罐區(qū)緊急切斷閥的安全設(shè)計(jì)

武荊苗

(北京燕山玉龍石化工程股份有限公司，北京 102500)

近年來，石化罐區(qū)屢屢發(fā)生重特大事故，造成了嚴(yán)重的人身傷害、經(jīng)濟(jì)損失和自然環(huán)境污染，石化罐區(qū)安全生產(chǎn)的嚴(yán)峻形勢引起了政府監(jiān)管部門的重點(diǎn)關(guān)注。然而搭建及完善安全管理構(gòu)架、全面貫徹落實(shí)過程安全理念是一項(xiàng)長期工作，與此相比，大范圍推廣安全儀表系統(tǒng)(SIS)成為了降低安全風(fēng)險(xiǎn)的一種立竿見影的有力手段。緊急切斷閥作為SIS執(zhí)行器，是在發(fā)生火災(zāi)、爆炸等緊急情況時(shí)，隔離火災(zāi)險(xiǎn)情、減少泄漏危害的最后保障，因此，罐區(qū)緊急切斷閥的設(shè)計(jì)在安全工程中有著舉足輕重的作用。

1 設(shè)計(jì)要求

石化行業(yè)規(guī)范中，緊急切斷閥泛指應(yīng)急狀態(tài)下手動(dòng)、自動(dòng)快速關(guān)閉的閥門，中石化相關(guān)企業(yè)規(guī)范中，同樣強(qiáng)調(diào)了事故和異常狀態(tài)下緊急切斷閥要發(fā)揮快速緊密切斷作用。由此可見，石化罐區(qū)的緊急切斷閥常用于危險(xiǎn)狀況下，快速地、緊密地把易燃爆的物料與火源分開，將事故風(fēng)險(xiǎn)限制在一定的范圍內(nèi)。

一般來講，罐區(qū)安全工程首先應(yīng)由儲(chǔ)運(yùn)、安全、環(huán)保、自控、設(shè)備等多專業(yè)組成的分析小組進(jìn)行危險(xiǎn)與可操作分析(HAZOP)，得到實(shí)現(xiàn)各個(gè)安全儀表功能(SIF)的安全儀表回路對應(yīng)的安全完整性等級(jí)(SIL)，緊急切斷閥作為SIF的執(zhí)行元件，它的選型及配置也應(yīng)符合相應(yīng)的SIL等級(jí)要求。有時(shí)，安全工程的開展也可不經(jīng)過危險(xiǎn)及風(fēng)險(xiǎn)分析和SIL等級(jí)評(píng)估，業(yè)主有權(quán)依據(jù)應(yīng)急管理部一系列圍繞危險(xiǎn)化學(xué)品重點(diǎn)設(shè)施的相關(guān)政令，來確定SIL等級(jí)[1]，如《關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見》(原安監(jiān)總管三 [2014] 116號(hào)文)要求一級(jí)或二級(jí)重大危險(xiǎn)源罐區(qū)設(shè)計(jì)獨(dú)立的SIS[2]。

石油化工企業(yè)各類罐區(qū)的罐體結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)存介質(zhì)的性質(zhì)不同，需要實(shí)現(xiàn)的安全功能也不盡相同。例如某油品罐區(qū)設(shè)有6座儲(chǔ)罐，罐體為內(nèi)浮頂常壓儲(chǔ)罐，單罐罐容為5×103m3，儲(chǔ)運(yùn)物料為航空煤油，火災(zāi)危險(xiǎn)性分類為乙A類。持續(xù)進(jìn)料造成液位超高，導(dǎo)致油品罐超壓損壞泄漏、滿罐溢出，最終油品泄漏，遇點(diǎn)火源發(fā)生火險(xiǎn)或爆炸。因此，儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)依據(jù)罐區(qū)規(guī)范和《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》(安監(jiān)總局令第40號(hào))，要求實(shí)現(xiàn)高高液位聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)料線緊急切斷閥的安全功能[3]。

2 緊急切斷閥的設(shè)計(jì)

SIF回路各個(gè)子系統(tǒng)中，緊急切斷閥是執(zhí)行器子系統(tǒng)中首先需要明確的內(nèi)容。上文中提及的 “冒罐關(guān)閥”安全功能，在石化罐區(qū)尤為常見，該類罐區(qū)緊急切斷閥必須考慮隔離火源的安全設(shè)計(jì)。緊急切斷閥選型和配置時(shí)，多以中國石化集團(tuán)公司的管理規(guī)定、石化行業(yè)選型規(guī)范及防火規(guī)范等為設(shè)計(jì)依據(jù)。下文將結(jié)合實(shí)例，分別探討各類型罐區(qū)中緊急切斷閥主要部件和防火隔離技術(shù)。

2.1 閥 體

在閥體選擇上，優(yōu)先選用角行程的閥門，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度快，易于及時(shí)動(dòng)作[4]。

全通徑球閥因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單，密封性能良好，支持雙向流，安裝靈活等特點(diǎn)，適用于輕質(zhì)潔凈油品的小口徑(不大于DN200)管線。對于原油類黏度較大的物料、管線口徑大于DN200，或壓差較大的時(shí)候，兼顧經(jīng)濟(jì)性，可考慮閘閥。而涉及到瀝青等黏度大的介質(zhì)，一般選擇V型球閥。蝶閥的耐磨性能相對遜色，筆者不推薦應(yīng)用于緊急切斷閥的安全設(shè)計(jì)。但是，在口徑極大、黏度極大且必需進(jìn)一步節(jié)約成本的特殊情況下，也可考慮，需要特殊注意的是，SIF回路的SIL等級(jí)驗(yàn)證時(shí)，可能面臨諸如必須縮短執(zhí)行器子系統(tǒng)的檢測測試的時(shí)間間隔、 SIF回路投入使用后需要頻繁地檢修和維護(hù)等問題。

緊急切斷閥的閥體至少應(yīng)為鑄鋼材質(zhì)，閥座與閥芯間應(yīng)為硬密封，閥桿填料選擇耐高溫材料，連接方式選擇法蘭連接或焊接，不可選用對夾式。緊急切斷閥的閥座泄漏等級(jí)應(yīng)至少達(dá)到ANSI等級(jí)V或API 598標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)的要求，氣源故障狀態(tài)下安全閥位為關(guān)位置。

2．2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型中關(guān)斷時(shí)間是一個(gè)重要的參數(shù)，SH/T 3184—2017《石油化工罐區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]要求關(guān)斷時(shí)間不大于10 s，石化企業(yè)對液態(tài)烴球罐有特殊限定： 閥門的關(guān)斷時(shí)間(以秒計(jì))等同或小于閥門通徑。閥門廠家應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場氣源壓力、關(guān)斷時(shí)間、閥體形式等計(jì)算出合理的執(zhí)行機(jī)構(gòu)尺寸。

緊急切斷閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，優(yōu)先選用單作用氣缸帶彈簧返回型執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧材質(zhì)至少為帶原廠耐腐蝕涂層的碳鋼。在具體的工程項(xiàng)目中，受老舊罐區(qū)的現(xiàn)場條件限制，部分罐區(qū)存在現(xiàn)場安裝空間不足、公用工程配套不完備等情況，緊急切斷閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不得不選用雙作用氣缸或電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.2.1 單作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)

液化烴飽和蒸汽壓高、爆炸極限范圍寬且易聚集靜電，一旦泄漏，會(huì)很快與空氣形成爆炸性混合物，有較高可能發(fā)生火災(zāi)和爆炸危險(xiǎn)。液化烴球罐緊急切斷閥在聯(lián)鎖觸發(fā)后必須迅速動(dòng)作，其全行程關(guān)斷時(shí)間(以秒計(jì))等同或小于閥門通徑。在SH/T 3184—2017中要求液化烴罐區(qū)緊急切斷閥應(yīng)采用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如某液化烴球罐區(qū)介質(zhì)為液化石油氣，其進(jìn)料管為DN100，采用常規(guī)的單作用帶彈簧返回型氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)即可滿足要求。

2.2.2 雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)

口徑較大的管線實(shí)現(xiàn)緊急切斷功能，如某原油罐區(qū)儲(chǔ)罐的進(jìn)料管為DN700，選用單作用帶彈簧返回式氣缸的執(zhí)行機(jī)構(gòu)體積碩大，現(xiàn)有的空間不能滿足，同時(shí)質(zhì)量過大，對管線形成了較大的切向力，預(yù)埋隱患。考慮到該類情況，執(zhí)行機(jī)構(gòu)也可采用體積較小的雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并在氣源管路上游配備壓力式儲(chǔ)氣罐。儲(chǔ)氣罐的設(shè)置保證了事故狀態(tài)下，閥門處于故障安全的位置。閥門廠家根據(jù)關(guān)斷時(shí)間、氣缸大小和氣源管線尺寸及壓力等實(shí)際工況參數(shù)進(jìn)行核算，儲(chǔ)氣罐容積最終確定為0.5 m3，儲(chǔ)備風(fēng)量滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作兩個(gè)行程所需，以滿足關(guān)斷時(shí)間的要求。

2.2.3 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

部分罐區(qū)因地理位置遠(yuǎn)離裝置區(qū)，缺少完備的公用工程配套，罐區(qū)現(xiàn)場無可靠的儀表空氣系統(tǒng)，在進(jìn)行進(jìn)料線開關(guān)閥的選型設(shè)計(jì)時(shí)，只能選擇動(dòng)作時(shí)間較長的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。以某原油罐區(qū)為例，罐區(qū)下設(shè)4座大型儲(chǔ)罐，單座罐容達(dá)1×106m3，儲(chǔ)罐進(jìn)料管為DN500，根據(jù)儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)的流程分析及核算，液位每增高10 mm，進(jìn)料時(shí)間約為20 min，因此在高高液位聯(lián)鎖切斷進(jìn)料的安全儀表回路中，對于緊急切斷閥關(guān)閥動(dòng)作的響應(yīng)時(shí)間要求，并不嚴(yán)苛。在這種情況下，電動(dòng)型執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源供應(yīng)必須配備應(yīng)急電源(如UPS，EPS，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組等)。同時(shí)，電源電纜和關(guān)閥信號(hào)電纜都選用耐火電纜，并且采取埋地的敷設(shè)方式，以保障在火災(zāi)險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，控制信號(hào)可以正常傳輸，使得緊急切斷閥及時(shí)觸發(fā)關(guān)斷動(dòng)作。

2．3 防火及防靜電

緊急切斷閥的安全設(shè)計(jì)，必須考慮石化罐區(qū)失火風(fēng)險(xiǎn)，下文列舉一些緊急切斷閥關(guān)鍵的防火保護(hù)措施，以降低SIF執(zhí)行器的失效概率，確保火災(zāi)隔離性能。

2.3.1 耐火測試

耐火測試指在閥門受火過程和受火后，對其承壓、密封和操作性能進(jìn)行的測試。石化罐區(qū)緊急切斷閥必須采用經(jīng)過測試并且得到防火認(rèn)證的產(chǎn)品。一般來說，針對石化罐區(qū)的緊急切斷閥，當(dāng)其閥座采用軟密封，且閥芯采用球型、蝶型等旋轉(zhuǎn)90°的角行程閥門，需要API 607防火認(rèn)證；當(dāng)緊急切斷閥的閥座采用硬密封，則適用API 6FA來評(píng)估其防火性能。

2.3.2 現(xiàn)場操作柱

在儲(chǔ)罐圍堰外且與緊急切斷閥距離大于15 m處設(shè)計(jì)現(xiàn)場操作柱(僅一個(gè)關(guān)閥按鈕)，用于在緊急情況下，現(xiàn)場操作人員在火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)外手動(dòng)關(guān)閉閥門，現(xiàn)場操作柱的干節(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸至相應(yīng)的SIS。

2.3.3 易熔塞

氣缸上加裝易熔塞，熔點(diǎn)為250 ℃，當(dāng)溫度不小于250 ℃時(shí)易熔塞熔化，氣缸壓力被釋放，閥門失氣，回歸故障安全位置(FC)使得閥門關(guān)閉[2]。

2.3.4 防火罩

防火罩暴露在1 093 ℃火焰中，可以保護(hù)緊急切斷閥內(nèi)部執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常工作不小于30 min，符合SH/T 3005—2016《石油化工自動(dòng)化儀表造型設(shè)計(jì)規(guī)范》中采用的UL1709防火標(biāo)準(zhǔn)[6]，為此，防火罩不應(yīng)使用類似魔術(shù)貼等連接方式。防火罩應(yīng)具有抗風(fēng)化、防紫外線、防雷、耐冷、耐化學(xué)物質(zhì)和酸性物質(zhì)特性，且不存在有害物質(zhì)，完全沒有石棉衍生物。防火罩必須具有散熱設(shè)施；防火罩必須在執(zhí)行機(jī)構(gòu)對應(yīng)位置設(shè)置必要的操作檢查門，方便執(zhí)行機(jī)構(gòu)在被保護(hù)后能夠檢查和操作；防火罩應(yīng)考慮用于電纜進(jìn)、出線的電氣結(jié)構(gòu)。防火罩各項(xiàng)功能經(jīng)權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)認(rèn)證，出具批準(zhǔn)證書。

2.3.5 防靜電

聯(lián)合罐區(qū)隱患治理涉及的介質(zhì)多為易燃易爆危險(xiǎn)品，緊急切斷閥需設(shè)計(jì)防靜電設(shè)施，可以避免緊急切斷閥閥芯動(dòng)作時(shí)，金屬部件摩擦產(chǎn)生靜電，引燃或引爆介質(zhì)。

2．4 SIL等級(jí)

以某油品罐區(qū)為例，工藝專業(yè)要求實(shí)現(xiàn)液位超限隨即切斷進(jìn)料的SIF，該SIF的定級(jí)為SIL2。SIF包含傳感器子系統(tǒng)、邏輯控制器子系統(tǒng)和執(zhí)行器子系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)的平均失效概率(PFDavg)，都需要帶入SIL驗(yàn)證計(jì)算后，使得SIF整體滿足SIL2的要求。

2.4.1 傳感器子系統(tǒng)

SIF的傳感器子系統(tǒng)，由液位計(jì)構(gòu)成。有“1oo1”“1oo2”“2oo2”“2oo3”等多種邏輯控制方式可供選擇，該油品罐區(qū)進(jìn)料線上游多涉及煉油廠、管道局的核心裝置和設(shè)備，采用“1oo1”“1oo2”邏輯時(shí)，若聯(lián)鎖誤動(dòng)作，容易致使上游裝置停車，經(jīng)濟(jì)和人員的風(fēng)險(xiǎn)成本過高，系統(tǒng)可用性較低。而采用“2oo2”邏輯，必須2臺(tái)液位計(jì)都高高液位報(bào)警后，才能觸發(fā)聯(lián)鎖，若其中1臺(tái)液位計(jì)故障，則直接導(dǎo)致安全聯(lián)鎖回路整體失效，可靠性較差，影響控制回路的安全。儲(chǔ)罐高高液位聯(lián)鎖流程如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)罐高高液位聯(lián)鎖流程示意

采用“2oo3”的表決結(jié)構(gòu)，如圖2所示，可使得系統(tǒng)可靠性與可用性兩全其美。在“2oo3”結(jié)構(gòu)投入使用后，若其中的一個(gè)液位計(jì)需要維護(hù)而被旁路時(shí)，“2oo3”表決機(jī)制自動(dòng)降級(jí)為“1oo2”，聯(lián)鎖誤報(bào)警的風(fēng)險(xiǎn)較高，可用性降低。此時(shí)操作人員應(yīng)有其他措施保持對液位變化的檢測和指示，避免危害的發(fā)生。圖1中儲(chǔ)罐3臺(tái)液位儀表均符合IEC 61508/61511要求且得到SIL2等級(jí)認(rèn)證要求。

圖2 傳感器采用“2oo3”功能邏輯示意

2.4.2 邏輯控制器子系統(tǒng)

SIF的邏輯控制器子系統(tǒng)的SIL等級(jí)為SIL3。

2.4.3 執(zhí)行器子系統(tǒng)

SIF的執(zhí)行器子系統(tǒng)由閥體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電磁閥和繼電器構(gòu)成，其中閥體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電磁閥包含在緊急切斷閥的安全設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，緊急切斷閥要求閥門整體達(dá)到SIL2認(rèn)證。在SIL1的SIF回路執(zhí)行器子系統(tǒng)中，考慮經(jīng)濟(jì)性與供貨周期等工程原因，閥體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及電磁閥也可以分別經(jīng)過認(rèn)證滿足IEC 61508規(guī)定的SIL2級(jí)。

SIF執(zhí)行器子系統(tǒng)的SIL等級(jí)取決于其PFDavg，它是依據(jù)各個(gè)環(huán)節(jié)的平均無故障時(shí)間(MTTF)累計(jì)計(jì)算后得出的，而執(zhí)行器子系統(tǒng)環(huán)節(jié)最多，是SIF回路中SIL等級(jí)最薄弱的環(huán)節(jié)。

為解決該問題，安全設(shè)計(jì)中可以采用“1oo2”的表決結(jié)構(gòu)，冗余配置緊急切斷閥，也可以縮短緊急切斷閥的檢測測試時(shí)間，或者在選型時(shí)盡量采用帶有整體功能安全認(rèn)證的閥門，盡量縮減執(zhí)行器子系統(tǒng)的PFDavg。除了上述方法以外，因?yàn)榫o急切斷閥由電磁閥、執(zhí)行器和閥體共同組成，一般來說，電磁閥的可靠性是較低的，常見的失效原因是線圈燒毀，并引發(fā)誤關(guān)停。因此在整個(gè)系統(tǒng)中，電磁閥可能是最關(guān)鍵的儀表設(shè)備，除了在電磁閥選型時(shí)需要注意防腐、防水、耐低溫的設(shè)計(jì)，還可采用“1oo2”冗余配置的電磁閥來提高閥門的可靠性，經(jīng)計(jì)算軟件驗(yàn)證，如此配置可使得執(zhí)行器子系統(tǒng)的SIL等級(jí)限制結(jié)構(gòu)約束從SIL1提升到SIL2[7]。

3 結(jié)束語

石化罐區(qū)安全設(shè)計(jì)中，緊急切斷閥是直面火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)的急先鋒，必須在選型、防火技術(shù)和后期維護(hù)使用等的各個(gè)階段遵守各類嚴(yán)苛而詳盡的安全規(guī)范。筆者從設(shè)計(jì)人員的角度，結(jié)合取得良好效果的安全工程實(shí)踐，從設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面討論了緊急切斷閥的相關(guān)問題，為罐區(qū)緊急切斷閥的工程設(shè)計(jì)，提供了參考。