海上油氣設施緊急關斷閥的被動防火設計與實施

李紅，白寧，王飛，杜剛

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

海上油氣開采是一項高風險作業，油氣生產設施面積有限，設備和管線布置緊湊擁擠，通風受到限制，發生油氣泄漏甚至火災爆炸的風險極高，對安全保護方面的設計提出很高的要求。海上油氣生產設施的安全設計除了采取火氣探測、應急關斷、消防控制等主動保護措施外，關鍵區域的結構、設備、管線和閥門等的被動防火措施也是預防和避免重大安全事故的重要手段。

目前，對越來越多的海上油氣設施進行了火災爆炸分析，在火災爆炸分析報告中，通過危險源的辨識，故障模式分析，事故場景以及損害后果分析，對平臺的重要部位提出被動防火設計的要求。作為切斷危險物流的重要安全保護設備，在火災爆炸分析報告中通常會提出對特定的緊急關斷閥的被動防火要求，緊急關斷閥的被動防火方案設計成為高風險油氣生產設施安全設計的重要組成部分。

1 緊急關斷閥被動防火的目的

緊急關斷閥主要用于安全切斷以及隔離設備和管線內的物流，關閉向火災發生處管線的燃料供應。確保緊急關斷閥在火災情況下可正常動作，對于限制火災的擴大，確保人員安全疏散至關重要。

因此，對緊急關斷閥被動防火的目的是要求在火災情況下，通過防火保護措施使該閥避免受到火災影響而失效，保證其在預定時間內可靠地完成切斷動作，阻斷管段中流體的流動，以阻止火災的擴大和蔓延。

2 緊急關斷閥被動防火的實現方式

緊急關斷閥實現被動防火的原理是通過阻斷或減少火災中高溫對閥門和執行機構的熱量傳導，使被保護閥門和執行機構的溫升不會達到其失效溫度，保證閥門的正常工作。目前有關緊急關斷閥的被動防火實現方式有以下幾種：

1)膨脹涂料。該涂料是一種特殊的涂層，噴涂于執行機構和閥門上。當執行機構和閥門暴露在火中時，涂層會發生吸熱反應，形成一層膨脹的熔巖狀煤焦外層，煤焦層的導熱系數很低，成為熱量的屏障，形成被動保護。防火涂層不需要特殊的維護，不受天氣影響，也不會影響閥門和執行機構的正常工作和操作。但該涂層需要由緊急關斷閥和執行機構廠家在出廠前噴涂完成，以保證防火效果。該方式一般僅適用于新的閥門。

2)剛性防火罩。將執行機構整體用熱性能好的材料和剛性的不銹鋼外殼進行封裝，大多數情況下有可開啟的面板，也可打開外殼進行手動操作，外形整潔規整。可抵抗爆炸或噴射火災，并可持續2 h以上。既適用于新閥門上，也適合在既有閥門上新增保護。相對柔性防火罩，剛性防火罩制造難度較大，占據更大空間，價格較高。剛性防火罩外形結構，如圖1所示。

圖1 剛性防火罩外形結構示意

3)柔性防火罩。通常又稱為防火夾克，是采用柔性的隔熱保護層包覆于閥體和執行機構上，尺寸緊湊，易于安裝和拆卸，既適用于新閥門上，也適合在原既閥門上新增保護。具有防風雨、質量輕、堅固耐用、維護成本較低等特點。柔性防火罩外形結構，如圖2所示。

圖2 柔性防火罩外形結構示意

在海上油氣生產設施中，出于空間、質量和成本等方面的考慮，目前緊急關斷閥較多采用的是柔性防火罩被動防火方式。

3 緊急關斷閥被動防火的基本功能要求

對緊急關斷閥被動防火的功能要求，最基本的是處于其保護的火災場景和保護時間要求，一般在油氣設施的火災爆炸分析中會根據相關場所可能發生的火災類型、影響后果、持續時間等給出相應的保護要求。而不同的被動防火設計方案，在可防火災的類型，防火保護時間上有所區別，需要根據功能要求進行專門的設計。

從緊急關斷閥被動防火的應用方面來講，被動防火針對的火災場景可分為碳氫池火(pool fire)和噴射火(jet fire)兩種情況。

碳氫池火是指易燃或可燃的碳氫化合物在一限制范圍內的表面燃燒，為常見的火災類型，溫度約為1 100 ℃，熱輻射強度高達200 kW/m2。

噴射火是指在快速持續泄漏的高壓氣態、氣液兩相、純液態碳氫化合物劇烈燃燒形成的擴散火焰[1]。在試驗過程中，溫度超過1 200 ℃時，熱輻射強度可以達到250 kW/m2。

不同類型火災暴露時間和溫升的對應關系，如圖3所示。

圖3 不同類型火災暴露時間和溫升的對應關系示意

通過火災爆炸分析，緊急關斷閥在對應火災場景下需要保持功能的時間周期通常為15 min，30 min，60 min，120 min等。

要求通常以火災類型+保護時間的方式表示，如J120，H60等，J代表噴射火，H代表碳氫池火，后面的數字表示保護時間。

4 常用標準

API RP 2218： 2013主要針對碳氫池火的火災場景[1]，該標準第5.1.9條對緊急關斷閥的被動防火系統的功能要求和應用進行了相關描述。NORSOK R-004標準第7.5節對被動防火方案設計應考慮的內容和認證覆蓋范圍等方面提出了相關要求[2]。

被動防火方式的有效性測試，常用的相關標準為ISO 22899-1： 2007[3]和UL 1709[4]，同樣適用于緊急關斷閥。這兩項標準均為被動防火材料的測試標準，主要從測試環境的要求、試樣的準備和安裝、測試中的測量、測試程序、性能的標準、測試報告、測試結果的實際應用等方面，規范了被動防火材料的測試過程。文獻[3]針對的是噴射火災環境下的測試，文獻[4]針對的是碳氫池火環境下的測試。還有ISO 834，OTI 95634，EN13381等標準，均為測試相關標準。

5 緊急關斷閥防火罩的功能設計要求

5.1 設計基礎條件

設計文件中除應明確防火罩基本的功能要求外，同時應考慮被保護的緊急關斷閥的失效溫度，也就是維持該閥正常功能下允許的最高溫度。通常閥門的失效溫度為200 ℃左右，執行機構的失效溫度為80 ℃左右，不同生產廠商的產品失效溫度略有不同，可根據實際產品資料調整。在設計被動防火方案時，還需要結合考慮緊急關斷閥使用的環境溫度，介質的工作溫度等。

5.2 需保護的范圍

緊急關斷閥的氣源或液壓源管線和控制信號電纜也應被防火罩保護。閥門的防火罩應向相鄰管線延伸至少1 m[5]。

5.3 防火罩設計中應考慮的安裝維護等問題

防火罩的設計應結合閥門和執行機構的精準外形尺寸，包括各類控制附件的外形尺寸。防火罩的設計應滿足閥門的正常操作、檢查和維護要求，設置相應的可開啟操作方式。緊急關斷閥手輪的防火方式不應影響閥門的操作，就地開關狀態指示應清晰可見，電磁閥選型應確保其在絕熱和不通風的防火罩內工作正常[1]。防火罩設計應考慮緊急關斷閥的支撐以及安裝位置周圍的空間。

5.4 防火罩的取證

鑒于緊急關斷閥防火罩產品在安全上的重要性，國際上主要通過專業和權委的船級社認證方式來保證產品的實際性能。緊急關斷閥防火罩應取得的認證證書分為兩類。一類是產品型式認可證書，一般由船級社頒發(目前主要為勞氏，DNV和ABS船級社)，在投標階段提供，作為評判廠家生產資質和能力的依據之一。認證的型式應與應用的潛在火災類型，保護時間等匹配，并適用于被保護設備的類型。

另一類證書是產品設計評估合格證書，由對產品進行型式認可的船級社出具。由于防火罩為針對具體被保護設備設計定制的，船級社將依據每臺緊急關斷閥具體的保護要求對被動防火罩產品的方案設計評估認證，以確保其達到預期的保護效果。該類證書通常在圖紙送審階段或隨貨提供。

6 防火罩的安裝和實施

由于防火罩的具體實施方案與被保護的緊急關斷閥的實際外形密切相關，通常防火罩的生產廠家在合同實施階段需要現場測試緊急關斷閥，以保證保護效果。

防火罩的安裝是一項專業的技術工作，安裝質量好壞將直接影響防火罩的保護效果。生產廠家一般會為防火罩產品的每一部分編號，并提供一份詳盡的分解圖和安裝指導說明。如安裝流程很復雜，通常需要生產廠家進行現場的安裝培訓和指導服務。防火罩的安裝應嚴格遵循安裝說明，在安裝過程中發現與防火罩設計不符的安裝條件，如氣源或液壓源的儀表管位置變化等，應反饋給防火罩生產商進行核實和修正。

7 結束語

海上油氣生產設施的緊急關斷閥作為安全相關設備，對生產設施的安全保護至關重要。生產設施一旦發生火災事故，緊急關斷閥的被動防火將為事故的控制起到關鍵作用。做好緊急關斷閥的被動防火的設計和實施是實現海上油氣生產設施本質安全的重要環節，是海上油氣生產設施安全生產的重要保障。