石油化工大型罐區(qū)中控制閥的安全應(yīng)用與研究

李柯萱，施華峰，任 泓

（1. 遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001； 2. 中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧 撫順 113006）

石油化工大型罐區(qū)中控制閥的安全應(yīng)用與研究

李柯萱1，施華峰1，任 泓2

（1. 遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001； 2. 中國寰球工程公司遼寧分公司，遼寧 撫順 113006）

控制閥是石油化工罐區(qū)中的主要元件之一，它的安全性能是衡量閥門質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)，閥門檢驗標(biāo)準(zhǔn)中對閥門的安全等級有明確的規(guī)定。通過對控制閥的類型與結(jié)構(gòu)分析，并在工程設(shè)計中充分考慮其使用工況，使控制閥在石油化工大型罐區(qū)中尤其在安全方面能夠合理的進(jìn)行選型及應(yīng)用，力求選用的閥門滿足安全、合理和經(jīng)濟(jì)的原則。

控制閥；密封等級；防火；API607

控制閥是控制系統(tǒng)的終端,主要對輸油、輸氣管線起開啟和關(guān)閉作用。 一旦其發(fā)生故障，對生產(chǎn)過程的影響非常大。閥門出現(xiàn)故障原因可歸納為以下幾點：

(1) 用戶對閥門結(jié)構(gòu)、安裝調(diào)試等技術(shù)要求不了解。有些用戶按照自己的工作習(xí)慣對閥門進(jìn)行測試而未能嚴(yán)格按照國際或國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試從而出現(xiàn)問題。

(2) 用戶使用調(diào)整不當(dāng)或出現(xiàn)問題未及時發(fā)現(xiàn)并排除造成閥門損壞。一些用戶使用方法不當(dāng)造成閥門損壞或者改變閥門原有裝配狀態(tài)后未能準(zhǔn)確調(diào)整復(fù)原，閥門工作一定時間之后便發(fā)生損壞。

(3) 閥門選型失誤。選型的失誤往往有兩種情況，閥門選型人員的工作失誤和用戶提供錯誤信息。

(4) 閥門長期工作導(dǎo)致部分零件疲勞損壞。這種損壞是任何設(shè)備都不可避免的正常損壞。

由此控制閥在石油化工大型罐區(qū)中運行的安全性備受關(guān)注。本文主要對石油化工罐區(qū)設(shè)計中閥門的結(jié)構(gòu)和類型進(jìn)行分析和闡述，使相關(guān)人員對其有更加深入的理解，從而降低誤操作帶來的損失。

1 大型罐區(qū)中的閥門

在石油化工大型罐區(qū)中，要求線路切斷閥——控制閥具有可靠的開關(guān)，緊急切斷，密封好，泄漏量小和防火等性能。球閥、蝶閥和閘閥是應(yīng)用于儲罐中控制入口進(jìn)出料最廣泛的閥門。

它們作為控制系統(tǒng)的終端設(shè)備，為生產(chǎn)流程的安全運行起著不可估量的作用。尤其在化工生產(chǎn)裝置中，隨著裝置高負(fù)荷運行，閥門的腐蝕、沖刷、磨損、振動、內(nèi)漏等問題不斷發(fā)生，導(dǎo)致閥門的使用壽命縮短、工作可靠性下降、進(jìn)而引起工藝系統(tǒng)和裝置的生產(chǎn)效率大幅度下降，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致全線停車[1]。

因此，需要設(shè)計和操作人員對影響閥門安全的諸因素：閥門結(jié)構(gòu)型式、泄漏量、防火以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的型式等有更深層和更系統(tǒng)的認(rèn)識。

1.1 球閥

球閥的啟閉件為一球體，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 球閥結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of ball valves

球體與其相連的連桿在動力作用下做直線運動，通過拔叉和滑塊球體繞閥體中心線作旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)開啟和關(guān)閉動作，使其具有可靠的開關(guān)作用。球閥的結(jié)構(gòu)形式分為浮動球式和固定球式，連接形式分為法蘭連接、焊接連接及螺紋連接。

球閥的特點如下：

(1)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小，開關(guān)操作迅速、容易；(2)帶有二次防火密封結(jié)構(gòu)的全密封型，密封方式采用具有雙線密封閥座的雙密封結(jié)構(gòu)；(3)閥體對稱，能很好地承受來自管道的溫度應(yīng)力；(4)介質(zhì)流向可以任意，流量特性為快開特性；(5)流阻小，球閥開孔尺寸與管徑相同，特別適用于二位式開關(guān)控制，像緊急切斷、順序控制等場合。選用閥門的口徑通常與工藝管道的直徑相同[2]。

1.2 蝶閥

蝶閥的啟閉件為一蝶形閥板，具有切斷作用。蝶閥按結(jié)構(gòu)分為三種型式，中心對置蝶閥是閥板以閥桿為中心對稱布置，這種閥門的結(jié)構(gòu)一般是單根閥桿，通常口徑小于500 mm，彈性閥座將閥體蓋住，介質(zhì)不與閥體直接接觸，有較好的防腐性能。單偏心蝶閥是閥桿與閥板有一個方向的偏心，一般為較大口徑的蝶閥，閥桿大都采用兩節(jié)結(jié)構(gòu)。雙（三）偏心蝶閥是閥桿與閥板有兩（三）個方向的偏心。由于蝶閥具有自清潔作用，因此可廣泛使用于有懸浮顆粒物和濃濁漿狀的流體，它特別適用于大口徑、大流量、低壓差的場合。

按使用要求可分為常溫蝶閥（-20～45 ℃）、高溫蝶閥（450 ℃、600～850 ℃）、低溫蝶閥（-200～-40℃）、高壓蝶閥（PN32 MPa）。普通蝶閥結(jié)構(gòu)主要由閥體、閥板、傳動件及執(zhí)行器構(gòu)成，如圖2所示。用圓盤形閥板往復(fù)回轉(zhuǎn)90°來開啟、關(guān)閉。突出的特點是體積小、重量輕、安裝尺寸小。蝶閥適合大口徑、大流量，要求開啟、關(guān)閉速度快，且具有良好的流體控制特性，不干凈介質(zhì)場合。由于結(jié)構(gòu)和密封材料的限制，蝶閥不宜用于特別高的壓力、壓差條件下。

圖2 蝶閥結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure of butterfly valves

1.3 閘閥

閘閥可以滿足生產(chǎn)過程中自動快速排放和緊急切斷的操作要求，適用于生產(chǎn)過程和設(shè)備的安全保護(hù)系統(tǒng)及一般的兩位控制和開關(guān)操作場合。閘閥分為楔形閘閥和平行板閘閥兩種，結(jié)構(gòu)如圖3圖4所示。

圖3 楔形閘閥結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of wedge gate valves

圖4 平行板閘閥結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure of parallel plate gate valves

從圖中可以看到楔形閘閥的閥芯是一個楔形塊，如圖3（11）所示，當(dāng)閥門關(guān)閉時執(zhí)行機(jī)構(gòu)推動閥桿使楔形塊壓緊閥座。為了保證密封，需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)消耗較大的力將閥芯與閥座砸緊。這樣會發(fā)出較大的切斷力，使管線產(chǎn)生振動，噪音大。如果長時間關(guān)閉閥門還可能導(dǎo)致閥芯與閥座之間銹死而難以開啟。針對楔形閘閥的不足，工業(yè)中更多采用平行板閘閥，它在結(jié)構(gòu)上采用對閥芯安裝了一對平行閥板的方法。當(dāng)閥門關(guān)閉時，閥芯被平行板夾緊來保證密封性能；當(dāng)閥門開啟時,先將平行板分開,然后閥芯再離開閥座。這樣可使執(zhí)行機(jī)構(gòu)更省力,減少了噪音和振動的產(chǎn)生。

2 控制閥設(shè)計

2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

控制閥由閥體和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成，因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇也是十分重要的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為電動和氣動兩種，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般由電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)、電源部分、伺服放大部分、位置反饋以及顯示控制面板等部分組成。電能通過電機(jī)和傳動部分，帶動閥桿或風(fēng)門連桿做直線運動或轉(zhuǎn)動。伺服放大部分以及位置反饋實現(xiàn)了精確調(diào)整、準(zhǔn)確定位的控制作用[3]。顯示部分是為了實現(xiàn)良好的人機(jī)對話和控制作用。

考慮到石油化工大型罐區(qū)中的介質(zhì)具有易燃易爆的特性，因此較常采用氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、動作速度快、維修方便和價格便宜等優(yōu)點。氣動活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)按動作方式可分為單作用和雙作用兩種如圖5所示，在結(jié)構(gòu)上又分為單彈簧薄膜式和多彈簧薄膜式兩種[4]。單作用式氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中薄膜與彈簧連接，利用通入到薄膜氣室的信號壓力使彈簧發(fā)生形變，從而控制閥芯動作。雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)是利用薄膜兩端氣室的壓力差來控制閥芯動作。

圖5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)單作用和雙作用圖示Fig. 5 Actuators single function and dual action figure

2.2 閥門密封

閥的密封按ANSI標(biāo)準(zhǔn)共分為六級，在罐區(qū)設(shè)計中一般選擇IV、V、VI級。閥門工作時，需要其具有良好的密封性，對于閥門的密封有兩種：硬密封和軟密封。所謂硬密封即閥板密封面和閥體密封面配對為金屬材料。這種結(jié)構(gòu)的閥門結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，耐高溫，但是如果要做到完全密封對工藝要求非常高，而且完全密封后，由于閥體與閥座接觸緊密，容易銹死，不利開啟。軟密封是閥座采用具有彈性的材料，這種結(jié)構(gòu)有利于完全密封，不易使流體流入閥間，對閥門起到保潔的作用。但軟密封不適合用于含有顆粒的流體，因為較硬的顆粒會滯留在閥座上，損傷彈性材料影響閥門密封等級。而且，在防火性能上軟密封相對硬密封較差。

球閥的軟、硬密封選用主要依據(jù)工藝介質(zhì)、溫度及壓力，一般對于含有固體顆?；蚓哂心p性或溫度高于200 ℃的介質(zhì)最好選用硬密封，口徑大于50 mm；壓差較大還要考慮其閥門力矩大小，力矩較大時應(yīng)選用固定密封球閥。但無論軟密封還是硬密封，球閥的密封等級都可達(dá)到Ⅵ級。

中心對置蝶閥密封性能較好，能達(dá)到ANSI-B104Ⅵ級或零泄漏，但啟閉所需的扭矩較大；單偏心蝶閥的密封性能比中心對稱蝶閥差一些；啟閉所需的扭矩較中心對稱蝶閥??；雙（三）偏心蝶閥的密封面呈正圓臺形。其閥座有彈性體閥座和金屬閥座兩種，彈性體閥座的密封等級可達(dá)ANSI-B104的Ⅵ級或零泄漏，金屬閥座常由金屬薄板加工而成，密封等級一般為Ⅳ級?；馂?zāi)安全型的雙偏心蝶閥的閥座是由彈性體閥座加上金屬薄板的閥座復(fù)合而成。正常情況下由彈性體閥座密封，可達(dá)ANSI-B104的Ⅵ級密封；火災(zāi)時，由于彈性體閥座燒毀，靠金屬閥座密封，此時閥門的密封降到ANSI-B104的Ⅳ級。

閘閥的硬密封采用金屬材料,密封性能相對較差,盡管有制造商宣稱可以作到零泄漏。軟密封的優(yōu)點是密封性能好,缺點是容易老化、磨損、使用壽命短。硬密封使用壽命長，但是密封性相對比軟密封差。這兩種密封可以相互補充的,就密封性而言軟密封相對較好,但是現(xiàn)在硬密封的密封性也能夠滿足相應(yīng)的要求。

2.3 閥門電纜

閥門電纜分為動力電纜和控制電纜，它也是閥門安全運行的一個重要保障，它保證了控制閥能準(zhǔn)確的接收來自控制室的信號，為了避免閥門電纜在火災(zāi)中燃燒，可以采用阻燃型防火電纜或采用埋地方式并盡量采取水平鋪設(shè)形式，這樣可有效保護(hù)閥門控制電纜的安全，確保在緊急狀況下控制閥能關(guān)得嚴(yán)、打得開。

3 閥門防火

閥的防火設(shè)計，美國API607[5]防火標(biāo)準(zhǔn)中對于如何進(jìn)行閥門的火災(zāi)測試有非常詳盡的描述，對于測試后的評判標(biāo)準(zhǔn)也有明確的規(guī)定。在石油化工罐區(qū)中壓力一般控制在4.0 MPa，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，閥所在的著火區(qū)域很快就會處于高溫燃燒下，能否在30 min內(nèi)依然保證嚴(yán)密關(guān)斷及操作效果，成為閥門防火設(shè)計的關(guān)鍵所在。API607規(guī)定，在燃燒測試階段，對于上游密封或雙向密封且壓力等級小于class600或者對于其他壓力等級小于class900的閥門，尺寸為<=10寸的閥門，其允許最大泄漏量為100 mL/min,對于尺寸為>10寸的閥門，允許的最大泄露量為1 000 mL/min。因此，石油化工罐區(qū)中閥門的設(shè)計選型應(yīng)盡可能考慮閥門的防火性能，以確保火災(zāi)事故狀態(tài)下罐區(qū)的安全。

Safety-application and Research of Control Valves in Large Petrochemical Tank Farm

LI Ke-xuan1， SHI Hua-feng1， REN hong2
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；
2. HQCEC Liaoning Branch, Liaoning Fushun 113001，China）

Control valves are main component in oil chemical tank farm. Safety performance of the valves is an important index of quality. The security level in inspection standards for valve has specific provision. In this paper, through analyzing types and structures of control valves and considering its operating conditions in engineering design, suitable control valves were selected and used in petrochemical industry large tank farm in terms of security, reasonable and economic principles.

Control valves; Sealed class; Fire prevention; API607

TP 21

A

1671-0460（2012）02-0203-03

2012-01-11

李柯萱（1985-），女，遼寧撫順人，碩士研究生，2009年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)，研究方向：智能儀表的測量與控制。E-m ail：likexuan1124@126.com。