地面火炬用爆破針型閥的選型要求

慕小軍（上海亨斯邁聚氨酯有限公司，上海 2011507）

地面火炬用爆破針型閥的選型要求

慕小軍（上海亨斯邁聚氨酯有限公司，上海 2011507）

隨著世界各國用戶對于環保、安全以及與居民友好性重視程度的不斷提高，國內外越來越多的企業開始采用地面火炬。地面火炬的分級運行是通過分級控制閥實現的。為保證分級控制閥失效時火炬系統仍然能夠安全地處理火炬氣，分級控制閥設置爆破針型閥作為旁路受到越來越多用戶的青睞。然而對于國內用戶而言，爆破針型閥是一種較新的泄壓裝置，選型經驗欠缺，一些用戶在采購階段甚至未能提出爆破針型閥的關鍵技術要求，造成合同執行和貨物驗收沒有技術依據。作者將對爆破針型閥選型時應考慮的關鍵技術條件和應注意的問題進行討論，供相關用戶在選擇時參考。

地面火炬；針形閥；爆破；泄放

火炬系統是煉油廠、石化廠、天然氣處理廠以及其它會產生可燃氣體的化工廠中必不可少的安全與環保設施，其可靠運行對于這些工廠的安全生產至關重要。按照燃燒器是否遠離地面，火炬可以分為地面火炬和高架火炬。相對于高架火炬，地面火炬具有在整個處理能力范圍內均可實現無煙燃燒、安全防護距離及占地面積較小、檢修較方便以及可以避免在火炬燃燒時造成周邊居民不必要的恐慌等優點。地面火炬采取分級運行的方式使得火炬氣在火炬頭出口處始終有足夠的速度和能量，由此保證火炬氣能夠引射足夠的空氣并形成低輻射的無煙燃燒。

為保證分級控制閥失效時火炬系統仍然能夠安全地處理火炬氣，分級控制閥必須設置爆破片或者爆破針型閥作為旁路，旁路的功能是在火炬系統內壓力超過了設定值時自動開啟以將火炬氣泄放至火炬頭燃燒［1，2］。

較爆破片而言，爆破針型閥具有①爆破精度高；②復位簡單、無需拆卸管道，③時間短且無介質流失；④無需定期更換；⑤易于判斷是否發生爆破；⑥可靠性可在線檢查；⑦長期運行成本低等明顯優勢。近年來，國內外大多數新建地面火炬均采用爆破針型閥作為旁路。

1 爆破針型閥的工作原理

美國國家委員會2007年夏季簡報介紹了兩種類型的爆破針型閥［3］。第一種爆破針型閥的閥瓣承受的介質壓力通過與其一體的閥桿直接地加載在爆破針上，在爆破針失穩時，閥瓣與閥座脫離進而達到泄壓的目的，本文稱之為直接式爆破針型閥，如圖1所示。

圖1 直接式爆破針型閥

第二種爆破針型閥基于偏心蝶閥設計，偏心設計使得閥桿兩側蝶板所承受的介質壓力大小不同，進而產生了作用在閥桿上的扭矩。此扭矩通過如圖2所示的一系列杠桿機構間接地加載于爆破針上。當爆破針發生壓桿失穩時，偏心蝶閥會開啟而達到泄壓的目的。本文稱之為間接式爆破針型閥，如圖2所示。

圖2 間接式爆破針型閥及其泄壓觸發機構

除了上述兩種類型的爆破針型閥，有的廠家還基于直接式爆破針型閥設計了先導式爆破針型閥。先導式爆破針型閥具有反應更加靈敏、動作精度更高、適用于整定壓力超低工況等特點，是很多工況的理想選擇。

2 爆破針型閥選型要求

爆破針型閥主要由開關閥和泄壓觸發機構兩部分組成［4］。當系統壓力低于閥門的爆破壓力時，開關閥處于密封狀態；當系統壓力達到閥門的爆破壓力時，泄壓觸發機構中的爆破針會失穩彎曲進而觸發開關閥的開啟，從而達到泄壓的目的。

在爆破針型閥選型過程中，應考慮爆破針型閥所處的工況條件對于開關閥和泄壓觸發機構兩部分的要求，以保證爆破針型閥作為一個整體可以長周期可靠運行。地面火炬項目用爆破針型閥所處的工況有以下特點：

2.1 室外安裝且無頂棚；

2.2 火炬氣為易燃易爆氣體，有的火炬氣有一定的腐蝕性；

2.3 火炬氣來自工廠內不同生產裝置或者壓力儲罐，不同來源的火炬氣在組分和溫度等方面差異很大；

2.4 爆破針型閥設定壓力通常很低。

針對以上爆破針型閥的工況特點，對爆破針型閥選型時應提出的關鍵技術條件和應注意的問題如下：

3 爆破針型閥的泄壓觸發機構必須適應其工作的外部環境

作為泄壓觸發機構的心臟，爆破針的材料性能對環境溫度的敏感程度應經過測試，并且在產品設計過程應充分考慮環境溫度變化對于爆破精度的影響，包括不同季節的溫度變化、環境中的灰塵、風沙以及冰雪等。

此外，爆破針及其夾持機構不應對于環境中的灰塵敏感，以保證閥門的可靠性不受灰塵的影響。直接式爆破針型閥僅有一個運動部件，除非異物體積特別大，幾乎不存在因異物卡塞而失效的可能。

為了將蝶閥的扭矩轉化為作用在爆破針上的直線推力，間接式爆破針型閥采用了極為復雜的泄壓觸發機構，此泄壓觸發機構共涉及十幾個形狀不規則的部件，這些部件需精確配合才能保證閥門的準確泄壓。任意一個部件受到異物的卡塞或者積累過多的灰塵，都會降低閥門的精度，甚至造成閥門失效。因此，直接式爆破針型閥的泄壓觸發機構較間接式爆破針型閥更加穩健，更加適宜室外安裝且無頂棚的工作環境。

3.1 爆破針型閥的選材及結構設計應滿足所應用工況。

爆破針型閥的選材和設計既應考慮閥門工作的外部環境（例如，極端環境溫度、有無鹽霧氣氛），又應考慮閥門內部的介質條件（例如，介質的溫度、腐蝕性）。

以超低溫地面火炬用爆破針型閥為例，除了滿足ASME鍋爐及壓力容器規范第Ⅷ卷第1冊UG 138篇對于爆破針型閥設計、制造和測試的最低要求之外，其設計、選材和制造還應參考低溫閥相關國內及國際標準。與其它應用于超低溫環境的閥門相同，爆破針型閥必須設置長頸結構，以使閥桿填料和泄壓觸發機構遠離超低溫介質，進而防止閥體/閥桿內的超低溫介質會損壞填料和泄壓觸發機構的功能，并且閥門應采用奧氏體不銹鋼或者更優的材料。

3.2 爆破針型閥必須擁有良好的密封性能。

SH 3009-2013規定“由于地面火炬燃燒器安裝在地面上，各分級管道上的控制閥和旁路上的爆破針閥一旦發生泄漏，火炬氣將聚集在地面火炬設施周圍，可能引發安全事故，因此控制閥和爆破針閥的密封性能一定要好”。

爆破針型閥至少有兩處動密封結構，一處是閥座與閥瓣之間的密封，另一處是閥桿與閥蓋之間的密封。這兩處動密封是爆破針型閥設計的關鍵點也是難點，地面火炬用爆破針型閥更是如此。原因是，地面火炬用爆破針型閥的整定壓力通常較低，且受到火炬上游裝置最大允許背壓及火炬氣管道直徑等工藝條件的限制很難提高。

壓力很低意味著動力（即介質壓力在閥瓣上產生的推力或扭矩）十分有限。爆破針型閥精度的主要決定因素是相關摩擦力與介質動力相比較所占的比例，為了在動力較低的情況下保證爆破精度，廠家會竭盡所能的降低密封副之間的摩擦力，即降低密封之間的接觸壓力或者接觸寬度，這意味著在一定程度上犧牲密封性能。

較直接式爆破針型閥而言，間接式爆破針型閥應用于低壓工況時設計更為困難。原因是，旋轉型爆破針型閥通過杠桿機構向爆破針傳遞的是介質動力（壓力在閥桿兩側的蝶板面積上產生的力的差值）克服密封副之間摩擦力后的剩余力，杠桿機構不能改變摩擦力與介質動力相比較的比例，即杠桿機構不能提高其精度，而且杠桿機構各元件之間的摩擦力還會進一步降低其精度。介質壓力被部分地、間接地傳遞的本質決定了間接式爆破針型閥的精度更加難以控制，結果是間接式爆破針型閥所選用的密封元件遠細于直線型爆破針型閥。

間接式爆破針型閥的設計原理決定了其密封系統更為脆弱，密封性能很難保證。國外某項目曾發生由于間接式爆破針型閥內漏而造成的回火爆炸事故。事故調查結論顯示，爆破針型閥在密封元件未出現明顯磨損的情況下發生了泄漏，原因是密封元件過細，難以保證長期可靠密封。并且在事故調查過程中發現被測間接式爆破針型閥同時也存在外漏問題［5］。

3.3 爆破針型閥應考慮火災工況。

如上文所述，由于爆破針型閥的設定壓力很低，其兩處動密封均不可能采用金屬密封，因而爆破針型閥本身很難做到防火設計（即在火災工況下兩處動密封不失效）。為最大程度地減少火災造成的危害，將損失降到最小，一種可行的方案是采用易熔金屬材料作為爆破針夾持螺母，夾持螺母會在火災發生時熔化，若管道內存在一定壓力的火炬氣，爆破針型閥會自動開啟，火炬氣泄放至火炬頭處燃燒，避免了火炬氣在分級區域助燃或爆炸，也就是閥門自動調整至了危害最小的狀態。

3.4 爆破針型閥需要進行殼體壓力、閥座密封和動作性能試驗后方能出廠

對于閥座密封試驗，如果沒有特殊要求，廠家通常選取的試驗壓力為整定壓力的90%［7］。考慮到地面火炬項目整定壓力通常較低，以及閥座密封性能對于火炬系統可靠運行的重要性，可要求廠家適當提高試驗壓力和保壓時間。

對于動作性能試驗，廠家通常使用常溫介質進行試驗。若實際工況下介質溫度與常溫差距很大，例如介質為超低溫，則應考慮要求廠家抽取一定數量的閥門使用超低溫介質進行動作性能試驗，以保證閥門在實際使用中的動作性能。軟密封材料的膨脹系數較金屬材料大得多，其低溫時的收縮量會比與之配合的金屬部件大得多，它們之間的配合狀態會發生改變，僅進行常溫下進行的動作性能試驗結果并不能說明閥門在超低溫狀態下的性能，因此，需要使用超低溫介質進行動作性能試驗。

3.5 爆破針型閥需要選擇合適的爆破精度。

爆破針型閥精度的提高在一定程度上有利于降低整個地面火炬的投資。分級壓力對于地面火炬項目是十分珍貴的資源，因為分級壓力的提高意味著燃燒器數量和所需級數的降低，意味著投資成本的降低。分級壓力的提高受制于分級管道前總管最高允許背壓和分級旁路泄壓裝置的性能兩個因素。分級管道前總管的最高允許背壓由火炬上游裝置邊界處的最大允許背壓以及火炬氣管網的設計共同決定，在不增加投資的情況下很難提高。

提高分級壓力的可能途徑是采用精度更高的爆破針型閥。假設，分級管道前總管最高允許背壓為P，爆破針型閥的整定壓力為P set，爆破精度為±x%，分級壓力為P staging，則這些壓力應滿足：

3.5.1 P＞Pset×（1+x%），即總管最高允許背壓應嚴格高于爆破針型閥可能爆破壓力的最高值，否則上游裝置可能會損壞；

3.5.2 Pstaging＜P set×（1-x%）＜P（1-x%）/（1+x%）=P［2/（1+x%）-1］，即分級壓力應低于爆破針型閥可能爆破壓力的最低值，否則可能會造成泄壓裝置的頻繁誤報，給最終用戶帶來額外麻煩及成本。

這些壓力之間的關系如圖3所示：

圖3 地面火炬各關鍵壓力間的關系圖

顯然，火炬氣總管的最高允許背壓一定的情況下，所采用的爆破針型閥精度越高，分級壓力會越高，越有利于減少燃燒器的數量和火炬級數并進而降低整個地面火炬的總投資。

值得注意的是，ASME鍋爐及壓力容器規范第Ⅷ卷第1冊對于爆破針型閥的精度要求為：當爆破針型閥的整定壓力高于300kPa時，精度為±5%；當爆破針型閥的整定壓力低于300kPa時，精度為±15kPa［6］。這一要求是針對所有行業壓力容器與壓力管道的最低要求，并沒有顧及地面火炬的特殊性。地面火炬爆破針型閥的整定壓力通常較低，僅僅滿足ASME的要求，并不能滿足地面火炬的需求。因此，在采購階段應對爆破針型閥的精度提出明確要求。

4 結語

地面火炬的工況條件十分特殊，ASME標準作為一個通用性標準并不能全方位地覆蓋對于地面火炬用爆破針型閥的要求，地面火炬用戶和設計方應按照實際工況要求提出對于爆破針型閥的具體要求，作為合同執行和貨物驗收的技術依據，以保證設備的長期可靠運行。

［1］API Std 537，Flare Details for General Refineryand Petro?chemical Service，2008.

［2］SH 3009，石油化工可燃性氣體排放系統設計規范，2013.

［3］Joseph F.Ball.New Pressure Relief Device Designs，Na?tional Board Bulletin，2007（Summer）.

［4］API RP 520，煉油廠壓力泄放裝置的定徑、選擇和安裝，2001.

［5］R.Allen.Incident Report for Flare Flashback Explosion In?cident.2012.http：//free.yudu.com/item/details/2381993/Flash?back-Explosion-Investigation-Report.

［6］ASME鍋爐及壓力容器規范第Ⅷ卷第1冊，2010.

［7］API Std 527，Seat Tightness of Pressure Relief Valves，1991.