，潤滑脂不可避免地會發生燥化，并且密封件的分子會由于微布朗運動（分子熱運動）遷移到對偶件的表面，在一定程度上形成“粘連”現象，因此，實際爆破壓力大幅度上升是可以預見的。

廠家建議，將爆破針型換向閥拆開，取下相關密封件，使用合適的清洗劑對密封件及相關部件進行徹底清潔，并充分涂敷潤滑脂Slick 50。按上述程序操作后，對5臺氣動爆破針閥進行逐個測試，其中4臺閥門在設定壓力±9%的偏差內爆破，另有1臺閥門在高于設定壓力17%后爆破。

在地面火炬投產后約3個月后，為了掌握氣動爆破針閥的實際爆破壓力，運行人員再次對5臺氣動爆破針閥進行測試，測試結果發現其中2臺閥門高于設定壓力80%后爆破，2臺閥門高于設定壓力100%后爆破，另有1臺閥門在高于設定壓力130%后爆破。

項目運行人員再次聯系火炬總包方和氣動爆破針閥廠家。廠家認為，爆破壓力上升仍然主要是由潤滑脂的燥化和非金屬密封環與金屬件的“粘連”造成的。這是采用此種結構爆破針型換向閥的必然結果，是由自然規律決定的。由于本項目設定壓力較低（多數閥門設定壓力低于25kPag），因此，爆破壓力上升比例更為明顯。廠家建議定期活動爆破針型換向閥的閥芯，若有條件，應定期清洗密封環及相關部件，涂敷新的潤滑脂。

從上述測試結果及廠家解釋不難看出，由于爆破針型兩位五通換向閥中多處采用了O形環密封，并且為了降低密封環與相關部件之間的摩擦力及其變動水平而使用了潤滑脂，潤滑脂的燥化效應和密封環金屬件之間的“粘連”會造成實際爆破壓力隨著時間的推移而持續上升。這會導致爆破針閥不能按照設計爆破，不能有效保護地面火炬及其上游裝置，對整個乙烯工程而言是一個安全隱患，并且大大增加了現場工作人員的工作量。

5 結論

眾所周知，火炬系統是石化廠的最后一道安全防線，而作為旁路使用的爆破針閥則是地面火炬系統及其上游裝置的最后安全保障。其可靠性影響的不僅是局部的安全，更會影響全廠所有產生火炬氣的裝置的安全。隨著石化企業生產規模的不斷擴大，工藝流程也日趨復雜，事故發生的幾率和危害程度也不斷增加，所有影響安全的環節都應做到本質安全，而不應存僥幸心理。

由于氣動爆破針閥依賴于外界公用工程條件，其功能能否完成取決于外界條件，外界氣源失效時，這一類爆破針閥完全失效，這一類爆破針閥不是“失效安全型”，不滿足API 537和SH 3009標準的基本要求。更為重要的是，氣動爆破針閥和分級控制閥均依賴相同的公用工程條件，極有可能出現分級控制閥和爆破針閥同時出現故障的狀況，那時地面火炬系統和上游裝置將處于危險境地，很有可能導致安全事故。因此，在今后的項目中不應選擇氣動爆破針閥作為分級閥旁路使用。

此外，實際應用中發現，由于氣動爆破針閥多處使用了O形環和潤滑脂，O形環與金屬件的“粘連”以及潤滑脂的燥化，都會造成實際爆破壓力的上升，這是采用此種結構爆破針型換向閥的必然結果。因此，廠家建議定期活動爆破針型換向閥的閥芯，并應定期清洗密封環及相關部件，涂敷新的潤滑脂。這是無奈之舉，無法徹底解決安全隱患，并且大大增加了現場工作人員的工作量。

對于已經使用氣動爆破針閥的項目，應在條件具備時使用純機械式爆破針閥更換氣動爆破針閥。在更換前，應加大巡檢力度，及早發現并解決安全隱患。

參考文獻：

[1] API Standard 537， Flare Details For General Refinery And Petrochemical Service，2008.

[2] SH3009-2013.石油化工可燃性氣體排放系統設計規范[S].中華人民共和國工業和信息化部，2013.

[3]于維國，陳雅茹.儀表風管線凍凝事故分析及解決對策[J].化工機械，2012，39（4）：515-517.