火災(zāi)緊急隔離閥門的設(shè)計(jì)探討

李勝利

(中國石油天然氣華東勘察設(shè)計(jì)研究院,山東青島 266071)

0 引 言

石化行業(yè)的生產(chǎn)原料和產(chǎn)品大多具有易燃、易爆、有毒、有害和腐蝕性,生產(chǎn)工藝操作復(fù)雜、連續(xù)性強(qiáng),具有生產(chǎn)危險(xiǎn)性大、發(fā)生火災(zāi)爆炸幾率高等特點(diǎn)。一旦發(fā)生火災(zāi)、泄漏等事故,應(yīng)立即切斷泄漏源,將火災(zāi)危險(xiǎn)源與設(shè)備隔離開,設(shè)置緊急隔離閥是減輕火災(zāi)損失的重要手段?？筛鶕?jù)用戶的安全要求確定,目前還沒有具體、明確的設(shè)計(jì)規(guī)范可遵循。結(jié)合以往發(fā)生的火災(zāi)案例,筆者探討火災(zāi)緊急隔離閥的設(shè)置原則和工程設(shè)計(jì)應(yīng)注意的事項(xiàng)。

1 典型案例和教訓(xùn)

2007-02-16 Valero能源公司美國德州Mckee煉油廠丙烷脫瀝青裝置(PDA)的一條丙烷管線因維護(hù)管理缺失發(fā)生破裂泄漏,引發(fā)火災(zāi)并造成一連串火災(zāi)爆炸事故,該廠停止運(yùn)轉(zhuǎn)2個(gè)月, PDA裝置停工維修約一年,直接損失超過5 000萬美元。U.S.CSB《事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)(8)》中提到事故發(fā)生的6條基本原因中,第2條是該廠沒有遵循Valero公司的指令“Emergency Isolation Valve procedure”,指令要求對(duì)于工廠可能發(fā)生大量易燃物質(zhì)釋放事故時(shí),應(yīng)設(shè)置緊急隔離閥(EIV),以快速隔離處理。第3條是該廠1996年P(guān)HA過程危害分析報(bào)告中,曾提及PDA工廠應(yīng)裝設(shè)遙控操作切斷閥ROSOV(Remotely Operable Shut off Valves),但卻未追蹤改善,以致此次發(fā)生大量泄漏時(shí),無法即時(shí)關(guān)斷、阻截,造成嚴(yán)重的災(zāi)害損失。

2010-01-07T17-24,位于甘肅省蘭州市的中國石油蘭州石化分公司316號(hào)罐區(qū)發(fā)生一起爆炸火災(zāi)事故,造成6人死亡、6人受傷。此次事故原因:裂解C4球罐(R202)內(nèi)物料從出口管線彎頭處發(fā)生泄漏并迅速擴(kuò)大,泄漏的裂解C4達(dá)到爆炸極限,遇點(diǎn)火源后發(fā)生空間爆炸,進(jìn)而引起周邊儲(chǔ)罐泄漏、著火和爆炸。在國家安全監(jiān)管總局關(guān)于中國石油天然氣股份有限公司蘭州石化分公司“1·7”爆炸火災(zāi)事故的通報(bào)(安監(jiān)總管三〔2010〕8號(hào))中,明確要求“:使安全設(shè)施滿足現(xiàn)行安全標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的要求,特別是液態(tài)烴、液氯、液氨及劇毒化學(xué)品等重點(diǎn)儲(chǔ)罐,應(yīng)按照或參照參考文獻(xiàn)[2]的要求設(shè)置緊急切斷閥、裝備安全聯(lián)鎖裝置”。

以上僅列出兩起近年發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)事故的一些結(jié)論,均明確提出設(shè)置火災(zāi)隔離閥的要求。

2 設(shè)置原則

隔離閥的設(shè)置方式與設(shè)備的容器體積、介質(zhì)及布置情況等有著密切的關(guān)系,設(shè)置形式也是多樣的。隔斷閥通常分:A型——安裝在設(shè)備管口處手動(dòng)操作的閥;B型——安裝在管道系統(tǒng)的手動(dòng)操作的閥;C型——安裝在管道系統(tǒng)的動(dòng)力操作的閥;D型——?jiǎng)恿Σ僮鞯拈y,并能通過安裝在現(xiàn)場(chǎng)和控制室的按鈕關(guān)閥。

根據(jù)國外工程公司的設(shè)計(jì)慣例,大型機(jī)泵、壓縮機(jī)、加熱爐或減壓系統(tǒng)設(shè)置的隔離閥除現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置手動(dòng)按鈕外,還必須在有人值守的控制室內(nèi)設(shè)置操作按鈕。因此大型機(jī)泵、壓縮機(jī)、加熱爐或是減壓系統(tǒng)設(shè)置的隔離閥均應(yīng)為D型閥。

[2]中也明確了隔離閥的設(shè)置要求,如第7.2.15節(jié)提到“液化烴設(shè)備抽出管道應(yīng)在靠近設(shè)備根部設(shè)置切斷閥。容積超過50 m3的液化烴設(shè)備與其抽出泵的間距小于15 m時(shí),該切斷閥應(yīng)為帶手動(dòng)功能的遙控閥,遙控閥就地操作按鈕距抽出泵的間距不應(yīng)小于15 m”。

液化石油氣(LPG)設(shè)施的設(shè)計(jì)和建造(API 2510)規(guī)定:液化烴管道上的切斷閥應(yīng)盡可能靠近罐布置,最好安裝在罐壁管嘴法蘭上。為便于操作和維修,切斷閥安裝位置應(yīng)易于迅速接近。當(dāng)液化烴罐容積約超過38 m3(10 000 gal)時(shí),在火災(zāi)發(fā)生15 min內(nèi),所有位于罐最高液面下管道上的切斷閥應(yīng)能自動(dòng)關(guān)閉或遙控操作。切斷閥控制系統(tǒng)應(yīng)耐火保護(hù),切斷閥應(yīng)能手動(dòng)操作。

設(shè)計(jì)時(shí),必須在遵循《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的基礎(chǔ)上,根據(jù)安全分析的結(jié)果充分考慮火災(zāi)隔離的設(shè)置,確保在事故發(fā)生時(shí),通過操作緊急隔離閥及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)隔離。

3 設(shè) 計(jì)

根據(jù)隔離閥的分類,一般有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)隔離閥和現(xiàn)場(chǎng)、遠(yuǎn)程兩地操作的緊急隔離閥,該文重點(diǎn)探討可遠(yuǎn)程操作的緊急隔離閥的設(shè)計(jì)。

3.1 閥門類型

在中低壓應(yīng)用場(chǎng)合,緊急隔離閥口徑不大于300 mm時(shí),一般選用球閥,大于300 mm時(shí),一般選用高性能偏心蝶閥;特殊情況下,可根據(jù)介質(zhì)等條件選用其他類型的閥門,如閘閥、球閥、旋塞閥等;在高壓應(yīng)用場(chǎng)合,一般選用球閥、閘閥等。蝶閥一般應(yīng)用于不大于300 bf(1 bf=4.448 N)壓力等級(jí)的場(chǎng)所,最高不超過600 bf。

選用球閥時(shí),介質(zhì)應(yīng)潔凈不含有固體顆粒。一般情況下,介質(zhì)溫度不小于200℃時(shí)應(yīng)選用金屬密封閥座的球閥,介質(zhì)溫度小于200℃時(shí)應(yīng)選用非金屬密封軟閥座的球閥,非金屬密封閥座環(huán)一般為PTFE、強(qiáng)化PTFE或其他高溫高強(qiáng)度材料。

泄漏等級(jí)應(yīng)能滿足 ANSI B16.104(ANSI/ FCI 70.2)或API598規(guī)定的泄漏標(biāo)準(zhǔn),火災(zāi)隔離閥的泄漏等級(jí)應(yīng)為嚴(yán)密關(guān)斷(TSO)。對(duì)于硬密封金屬閥座,TSO為V級(jí);對(duì)于軟密封非金屬閥座, TSO應(yīng)為VI級(jí)。

3.2 防火及防靜電結(jié)構(gòu)

當(dāng)隔離閥門選用球閥時(shí),應(yīng)設(shè)計(jì)為防火、防靜電結(jié)構(gòu)。

如果是軟密封閥座,在發(fā)生火災(zāi)被燒壞時(shí)仍能保持一定要求的密封性能。防火結(jié)構(gòu)應(yīng)達(dá)到API 607標(biāo)準(zhǔn)要求。閥門填料應(yīng)優(yōu)先采用石墨基耐高溫填料。

閥體、球體和閥桿之間應(yīng)具有能導(dǎo)電的結(jié)構(gòu),球體被非金屬材料夾持,可能產(chǎn)生靜電,必須與閥體導(dǎo)通。一旦出現(xiàn)靜電堆積,對(duì)于可燃性介質(zhì)尤其是燃點(diǎn)低的介質(zhì)(如汽油,液化天然氣及丙烷等)十分危險(xiǎn),抗靜電設(shè)計(jì)應(yīng)符合BS5146 Part 1要求。

3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

遠(yuǎn)程操作的緊急隔離閥可供選用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)、氣動(dòng)和液壓三種。在石油化工廠內(nèi),利用已有的凈化風(fēng)氣源,可優(yōu)先選用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),它具有響應(yīng)時(shí)間短、關(guān)斷動(dòng)作快的優(yōu)點(diǎn)。在不能選用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或沒有凈化風(fēng)氣源時(shí),可以選用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),關(guān)斷時(shí)間稍長。液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于要配套控制動(dòng)力油系統(tǒng),較顯繁瑣,但是在高推力、快速開關(guān)或者長行程情況下,應(yīng)用效果較好。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)具有防火性能,應(yīng)能有足夠的防火措施以保證能有足夠的時(shí)間使閥門全開或全關(guān)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的外殼可以采用耐火材料或耐火涂料覆蓋, UL1709標(biāo)準(zhǔn)下防火時(shí)間應(yīng)不小于30 min。如果閥門設(shè)計(jì)成火災(zāi)時(shí)故障安全形式,可以不考慮防火。

3.4 附 件

a)電磁閥。執(zhí)行機(jī)構(gòu)配套使用的電磁閥材質(zhì)一般應(yīng)為316不銹鋼、24 VDC直流供電、低功耗型、H級(jí)高溫絕緣線圈,一般情況下電磁閥不帶復(fù)位功能,復(fù)位通過專門的復(fù)位按鈕或控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

b)限位開關(guān)。應(yīng)設(shè)置開閥、關(guān)閥限位開關(guān),限位開關(guān)一般為機(jī)械式或接近式,不銹鋼殼體,并應(yīng)有澆封型腔體或獨(dú)立的接線盒。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和限位開關(guān)應(yīng)為一體式的結(jié)構(gòu)。工程設(shè)計(jì)時(shí),限位開關(guān)輸出觸點(diǎn)的作用方式一般采用“到位閉合”的形式。

c)手輪。如果緊急隔離閥門僅用于緊急隔離,可以根據(jù)工況設(shè)置手輪;如果它還和緊急停車系統(tǒng)關(guān)聯(lián),則不設(shè)置手輪。一般情況下,用于隔離的緊急隔離閥不宜用于緊急停車聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)。

設(shè)置手輪時(shí),閥門上應(yīng)有明確的“手動(dòng)”和“自動(dòng)”切換開關(guān),并有鎖定機(jī)構(gòu)。將手輪聯(lián)上或達(dá)到“手動(dòng)”位置,就可以手動(dòng)操作;正常投用時(shí),必須達(dá)到“自動(dòng)”位置,使手輪與閥桿脫開,并將手輪打到安全位置上(閥門全開的位置上)。

3.5 其 他

a)急停按鈕。應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)和控制室輔操臺(tái)分別設(shè)置緊急關(guān)閥按鈕,確保能在危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)操作人員按下按鈕迅速關(guān)斷緊急隔離閥。

b)復(fù)位按鈕。應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)緊急隔離閥門處設(shè)置復(fù)位按鈕,在現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)安全或危險(xiǎn)消除后,按下復(fù)位按鈕,將緊急隔離閥置于正常投用狀態(tài)。

上述這些按鈕是緊急隔離系統(tǒng)的一部分,由設(shè)計(jì)院進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì),以確保危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)操作人員能夠迅速響應(yīng)及安全復(fù)位。

4 安 裝

緊急隔離閥應(yīng)盡量安裝在要切斷的設(shè)備、儲(chǔ)罐或管線的根部或起點(diǎn)位置。

當(dāng)設(shè)備或儲(chǔ)罐后安裝2臺(tái)及以上抽出泵時(shí),緊急隔離閥應(yīng)安裝在泵入口公用管線上,且與泵的間距不宜小于5 m(水平距離),如受空間限制,也應(yīng)盡量拉大與泵的距離。

當(dāng)要隔離的設(shè)備與其抽出泵之間距離小于15 m時(shí),現(xiàn)場(chǎng)緊急關(guān)閥按鈕應(yīng)布置在距離相應(yīng)抽出泵15 m(水平距離)之外的區(qū)域,安裝地點(diǎn)應(yīng)在安全、明顯、方便接近、操作的地方。復(fù)位按鈕應(yīng)緊鄰緊急隔離閥現(xiàn)場(chǎng)布置安裝。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用于火災(zāi)隔離控制的電氣、儀表和控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行防火保護(hù)設(shè)計(jì),除非系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計(jì)為發(fā)生火災(zāi)時(shí)故障安全型。

火災(zāi)隔離控制系統(tǒng)可以通過SIS來實(shí)現(xiàn),現(xiàn)場(chǎng)關(guān)閥按鈕、輔操臺(tái)關(guān)閥按鈕、復(fù)位按鈕信號(hào)均傳輸至SIS,通過邏輯運(yùn)算輸出信號(hào)至緊急隔離閥,控制緊急隔離閥的關(guān)斷和復(fù)位。

在輔操臺(tái)上的緊急隔離閥關(guān)斷、復(fù)位按鈕應(yīng)集中在一個(gè)區(qū)域布置。

如果用于激活緊急停車設(shè)備(包括泄壓或隔離系統(tǒng))的控制電纜在火災(zāi)發(fā)生時(shí)暴露在火焰中,那么電纜應(yīng)具有15～30 min的耐火能力。用于火災(zāi)隔離系統(tǒng)的電纜應(yīng)該是具有防火性能的耐火電纜, UL 1709標(biāo)準(zhǔn)下耐火時(shí)間不小于15 min。如果不采用耐火電纜,電纜必須采用埋地、耐火電纜槽盒內(nèi)敷設(shè)或遠(yuǎn)離潛在高火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域之外敷設(shè)。

除控制閥及附件需考慮防火設(shè)計(jì)外,控制閥的儀表風(fēng)系統(tǒng)或液壓油系統(tǒng)也要考慮防火設(shè)計(jì)。在高火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi),火災(zāi)緊急隔離閥的動(dòng)力系統(tǒng)管路盡可能采用ASTM 304,316或321不銹鋼管,這些管材自身具有較高的耐火能力,不需要進(jìn)行額外的防火處理。

6 結(jié)束語

首先工藝專業(yè)應(yīng)對(duì)緊急隔離閥設(shè)置做出全面考慮,避免緊急隔離閥的關(guān)閉帶來潛在的新危險(xiǎn),常見情況如下:

a)泵吸入口前的緊急隔離閥應(yīng)考慮與泵電機(jī)聯(lián)動(dòng),關(guān)閉緊急隔離閥后應(yīng)立即停泵,防止無流量對(duì)泵的損壞。

b)當(dāng)設(shè)備容器或儲(chǔ)罐后安裝2臺(tái)及以上抽出泵時(shí),緊急隔離閥應(yīng)安裝在泵入口公用總管線上。

c)緊急隔離閥不宜用于緊急停車系統(tǒng),應(yīng)盡量避免與緊急停車保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。緊急隔離閥的控制方式僅為遙控手動(dòng)控制。如果緊急隔離閥參與緊急停車保護(hù),閥門的設(shè)計(jì)還應(yīng)滿足安全保護(hù)系統(tǒng)的要求。

關(guān)于火災(zāi)緊急隔離閥的設(shè)計(jì)和應(yīng)用,國內(nèi)石化行業(yè)沒有專門的設(shè)計(jì)規(guī)范,或相關(guān)規(guī)范沒有進(jìn)行詳盡的規(guī)定。筆者希望通過以上介紹,在石油化工安全設(shè)計(jì)時(shí)供同行借鑒,并提出問題引起相關(guān)部門重視,進(jìn)而制訂出具體的相關(guān)規(guī)范,以服務(wù)于石油化工企業(yè)的安全生產(chǎn)。

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