泵与工艺设备自动紧急隔离阀设计探讨

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国石化集团洛阳石化工程公司仪电室 作者:赵贵东

  分析探讨了泵与工艺设备紧急隔离阀的设置原则。对紧急隔离阀阀型结构的选择以及安装做了简单说明。参考API607的说明对紧急隔离阀的防火测试做了简要说明。并对紧急隔离阀执行机构的设计和选型进行了深入探讨。结合相关案例对紧急隔离系统的相关安全联锁的设置原则做了简单阐述。

  石油化工企业的原料和产品大多数都是易燃易爆,生产工艺比较复杂,上下游之间的联系比较紧密。因此稍有不慎很容易发生火灾。一旦发生火灾,如果能及时切断火灾源就可以最大限度的减小火灾对生产装置的影响,防止灾情进一步扩大。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为设置隔离是减轻火灾损失的重要手段之一。

1、紧急隔离阀的设置原则

  紧急隔离阀的设置与设备容积的大小、介质、温度以及机泵功率、容量有着密切的关系。参考国内外工程公司的做法,现就某两个公司的设计原则说明如下:

  A公司的设置原则:

  容积大于8m3的LPG储罐;

  容积大于8m3的烃(或其他可燃物)储罐,且介质温度高于介质自燃温度或者高于250℃;

  容积大于16m3的烃(或其他可燃物)储罐;

  大型机组,功率超过150kW。

  B公司的设置原则:

  泵内工艺介质(为可燃物)温度高于正常的沸点,入口和出口总储存量超过450kg,且泵密封系统潜在的泄漏速率超过450kg/min(如果详细设计承包商的弥散模型可以确定泄漏量超过1300kg时也不会高于爆炸下限,则可以适当抬高泄漏速率值);

  泵内工艺介质(为可燃物)温度高于自燃点,入口和出口总储存量超过450kg;

  以上泄漏量计算是假定泵密封系统发生灾难性损害时的情况,如果采用无泄漏型泵,则隔离系统可以取消。

  目前国内大多数项目基本上泵设紧急隔离系统与A公司的设置原则比较接近。

2、隔离系统的组成

  隔离系统设置的目的是当发生火灾时能够及时切断火灾源-可燃物质。根据有关规定,如API2510要求,大型储罐在火灾发生15min内,所有位于罐最高液面下管道上的切断阀应能自动关闭或遥控操作。为此,自动隔离系统至少由下列元素构成:

  紧急隔离阀(EBV),执行隔离动作;

  现场紧急隔离按钮,发生火灾时,能立即就地切断隔离阀。要求紧急隔离按钮设在现场发生火灾时操作人员能方便、安全到达且醒目的位置,一般要求此按钮距离相关泵15m以外。

  控制室紧急隔离按钮,发生火灾时,能立即遥控切断隔离阀;

  安全联锁系统(SIS或DCS),发生火灾时,根据工艺要求完成相关安全联锁功能;

  其他相关附件,如电缆、接线盒、手轮、限位开关等。

3、紧急隔离阀(EBV)设计原则

3.1、阀型选择

  根据APIRP553相关规定,紧急隔离阀(EBV)通常分为以下四种类型:

  A型安装在设备上的手动操作阀,这类阀门安装在发生泄漏但不会发生火灾的场所;

  B型安装在工艺管道上的手动操作阀;这类阀门安装在离着火泄漏点25英尺以外的场所,且阀门尺寸不大于8英寸,压力等级不超过ASMECLASS300。

  C型安装在工艺管道上的动力操作阀;这类阀门安装在离着火泄漏点25英尺以外的场所,且阀门尺寸大于8英寸,高度不高于15英尺,压力等级超过ASMECLASS300。

  D型动力操作的阀门,并能通过安装在现场和控制室的按钮关闭阀门。这类阀门的安装位置没有太多限制,但控制按钮应安装在离着火泄漏点40英尺以外的火灾危险区以外。火灾危险区域内的执行机构、控制电缆、动力管路等采用防火设计或者设计成火灾情况下,操作不会失效。此外配管配线的支架也应采用防火设计。

  紧急隔离阀一般采用D型。

  紧急隔离阀按照阀体类型一般分为三种:闸阀、球阀、三偏心蝶阀。

  闸阀一般应用在口径较大的场所(DN250以上),投资相对球阀来说比较低廉。闸阀的主要缺点是:阀体笨重且安装尺寸较大,填料密封性能不好,阀体也容易卡住。

  球阀主要应用在中低压场所,考虑到投资因素,口径一般不易大于DN250。选用球阀时,工艺介质应洁净,介质温度较低时可选用非金属密封阀座环,介质温度较高时应选用金属密封阀座环。

  三偏心蝶阀具有转动力矩大、密封和关断性能好、重量轻、结构尺寸小以及造价便宜等特点。在中低压工艺管道上可以代替闸阀。

  紧急隔离阀门采用严密关断型(TSO)。一般对于金属硬密封的隔离阀,泄漏等级一般要求ANSICLASSV以上;对于非金属软密封的隔离阀,泄漏等级一般要求为ANSICLASSVI。并尽量满足上下游双向密封的要求。

3.2、阀门结构

  紧急隔离阀与普通切断阀相比最大的区别就是防火设计。在火灾发生时,采用隔离阀将着火点与可燃物储存设备隔离。由于平面布置的限制,紧急隔离阀往往处在火灾危险区域。为此,需要该阀在火灾发生情况下,在一定时间(一般不低于30分钟)内仍可以严密隔离,以达到减小火灾的目的。能否在这段时间内依然保证严密隔离效果就成为紧急隔离设计的关键。目前广泛被阀门生产厂用于测试的标准是美国石油学会的API607。API607测试程序简要说明如下:

  将测试阀门在处于关闭状态下,充满加压的水,然后对阀体用火焰持续燃烧30min,期间阀体周围环境平均温度处在750~1000℃(1400~1800°F),且任一测温点最低温度不应低于700℃(1300°F)。确定这段时间内通过阀门并排到大气中的泄漏量。在火焰熄灭后5min内用水喷射阀体使其在10min内强制冷却至100℃(212°F),然后确定强制冷却期间阀门的泄漏量,完成静态泄漏试验后,再对阀门进行静压试验评定阀门壳体及阀座的耐压能力。测试用的燃料一般为瓦斯气。选择持续燃烧30min是因为这相当于扑灭大多数炼厂火灾所需要的最长时间。持续时间更长的火情视为大火,比实验预料的后果将更为严重。API607针对不同压力等级和不同口径规定了相应的泄漏量标准,低于该标准即视为满足防火设计要求。测试标准的目的是:阀门的内部泄漏量和外部泄漏量不能超过规定值,且具有连续的可操作性。

  紧急隔离阀在选型设计时优先选择本质火灾安全型阀门,阀门应为金属硬密封阀座,填料选择柔性石墨填料等。且阀座尽量为双向密封。

  此外,如果紧急隔离阀采用球阀,当采用非金属软密封时,应设计成防静电结构。因此球体部分是通过非金属材料夹持形成的密封,阀球旋转动作时可能会产生静电,必须与阀体导通。在电源电压不超过12V的防静电电路中,阻值小于10Ω,一旦出现静电堆积,对可燃介质十分危险。

  火灾是一种紧急事故,在火灾发生时,紧急隔离阀应自动置于危害最小的状态,通常为关闭状态,紧急隔离阀一般选择F.C(事故时关闭)阀门。

3.3、执行机构选择

  根据APIRP553要求,闸阀应首选电动执行机构,这是因为电动执行机构在失电时可停留在原位。对紧急隔离阀来说,最重要的是关闭阀门。所以电动执行机构的防护措施以及调节回路均应在紧急隔离时被旁路。此外电动执行机构以及相应配套附件,如控制电缆等均应采用耐火型。

  对于角行程的阀门,如球阀,优先选择气动执行机构,且应设计成气源故障时可使阀门关闭。气动执行机构分为两类,一类为火灾安全型,另一类为耐火型。

  火灾安全型执行机构在正常工况下可以远程控制,但在火灾发生时,该执行机构可能会被损坏。这类执行机构通常采用弹簧复位型,连接开阀气源的供风管一般采用耐日照的易熔断线路,且绕在执行机构周围。发生火灾时,气路管路熔断切断气源使阀门回到关闭状态。另外一种做法是,在执行机构上加易熔塞,当火灾发生时,易熔塞熔化,气缸失气阀门关闭。易熔塞一般采用耐温135~500(57~260℃)间金属制作而成。

  耐火型执行机构本身就具有耐火性能。执行机构的外壳采用耐火材料或耐火涂料覆盖,该材料在环境温度急剧上升时,体积能急速膨胀,形成对热浪的阻隔。根据UL1709的要求其耐火(1093℃(2000°F))时间不小于30min。选用这种执行机构时,阀门配套附件,如电缆、气源供风管线等,均采用耐火型,以到达整体防火设计的要求。

3.4、紧急隔离阀安装

  为了从源头上切断可燃物质,紧急隔离阀应尽量靠近设备安装,最好位于设备或储罐壁嘴子上。当抽出泵为2台以上时,紧急隔离阀应安装在泵入口公共管道上。紧急隔离阀应带有现场紧急隔离按钮,紧急隔离按钮一般设在距泵15m以外的安全区域。大型机组的紧急隔离阀一般安装在出/入口管道上。

3.5、紧急隔离阀附件

  紧急隔离阀附件一般为电磁阀和阀位回讯开关等,某些场合可能有手轮。电磁阀应选用不锈钢材质、低功耗型,线圈应采用高温绝缘线圈。阀位回讯一般选用不锈钢壳体,并带独立的接线盒。所有的设计均应考虑耐火灾高温工况。

4、安全联锁

  紧急隔离阀由SIS或DCS安全联锁实现时。阀门的紧急隔离命令通常由就地或控制室内的紧急切断按钮发出,切断阀门的同时通过SIS或DCS联锁关停相关机泵。另外,为了防止阀门误动作给机泵带来损坏,一般通过检测阀位回讯的位置来联锁机泵。当检测到阀全开时才允许启泵;当检测到阀关时,应联锁停泵。

5、结语

  随着石油化工装置的大型化和人们安全生产意识的不断增强,企业的火灾安全理念被逐步加强。紧急隔离阀在一次性投资比较大,但考虑到其在装置长期运行中能有效遏制火灾蔓延,并大幅度降低恶性火灾发生的概率,从整个项目的投资回报率角度来讲,还是比较可行。由于国内没有相关方面的详细的标准规范,笔者希望通过本文的阐述,对大型石化装置火灾安全方面提供一些有益的启示。

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