氣動(dòng)爆破針型閥在地面火炬中的適用性探討

楊超

摘 要：火炬系統(tǒng)是石化廠的最后一道安全防線，而作為旁路使用的爆破針型閥則是地面火炬系統(tǒng)最后的安全保障，應(yīng)選用“失效安全型”產(chǎn)品。本文氣動(dòng)爆破針型閥在地面火炬中的適用性進(jìn)行了討論，結(jié)論是氣動(dòng)爆破針型閥不是“失效安全型”產(chǎn)品，違反了API 537和SH 3009標(biāo)準(zhǔn)的基本要求，不能用作分級(jí)閥旁路使用。

關(guān)鍵詞：地面火炬；火炬系統(tǒng)；爆破針型閥

1 地面火炬及其優(yōu)勢(shì)簡(jiǎn)介

火炬系統(tǒng)是用來(lái)處理石油化工廠、煉油廠、化工廠及其其它工廠或裝置無(wú)法回收和再加工的可燃和可燃有毒氣體及蒸汽的特殊燃燒設(shè)施，是保證工廠安全生產(chǎn)、減少環(huán)境污染的一項(xiàng)重要措施。

按照燃燒器是否遠(yuǎn)離地面，火炬可以分為地面火炬和高架火炬。與高架火炬相比較，地面火炬的主要優(yōu)勢(shì)如下表所示：

近年來(lái)，隨著石油化工行業(yè)用戶對(duì)于環(huán)保、安全以及與居民友好性重視程度的不斷提高，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始采用地面火炬。

2 地面火炬的分級(jí)運(yùn)行

地面火炬之所以能夠?qū)崿F(xiàn)在整個(gè)處理能力范圍內(nèi)（0-100%的處理能力）的無(wú)煙燃燒是因?yàn)槠洳扇×朔旨?jí)運(yùn)行的方式，分級(jí)運(yùn)行的方式可以保證火炬氣在燃燒器出口處始終有足夠的速度和能量，由此保證火炬氣在燃燒器處能夠引射足夠的空氣并形成低輻射的無(wú)煙燃燒。

地面火炬的分級(jí)運(yùn)行是通過(guò)分級(jí)控制閥實(shí)現(xiàn)的。分級(jí)控制閥通常采用氣動(dòng)的高性能蝶閥，這些蝶閥由分級(jí)控制系統(tǒng)控制，當(dāng)火炬氣流量持續(xù)升高一定程度時(shí)，相應(yīng)的分級(jí)控制閥會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，該級(jí)的燃燒器會(huì)投入使用，火炬氣得以燃燒。

不難看出，分級(jí)控制閥實(shí)現(xiàn)啟閉需要電子元器件的感知、控制系統(tǒng)的計(jì)算分析和動(dòng)力氣源的驅(qū)動(dòng)，其正常工作依賴電源和動(dòng)力氣源的供應(yīng)，所以不是“失效安全型”設(shè)計(jì)。為保證分級(jí)控制閥未能開(kāi)啟時(shí)火炬系統(tǒng)仍然能夠安全地處理火炬氣，分級(jí)控制閥必須設(shè)置“失效安全型”的非重閉式泄壓裝置（爆破片或者爆破針型閥）作為旁路，旁路的功能是是在主路不能完成泄放任務(wù)而導(dǎo)致火炬系統(tǒng)內(nèi)壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟以將火炬氣泄放至燃燒器焚毀。通常此旁路采用完全自力式的且不依賴電力和動(dòng)力氣源的爆破針型閥或者爆破片。

與爆破片相比較，爆破針型閥具有動(dòng)作精度高、復(fù)位安全簡(jiǎn)單迅速、無(wú)需定期更換、可靠性可在線檢查、長(zhǎng)期使用成本低等優(yōu)勢(shì)。因此，爆破針型閥受到越來(lái)越多用戶的青睞，近年來(lái)多數(shù)新建地面火炬均采用爆破針型閥作為旁路。

3 氣動(dòng)爆破針型閥及其潛在問(wèn)題

國(guó)內(nèi)某液化天然氣（LNG）項(xiàng)目設(shè)置了兩套封閉式地面火炬，用于事故工況下排放氣的安全泄放。

經(jīng)調(diào)研，市場(chǎng)上主要存在直線開(kāi)啟和旋轉(zhuǎn)開(kāi)啟兩大類爆破針型閥。直線式爆破針型閥應(yīng)用于地面火炬項(xiàng)目有著明顯的局限性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：其一，較大口徑的直線式爆破針型閥在閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，閥瓣對(duì)于閥蓋的沖擊力很高，國(guó)外某些項(xiàng)目中曾出現(xiàn)閥瓣沖破閥蓋的問(wèn)題；其二，自閥門(mén)開(kāi)啟至復(fù)位完成，在閥瓣的重力作用下，閥桿始終處于懸臂梁狀態(tài)，且在閥門(mén)完成復(fù)位之前，也就是閥瓣進(jìn)入閥座之前，整個(gè)閥桿系統(tǒng)的受力狀態(tài)是最為糟糕的，閥桿的傾斜程度是最大的，極易出現(xiàn)閥座對(duì)于閥瓣密封環(huán)的咬傷的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)復(fù)位困難的問(wèn)題；其三，直線式爆破針型作為旁路使用時(shí)閥桿、閥瓣等部件的受力狀態(tài)決定了其低壓時(shí)精度很難保證。因此該項(xiàng)目決定采用旋轉(zhuǎn)開(kāi)啟的爆破針型閥。

在爆破針型閥的選型過(guò)程中，遇到了一類由儀表空氣作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)開(kāi)啟爆破針型閥。這類爆破針型閥主要由氣動(dòng)蝶閥與爆破針先導(dǎo)閥等部件組成，如圖1所示。爆破針先導(dǎo)閥是一個(gè)兩位多通道換向閥，其可以控制儀表風(fēng)通過(guò)不同的流道進(jìn)出氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。壓力連通管線將先導(dǎo)閥與蝶閥的上游相連接，使先導(dǎo)閥承受來(lái)自開(kāi)關(guān)閥上游的壓力，并經(jīng)閥桿將載荷傳遞至爆破針。

正常工況下，管線內(nèi)壓力P小于設(shè)定壓力Pcr，施加在爆破針上的軸向壓縮載荷F小于爆破針的失穩(wěn)臨界載荷Fcr，爆破針保持穩(wěn)定。非正常工況下，管線內(nèi)壓力P達(dá)到設(shè)定壓力Pcr，其施加在爆破針上的軸向壓縮載荷F將達(dá)到爆破針的失穩(wěn)臨界載荷Fcr，導(dǎo)致爆破針發(fā)生失穩(wěn)進(jìn)而喪失承載能力，管線內(nèi)介質(zhì)壓力將推動(dòng)先導(dǎo)閥活塞而改變其儀表風(fēng)通道，激發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，開(kāi)啟閥門(mén)。

這類爆破針型閥與普通的氣動(dòng)蝶閥的根本區(qū)別在于將由電磁控制的兩位多通道換向閥改為由爆破針控制的兩位多通道換向閥，其動(dòng)作不僅由爆破針的失穩(wěn)決定，更由儀表空氣這一動(dòng)力源決定。也就是說(shuō)，該類爆破針型閥不是一個(gè)自我封閉的系統(tǒng)，其泄壓功能不能夠自我獨(dú)立完成，相當(dāng)于為氣動(dòng)蝶閥設(shè)置了可靠性差不多的旁路，這與常見(jiàn)的泄壓裝置（例如彈簧式安全閥、爆破片等）存在本質(zhì)區(qū)別。在接觸到該類爆破針型閥之后，項(xiàng)目相關(guān)人員對(duì)于該類爆破針型閥可否作為分級(jí)閥旁路使用產(chǎn)生了疑問(wèn)。

火炬系統(tǒng)是工廠的最后一道安全防線，而作為旁路使用的爆破針型閥則是地面火炬系統(tǒng)最后的安全保障，為避免作出錯(cuò)誤的選擇而影響全廠安全，項(xiàng)目相關(guān)人員向國(guó)內(nèi)相關(guān)專家進(jìn)行了咨詢，這其中包括“SH 3009-石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范”的標(biāo)準(zhǔn)主編單位（中國(guó)石化工程建設(shè)公司）和標(biāo)準(zhǔn)日常管理單位（中國(guó)石化洛陽(yáng)石化工程公司）的專家，這些專家均不認(rèn)可帶氣動(dòng)爆破針型閥可以作為火炬旁路使用，原因如下：

第一，火炬系統(tǒng)用旁路必須是“失效安全型”，這既是制訂SH 3009標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的基本出發(fā)點(diǎn)，也是API 537等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。而帶儀表風(fēng)的爆破針型閥依賴于外界動(dòng)力源，其功能不能完全由其自身完成，外界動(dòng)力源失效時(shí)，這一類爆破針型閥就不能起到保護(hù)作用，也就是說(shuō)，這一類爆破針型閥不是“失效安全型”。

第二，氣動(dòng)閥供氣出現(xiàn)故障而導(dǎo)致閥門(mén)不能如期動(dòng)作是石化廠常見(jiàn)的問(wèn)題。供氣出現(xiàn)故障既可能是由于壓縮機(jī)故障和氣源總管泄漏等系統(tǒng)性原因而導(dǎo)致，也可能由于某些分支管路老化泄漏、異物堵塞、結(jié)冰堵塞、過(guò)濾器堵塞等多方面的局部因素造成。為每一個(gè)閥門(mén)配備一個(gè)空氣儲(chǔ)罐可以部分地解決系統(tǒng)性供氣故障的問(wèn)題，但是解決不了局部因素造成的儀表空氣供氣故障。

而且即便配備了空氣儲(chǔ)罐，也不能保證儲(chǔ)罐內(nèi)一定儲(chǔ)存了合格壓力的儀表空氣，同時(shí)儲(chǔ)罐的壓力狀態(tài)很難實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)控，更談不上實(shí)時(shí)干預(yù)。因此，配備空氣儲(chǔ)罐，只能將儀表風(fēng)的可靠性提高一些，并不能改變氣動(dòng)爆破針型閥不是“失效安全型”這一事實(shí)。

第三，氣動(dòng)爆破針型閥的開(kāi)啟速度很難做到比分級(jí)閥更高，也就是說(shuō)，即便爆破針已經(jīng)失穩(wěn)彎曲，閥體本身也還需要數(shù)秒時(shí)間才能開(kāi)啟，不利于系統(tǒng)的緊急泄壓而帶來(lái)安全隱患，而且還可能造成各級(jí)的爆破針型閥均陸續(xù)開(kāi)啟，帶來(lái)無(wú)謂的復(fù)位及更換爆破針的成本。

基于專家的上述意見(jiàn)，項(xiàng)目人員決定不將氣動(dòng)爆破針型閥作為分級(jí)閥旁路的可接受方案。

4 結(jié)論

火炬系統(tǒng)是石化廠的最后一道安全防線，在其設(shè)計(jì)過(guò)程中必須將可能發(fā)生的所有異常情況都考慮到，以保證整個(gè)工廠的安全。而作為旁路使用的爆破針型閥則是地面火炬系統(tǒng)最后的安全保障，應(yīng)選用“失效安全型”產(chǎn)品。氣動(dòng)爆破針型閥不是“失效安全型”產(chǎn)品，違反了API 537和SH 3009標(biāo)準(zhǔn)的基本要求，不能用作分級(jí)閥旁路使用。

參考文獻(xiàn)：

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