火灾紧急隔离阀门的设计探讨

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国石油天然气华东勘察设计研究院 作者:李胜利

  结合国外设计规范和工程公司的规定及一般做法,重点介绍了石油化工行业火灾隔离阀的设置原则,详细阐述了隔离阀门的类型、防火结构等设计要求,同时从工程设计角度阐述了急停按钮、复位按钮的设置和相关信号电缆敷设的设计。火灾隔离系统的设计是综合性的设计,目前国内还没有专门的设计规范做依据,笔者提出探讨性的建议供同行磋商。

  石化行业的生产原料和产品大多具有易燃、易爆、有毒、有害和腐蚀性,生产工艺操作复杂、连续性强,具有生产危险性大、发生火灾爆炸几率高等特点。一旦发生火灾、泄漏等事故,应立即切断泄漏源,将火灾危险源与设备隔离开,设置紧急隔离阀是减轻火灾损失的重要手段。可根据用户的安全要求确定,目前还没有具体、明确的设计规范可遵循。结合以往发生的火灾案例,笔者探讨火灾紧急隔离阀的设置原则和工程设计应注意的事项。

1、典型案例和教训

  2007-02-16Valero能源公司美国德州Mckee炼油厂丙烷脱沥青装置(PDA)的一条丙烷管线因维护管理缺失发生破裂泄漏,引发火灾并造成一连串火灾爆炸事故,该厂停止运转2个月,PDA装置停工维修约一年,直接损失超过5000万美元。U.S.CSB《事故调查发现(8)》中提到事故发生的6条基本原因中,第2条是该厂没有遵循Valero公司的指令“EmergencyIsolationValveprocedure”,指令要求对于工厂可能发生大量易燃物质释放事故时,应设置紧急隔离阀(EIV),以快速隔离处理。第3条是该厂1996年PHA过程危害分析报告中,曾提及PDA工厂应装设遥控操作切断阀ROSOV(RemotelyOperableShutoffValves),但却未追踪改善,以致此次发生大量泄漏时,无法即时关断、阻截,造成严重的灾害损失。

  2010-01-07T17-24,位于甘肃省兰州市的中国石油兰州石化分公司316号罐区发生一起爆炸火灾事故,造成6人死亡、6人受伤。此次事故原因:裂解C4球罐(R202)内物料从出口管线弯头处发生泄漏并迅速扩大,泄漏的裂解C4达到爆炸极限,遇点火源后发生空间爆炸,进而引起周边储罐泄漏、着火和爆炸。在国家安全监管总局关于中国石油天然气股份有限公司兰州石化分公司“1•7”爆炸火灾事故的通报(安监总管三[2010]8号)中,明确要求:“使安全设施满足现行安全标准、规范的要求,特别是液态烃、液氯、液氨及剧毒化学品等重点储罐,应按照或参照参考文献[2]的要求设置紧急切断阀、装备安全联锁装置”。

  以上仅列出两起近年发生严重火灾事故的一些结论,均明确提出设置火灾隔离阀的要求。

2、设置原则

  隔离阀的设置方式与设备的容器体积、介质及布置情况等有着密切的关系,设置形式也是多样的。隔断阀通常分:A型——安装在设备管口处手动操作的阀;B型——安装在管道系统的手动操作的阀;C型——安装在管道系统的动力操作的阀;D型——动力操作的阀,并能通过安装在现场和控制室的按钮关阀。

  根据国外工程公司的设计惯例,大型机泵、压缩机、加热炉或减压系统设置的隔离阀除现场设置手动按钮外,还必须在有人值守的控制室内设置操作按钮。因此大型机泵、压缩机、加热炉或是减压系统设置的隔离阀均应为D型阀。

  参考文献[2]中也明确了隔离阀的设置要求,如第7.2.15节提到“液化烃设备抽出管道应在靠近设备根部设置切断阀。容积超过50m3的液化烃设备与其抽出泵的间距小于15m时,该切断阀应为带手动功能的遥控阀,遥控阀就地操作按钮距抽出泵的间距不应小于15m”。

  液化石油气(LPG)设施的设计和建造(API2510)规定:液化烃管道上的切断阀应尽可能靠近罐布置,最好安装在罐壁管嘴法兰上。为便于操作和维修,切断阀安装位置应易于迅速接近。当液化烃罐容积约超过38m3(10000gal)时,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。切断阀控制系统应耐火保护,切断阀应能手动操作。

  设计时,必须在遵循《石油化工企业设计防火规范》的基础上,根据安全分析的结果充分考虑火灾隔离的设置,确保在事故发生时,通过操作紧急隔离阀及时进行系统隔离。

3、设计

  根据隔离阀的分类,一般有现场手动隔离阀和现场、远程两地操作的紧急隔离阀,该文重点探讨可远程操作的紧急隔离阀的设计。

  3.1、阀门类型

  在中低压应用场合,紧急隔离阀口径不大于300mm时,一般选用球阀,大于300mm时,一般选用高性能偏心蝶阀;特殊情况下,可根据介质等条件选用其他类型的阀门,如闸阀、球阀、旋塞阀等;在高压应用场合,一般选用球阀、闸阀等。蝶阀一般应用于不大于300bf(1bf=4.448N)压力等级的场所,最高不超过600bf。

  选用球阀时,介质应洁净不含有固体颗粒。一般情况下,介质温度不小于200°C时应选用金属密封阀座的球阀,介质温度小于200°C时应选用非金属密封软阀座的球阀,非金属密封阀座环一般为PTFE、强化PTFE或其他高温高强度材料。

  泄漏等级应能满足ANSIB16.104(ANSI/FCI70.2)或API598规定的泄漏标准,火灾隔离阀的泄漏等级应为严密关断(TSO)。对于硬密封金属阀座,TSO为V级;对于软密封非金属阀座,TSO应为VI级。

  3.2、防火及防静电结构

  当隔离阀门选用球阀时,应设计为防火、防静电结构。

  如果是软密封阀座,在发生火灾被烧坏时仍能保持一定要求的密封性能。防火结构应达到API607标准要求。阀门填料应优先采用石墨基耐高温填料。

  阀体、球体和阀杆之间应具有能导电的结构,球体被非金属材料夹持,可能产生静电,必须与阀体导通。一旦出现静电堆积,对于可燃性介质尤其是燃点低的介质(如汽油,液化天然气及丙烷等)十分危险,抗静电设计应符合BS5146Part1要求。

  3.3、执行机构

  远程操作的紧急隔离阀可供选用的执行机构有电动、气动和液压三种。在石油化工厂内,利用已有的净化风气源,可优先选用气动执行机构,它具有响应时间短、关断动作快的优点。在不能选用气动执行机构或没有净化风气源时,可以选用电动执行机构,关断时间稍长。液动执行机构由于要配套控制动力油系统,较显繁琐,但是在高推力、快速开关或者长行程情况下,应用效果较好。

  执行机构应具有防火性能,应能有足够的防火措施以保证能有足够的时间使阀门全开或全关。执行机构的外壳可以采用耐火材料或耐火涂料覆盖,UL1709标准下防火时间应不小于30min。如果阀门设计成火灾时故障安全形式,可以不考虑防火。

  3.4、附件

  a)电磁阀。执行机构配套使用的电磁阀材质一般应为316不锈钢、24VDC直流供电、低功耗型、H级高温绝缘线圈,一般情况下电磁阀不带复位功能,复位通过专门的复位按钮或控制系统实现。

  b)限位开关。应设置开阀、关阀限位开关,限位开关一般为机械式或接近式,不锈钢壳体,并应有浇封型腔体或独立的接线盒。电动执行机构和限位开关应为一体式的结构。工程设计时,限位开关输出触点的作用方式一般采用/到位闭合0的形式。

  c)手轮。如果紧急隔离阀门仅用于紧急隔离,可以根据工况设置手轮;如果它还和紧急停车系统关联,则不设置手轮。一般情况下,用于隔离的紧急隔离阀不宜用于紧急停车联锁保护系统。

  设置手轮时,阀门上应有明确的“手动”和“自动”切换开关,并有锁定机构。将手轮联上或达到“手动”位置,就可以手动操作;正常投用时,必须达到“自动”位置,使手轮与阀杆脱开,并将手轮打到安全位置上(阀门全开的位置上)。

  3.5、其他

  a)急停按钮。应在现场和控制室辅操台分别设置紧急关阀按钮,确保能在危险发生时操作人员按下按钮迅速关断紧急隔离阀。

  b)复位按钮。应在现场紧急隔离阀门处设置复位按钮,在现场确认安全或危险消除后,按下复位按钮,将紧急隔离阀置于正常投用状态。

  上述这些按钮是紧急隔离系统的一部分,由设计院进行相关系统设计,以确保危险发生时操作人员能够迅速响应及安全复位。

4、安装

  紧急隔离阀应尽量安装在要切断的设备、储罐或管线的根部或起点位置。

  当设备或储罐后安装2台及以上抽出泵时,紧急隔离阀应安装在泵入口公用管线上,且与泵的间距不宜小于5m(水平距离),如受空间限制,也应尽量拉大与泵的距离。

  当要隔离的设备与其抽出泵之间距离小于15m时,现场紧急关阀按钮应布置在距离相应抽出泵15m(水平距离)之外的区域,安装地点应在安全、明显、方便接近、操作的地方。复位按钮应紧邻紧急隔离阀现场布置安装。

5、系统设计

  用于火灾隔离控制的电气、仪表和控制系统应当进行防火保护设计,除非系统已经设计为发生火灾时故障安全型。

  火灾隔离控制系统可以通过SIS来实现,现场关阀按钮、辅操台关阀按钮、复位按钮信号均传输至SIS,通过逻辑运算输出信号至紧急隔离阀,控制紧急隔离阀的关断和复位。

  在辅操台上的紧急隔离阀关断、复位按钮应集中在一个区域布置。

  如果用于激活紧急停车设备(包括泄压或隔离系统)的控制电缆在火灾发生时暴露在火焰中,那么电缆应具有15~30min的耐火能力。用于火灾隔离系统的电缆应该是具有防火性能的耐火电缆,UL1709标准下耐火时间不小于15min。如果不采用耐火电缆,电缆必须采用埋地、耐火电缆槽盒内敷设或远离潜在高火灾危险区域之外敷设。

  除控制阀及附件需考虑防火设计外,控制阀的仪表风系统或液压油系统也要考虑防火设计。在高火灾危险区域内,火灾紧急隔离阀的动力系统管路尽可能采用ASTM304,316或321不锈钢管,这些管材自身具有较高的耐火能力,不需要进行额外的防火处理。

6、结束语

  首先工艺专业应对紧急隔离阀设置做出全面考虑,避免紧急隔离阀的关闭带来潜在的新危险,常见情况如下:

  a)泵吸入口前的紧急隔离阀应考虑与泵电机联动,关闭紧急隔离阀后应立即停泵,防止无流量对泵的损坏。

  b)当设备容器或储罐后安装2台及以上抽出泵时,紧急隔离阀应安装在泵入口公用总管线上。

  c)紧急隔离阀不宜用于紧急停车系统,应尽量避免与紧急停车保护系统相关联。紧急隔离阀的控制方式仅为遥控手动控制。如果紧急隔离阀参与紧急停车保护,阀门的设计还应满足安全保护系统的要求。

  关于火灾紧急隔离阀的设计和应用,国内石化行业没有专门的设计规范,或相关规范没有进行详尽的规定。笔者希望通过以上介绍,在石油化工安全设计时供同行借鉴,并提出问题引起相关部门重视,进而制订出具体的相关规范,以服务于石油化工企业的安全生产。

参考文献:

  [1]中国石化集团上海工程有限公司.新编化工工艺设计手册第一册[M].北京:化学工业出版社,2010.

  [2]陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].3版.北京:化学工业出版社,2000.

  [3]中国石化集团洛阳石油化工工程公司.GB50160-2008石油化工企业设计防火规范[S].北京:中国计划出版社,2009.

  [4]国家石油和化学工业局.SH3005-1999石油化工自动化仪表选型设计规范[S].北京:中国石化出版社,1999.

  [5]国家石油和化学工业局.SH/T3104-2000石油化工仪表安装设计规范[S].北京:中国石化出版社,2001.

  [6]国家石油和化学工业局.SH/T3019-2003石油化工仪表管道线路设计规范[S].北京:中国石化出版社,2001.

  [7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T21109-2007过程工业领域安全仪表系统的功能安全[S].北京:中国标准出版社,2008.

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  [9]赵霄.紧急隔断阀(EBV)在现代化大型炼油化工装置上的设计探讨[J].石油化工自动化,2008,(2):18-21.

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