防火型緊急切斷閥在油氣地面工程設計中的選型與應用

靳廣偉

（中國石油工程建設有限公司）

石油天然氣企業的生產特點為高溫、 高壓、易燃、易爆甚至有毒。 當發生火災或突發情況，可能會造成無法挽回的人員傷害和經濟損失。 緊急切斷閥（Emergency Shutdown Valve，ESDV）是一種快速切斷閥，是保障生產安全的關鍵設備。 當過程控制失效，裝置出現緊急狀況（如管道泄漏、現場火情、地震及其他不抗情況）時，為保證裝置和生產安全，ESDV會切斷流體通路、隔離工藝介質，保證裝置安全停產。 ESDV不僅在本質安全性方面有嚴格要求，對防火安全也需遵照相關標準規范。

1 緊急切斷閥的組成和類型

緊急切斷閥由閥體、執行器、電磁閥、過濾減壓器及其他附件組成。

石油化工行業常用ESDV的閥體有蝶閥、閘閥和球閥。 切斷蝶閥一般采用三偏心蝶閥，關斷密封性較好、造價低，但閥瓣影響流通能力；閘閥雖然結構簡單、開關阻力小，但安裝空間大、密封易磨損、動作時間長；球閥密封性好、關斷性好，最為常用。 球閥根據球體的工作方式，可分為浮動球閥和固定球閥。 固定式球閥不需要介質的壓力就能實現雙向可靠密封，應用較為廣泛。

閥門執行器有電動、 液動、 氣動3種常用類型，其中氣動執行器由工廠風驅動，結構簡單、性能可靠穩定、易操作維護，并且安全性高，有很好的防火防爆性能，在石油天然氣相關行業優先采用。 彈簧復位撥叉式氣動執行器在發生火災時，執行器過熱損壞能復位到安全位置，而且具有起動轉矩大、 占用空間小及運行平穩度高等優點，常用于大轉矩球閥、蝶閥和旋塞閥的控制。

本項目使用的緊急切斷閥類型為氣動彈簧復位撥叉式執行器的固定式球閥。

2 閥門本體安全設計和要求

2.1 防靜電

API 6D規定軟密封球閥需要設計防靜電裝置， 對硬密封球閥沒有規定。 在GB/T 12237—2021中規定，如訂貨合同有規定，球閥應設計成防靜電結構。GB/T 12237—2021和API STD 608—2020都規定不大于DN50 mm的球閥，應使閥體和閥桿之間能導電；對大于DN50 mm的球閥，則要保證球體、閥桿和閥體之間能導電，其結構要滿足新的干燥閥門， 在試驗電壓不超過12 V時，閥桿、閥體和球體的防靜電電路電阻小于10 Ω。

閥門防靜電技術主要針對軟密封球閥。 由于硬密封球閥相互摩擦的兩組材料均為金屬材料，不會產生靜電， 而軟密封閥門在開關時PTFE或RPTFE材料的閥座和密封件與金屬材料的球體摩擦容易產生靜電積累，可能產生火花。 如果工藝介質具有易燃易爆性質， 靜電火花很可能引起燃燒或爆炸。 防靜電裝置即在球體與閥桿、閥桿與閥體之間設置由彈簧和不銹鋼球組成的導電彈簧組，以提供電氣連續性， 閥門開關產生的靜電通過金屬管道傳導進入接地網，起到消除靜電的作用。

2.2 防火安全

防火型球閥在各行業廣泛應用，能大幅提高系統的安全性能， 對于可能發生火災的生產現場，可有效防止內部泄漏。

API RP 553—2012規定：“緊急切斷閥是在發生泄漏或火災時用來隔離易燃或有毒物質的一種手段”，“在防火區處理易燃液體的任何閥門都應該是防火的”。 閥門在高溫火焰中保持正常工作，是防火型閥門的必要性能，也是衡量閥門安全性能的重要指標。 若閥門有防火要求，必須進行防火安全設計，對防火安全要求高的場合還要進行防火安全認證。

對防火安全型球閥，實現閥體防火主要靠特殊密封設計實現， 無論是固定球閥還是浮動球閥，閥座的耐火結構原理一樣。 閥門防火一般針對軟密封球閥，此類軟密封閥門有軟密封（主密封）和硬密封（候補密封）設計［1］（圖1），當軟密封高溫熔化后，閥門球體會與軟密封后的硬密封形成候補密封，有效阻止工藝介質大量外泄。

圖1 閥體防火設計

金屬密封球閥在火災情況時，由于泄漏量很小，在大多防火標準中沒有涉及，但其密封性也不理想。 高溫火焰下，直接暴露在火焰下的金屬部件比閥內部件（閥桿和閥瓣）膨脹得快，會造成閥座一定量的泄漏。 在設計中應增加特殊彈簧來補償熱膨脹差異， 保證閥門在非正常狀況的密封。 因此，在防火安全要求高的場合，閥門需要進行防火安全測試認證。

3 執行器安全設計和要求

3.1 故障安全

執行器故障安全是執行器失去電信號或失去氣源供給后，閥門返回到預定安全位置。 不同應用場合安全位置有故障開（FO）和故障關（FC），無論是FC還是FO，都是從本質安全設計，目的是最大限度地確保生產安全。 ESDV的故障安全位置為關閉狀態，即故障關。 對于單作用（彈簧復位式）撥叉式氣動執行器，失效安全操作由執行器內的彈簧復位完成，一旦外動力切斷，由彈簧力作為驅動力關閉閥門。 ESDV執行器故障安全在工程設計中應重點關注， 在非正常和緊急情況下，執行機構需及時復位到安全位置。

3.2 ESDV執行器防火措施

不同項目不同應用場合執行器防火方案也不相同， 一般執行器防火措施有安裝易熔塞、易熔材料氣源管線和FireChek設備， 以實現緊急切斷閥在火災情況時及時復位到安全位置的要求。若項目合同規定或工藝控制安全有需求，閥門執行機構需要進行被動防火設計。 避免火災損壞執行機構，進而導致閥門失控，確保執行器有足夠的時間恢復到安全位置或按照工藝控制預定的聯鎖完成閥門動作。

3.2.1 易熔塞和氣源管線的選用

易熔塞是易熔材料的金屬塞狀物（化學成分為鉍、鉛、錫和鎘），一般耐溫范圍57～260 ℃。要根據實際工況、環境溫度和火災類型來確定易熔塞溫度。 安裝在靠近執行器氣缸側的氣源管線上。火災時，周圍溫度升高到易熔塞熔點，易熔塞熔化，氣缸失氣，氣缸內彈簧推動活塞閥門復位到關閉位置。

易熔氣源管線作用與易熔塞一樣，在靠近執行器側的部分氣源管線選擇易熔材料管線。 火災時，管線熔化，氣缸失氣，閥門自動恢復到關閉位置。 若需要增大火情響應范圍，可將易熔氣源管線纏繞在執行器或閥體四周。

易熔氣源管線的選用，應按項目需求選用不同熔點的材料，室外使用要考慮抗紫外線材料。

3.2.2 FireChek閥

FireChek閥是一種新型氣動開關閥火災保護設備。 安裝在執行器氣缸進氣位置，不需要供電，由形狀記憶合金感溫產生相位感應變化，迅速觸發FireChek 閥動作，釋放氣缸內的壓縮空氣關閉閥門，同時切斷氣源供給，防止工廠風向火中輸送氧氣。 與傳統的易熔塞和易熔管相比，保護能力增強，安全性提高，并且可以使用熱風槍周期性檢查FireChek閥是否正常。

3.2.3 被動防火保護

閥門執行機構被動防火種類有柔性防火罩、剛性防火罩、防火涂層及防火殼等。

被動防火保護要覆蓋執行器本體、 控制盤、電磁閥、信號、供電線纜及過濾減壓器等器件。 與執行器相連的電纜采用耐火電纜，不能使用抗火性能較差的尼龍管或銅管等作為氣源管線，以到達整體防火設計的要求。 按API RP 553的規定，“緊急切斷閥的氣源、關鍵電氣線路、就地控制盤和執行器應能承受1 093 ℃（2 000 ℉） 的石油火災溫度，同時使所有內部電氣控制和線路保持在93 ℃（200 ℉）以下，時間至少30 min。 ”被動防火保護推薦進行UL 1709認證，主要測試隔熱效果。

柔性和剛性防火罩由防火罩廠家按照執行機構整體外形尺寸量身定做。 柔性防火罩采用具有強隔熱性能的礦物纖維防火絕緣材料，外表面采用耐高溫硅膠防火材料，涂有耐腐蝕和對抗紫外線的保護層。 柔性防火罩設計結構靈活緊湊，可快速拆裝、重復使用，并有利于執行機構的維護保養。 剛性防火罩是由不銹鋼面板組成的箱體， 不銹鋼面板中填充礦物纖維防火絕緣材料。有些剛性防火罩外層會噴涂膨脹型環氧樹脂和硅酸鈣板。 二者共同的優點是，執行機構和防火罩可以在各自工廠同時加工制作，完成后發送到閥門工廠組裝。 若防火罩有損壞破損，易于更換維修。 剛性防火罩制造難度較高，重量大，價格比柔性防火罩貴很多。

防火涂層，采用專有配方的膨脹型環氧樹脂噴涂覆蓋執行器外殼。 控制盤、電磁閥及過濾減壓器等設備安置在覆蓋有耐火涂料的箱體內。 這種耐火材料在環境溫度急劇上升時，體積會急速膨脹，有效阻隔外部熱量。 防火涂層的制造程序較為繁瑣，執行器制造完成后，運送到防火涂層工廠， 噴涂前要去除執行器外表面原有涂料，防火材料直接噴涂在執行器各部分的外表面。 之后將完成噴涂的執行器發送到閥門制造工廠，與閥體組裝測試。 優點是涂層完全覆蓋在執行器表面，結構緊湊美觀，便于設備檢查維修。 缺點是價格較貴、供貨周期較長、涂層受損后需返廠維修。

另外一種防火殼， 也可歸類為剛性防火，是本項目采用的閥門執行機構被動防火型式。

4 伊拉克某天然氣處理廠ESDV被動防火應用

API RP 553—2012中規定：“a）設計了配置易熔裝置的執行器， 火災條件下閥門能夠自動關閉；b）設計了失效安全型的閥門和執行器，即使執行器失效情況下也能關閉。 ”適用于a和b的閥門，都屬于火災安全型閥門，在火災情況下ESDV能夠關閉。 因此，依據API標準，火災安全的緊急切斷閥執行器配置易熔裝置即可，不需要被動防火保護。

陸上石油天然氣行業發生火災， 按燃燒方式，有池火、噴射火、火球和爆燃、固體火災和突發火。不同類型的火災中，池火災最為常見。生產中操作失誤、設備老化及自然災害等都可能造成可燃液體泄漏形成池火災。 按照火災熱輻射通量傷害/破壞準則，12.5 kW/m2熱輻射將會影響ESDV正常工作。此項目業主沒有推薦易熔塞或易熔管， 而是要求落在12.5 kW/m2池火防火分區范圍的ESDV均需被動防火保護， 可以是防火涂層或同等方式的被動防火保護， 需依照API 2218對ESDV執行器進行被動防火保護措施，以確保ESDV執行器在火災損壞失能前完成預定的安全聯鎖動作。

為了便于閥門和防火維護、縮短供貨周期，項目ESDV采用防火殼式被動防火。依據執行機構整體尺寸完成防火殼3D建模， 采用約15 mm厚的膨脹型環氧樹脂鑄造， 中間用鋼網加固。控制盤、 電磁閥及過濾減壓器等設備安置在覆蓋有耐火涂料的箱式殼體中。 防火殼整體結構緊湊，可重復拆卸，方便閥門維護，是一種膨脹型可拆卸外殼形式的PFP。 防火殼以預制件形式提供， 可在現場組裝到閥門執行機構上，縮短供貨周期。 缺點是價格較貴， 需要詳細準確的整體外形圖。 閥門與防火罩整體結構如圖2所示。

圖2 閥門與防火罩整體結構

在防火殼設計中要充分考慮有足夠空間給閥位開關、 電磁閥等設備連接防爆格蘭和電纜，方便防火罩內部設備操作和維護；要有合適的可打開的通道用于觀察閥位、 正常操作維護。 防火殼采用膨脹型環氧樹脂，要清楚最高耐受溫度（一般約90 ℃），避免環境溫度過高或受工藝介質影響， 防火材料溫度持續高溫造成防火涂層膨脹；對于高溫應用場合，需采用耐受溫度范圍寬的特殊防火材料。

UL1709認證是將被動防火保護閥門在實驗室按照UL1709 方法進行快速升溫耐火試驗。 測試過程在PFP防火罩內設置3個溫度傳感器，用于檢測PFP內部溫升。

控制標準測試溫度在10%范圍內， 持續60 min測試。 測試開始5 min后測試溫度達到1 093 ℃， 分別在6、13、20 min做閥門功能測試，之后每分鐘做一次閥門功能測試，直到滿60 min為止。 整個測試過程閥門功能正常。 測試驗證了閥門在烴類火災中， 防火罩內的執行器和控制系統能夠保持至少30 min 正常工作。 測試結果見表1的測試數據和圖3所示的時間溫度曲線。

圖3 時間溫度曲線

表1 被動防火測試數據

5 結束語

ESDV作為保障安全生產的核心設備之一，對其性能和安全指標要求高，尤其在有可能發生火災的應用場合需按項目合同要求和實際工藝需求把好技術關，依據相關標準規范、實際工程經驗進行合理設計選型與應用。 同時，做好生產環節的技術管控，加強日常控制與管理，采取科學、有效的石油化工防火技術措施，才能全面提高生產安全，發揮設備的最大性能和價值。