氣動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，應選用“失效安全型”產品。本文氣動爆破針型閥在地面火炬中的適用性進行了討論，結論是氣動爆破針型閥不是“失效安全型”產品，違反了API 537和SH 3009標準的基本要求，不能用作分級閥旁路使用。

關鍵詞：地面火炬；火炬系統(tǒng)；爆破針型閥

1 地面火炬及其優(yōu)勢簡介

火炬系統(tǒng)是用來處理石油化工廠、煉油廠、化工廠及其其它工廠或裝置無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施，是保證工廠安全生產、減少環(huán)境污染的一項重要措施。

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。與高架火炬相比較，地面火炬的主要優(yōu)勢如下表所示：

近年來，隨著石油化工行業(yè)用戶對于環(huán)保、安全以及與居民友好性重視程度的不斷提高，國內越來越多的企業(yè)開始采用地面火炬。

2 地面火炬的分級運行

地面火炬之所以能夠實現(xiàn)在整個處理能力范圍內（0-100%的處理能力）的無煙燃燒是因為其采取了分級運行的方式，分級運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煙燃燒。

地面火炬的分級運行是通過分級控制閥實現(xiàn)的。分級控制閥通常采用氣動的高性能蝶閥，這些蝶閥由分級控制系統(tǒng)控制，當火炬氣流量持續(xù)升高一定程度時，相應的分級控制閥會自動開啟，該級的燃燒器會投入使用，火炬氣得以燃燒。

不難看出，分級控制閥實現(xiàn)啟閉需要電子元器件的感知、控制系統(tǒng)的計算分析和動力氣源的驅動，其正常工作依賴電源和動力氣源的供應，所以不是“失效安全型”設計。為保證分級控制閥未能開啟時火炬系統(tǒng)仍然能夠安全地處理火炬氣，分級控制閥必須設置“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而導致火炬系統(tǒng)內壓力超過設定值時自動開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，爆破針型閥具有動作精度高、復位安全簡單迅速、無需定期更換、可靠性可在線檢查、長期使用成本低等優(yōu)勢。因此，爆破針型閥受到越來越多用戶的青睞，近年來多數(shù)新建地面火炬均采用爆破針型閥作為旁路。

3 氣動爆破針型閥及其潛在問題

國內某液化天然氣（LNG）項目設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。

經調研，市場上主要存在直線開啟和旋轉開啟兩大類爆破針型閥。直線式爆破針型閥應用于地面火炬項目有著明顯的局限性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：其一，較大口徑的直線式爆破針型閥在閥門開啟時，閥瓣對于閥蓋的沖擊力很高，國外某些項目中曾出現(xiàn)閥瓣沖破閥蓋的問題；其二，自閥門開啟至復位完成，在閥瓣的重力作用下，閥桿始終處于懸臂梁狀態(tài)，且在閥門完成復位之前，也就是閥瓣進入閥座之前，整個閥桿系統(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)閥座對于閥瓣密封環(huán)的咬傷的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)復位困難的問題；其三，直線式爆破針型作為旁路使用時閥桿、閥瓣等部件的受力狀態(tài)決定了其低壓時精度很難保證。因此該項目決定采用旋轉開啟的爆破針型閥。

在爆破針型閥的選型過程中，遇到了一類由儀表空氣作為動力源驅動的旋轉開啟爆破針型閥。這類爆破針型閥主要由氣動蝶閥與爆破針先導閥等部件組成，如圖1所示。爆破針先導閥是一個兩位多通道換向閥，其可以控制儀表風通過不同的流道進出氣動執(zhí)行機構。壓力連通管線將先導閥與蝶閥的上游相連接，使先導閥承受來自開關閥上游的壓力，并經閥桿將載荷傳遞至爆破針。

正常工況下，管線內壓力P小于設定壓力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，管線內壓力P達到設定壓力Pcr，其施加在爆破針上的軸向壓縮載荷F將達到爆破針的失穩(wěn)臨界載荷Fcr，導致爆破針發(fā)生失穩(wěn)進而喪失承載能力，管線內介質壓力將推動先導閥活塞而改變其儀表風通道，激發(fā)執(zhí)行機構動作，開啟閥門。

這類爆破針型閥與普通的氣動蝶閥的根本區(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，其動作不僅由爆破針的失穩(wěn)決定，更由儀表空氣這一動力源決定。也就是說，該類爆破針型閥不是一個自我封閉的系統(tǒng)，其泄壓功能不能夠自我獨立完成，相當于為氣動蝶閥設置了可靠性差不多的旁路，這與常見的泄壓裝置（例如彈簧式安全閥、爆破片等）存在本質區(qū)別。在接觸到該類爆破針型閥之后，項目相關人員對于該類爆破針型閥可否作為分級閥旁路使用產生了疑問。

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，為避免作出錯誤的選擇而影響全廠安全，項目相關人員向國內相關專家進行了咨詢，這其中包括“SH 3009-石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設計規(guī)范”的標準主編單位（中國石化工程建設公司）和標準日常管理單位（中國石化洛陽石化工程公司）的專家，這些專家均不認可帶氣動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標準時的基本出發(fā)點，也是API 537等國際標準的要求。而帶儀表風的爆破針型閥依賴于外界動力源，其功能不能完全由其自身完成，外界動力源失效時，這一類爆破針型閥就不能起到保護作用，也就是說，這一類爆破針型閥不是“失效安全型”。

第二，氣動閥供氣出現(xiàn)故障而導致閥門不能如期動作是石化廠常見的問題。供氣出現(xiàn)故障既可能是由于壓縮機故障和氣源總管泄漏等系統(tǒng)性原因而導致，也可能由于某些分支管路老化泄漏、異物堵塞、結冰堵塞、過濾器堵塞等多方面的局部因素造成。為每一個閥門配備一個空氣儲罐可以部分地解決系統(tǒng)性供氣故障的問題，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罐，也不能保證儲罐內一定儲存了合格壓力的儀表空氣，同時儲罐的壓力狀態(tài)很難實時準確監(jiān)控，更談不上實時干預。因此，配備空氣儲罐，只能將儀表風的可靠性提高一些，并不能改變氣動爆破針型閥不是“失效安全型”這一事實。

第三，氣動爆破針型閥的開啟速度很難做到比分級閥更高，也就是說，即便爆破針已經失穩(wěn)彎曲，閥體本身也還需要數(shù)秒時間才能開啟，不利于系統(tǒng)的緊急泄壓而帶來安全隱患，而且還可能造成各級的爆破針型閥均陸續(xù)開啟，帶來無謂的復位及更換爆破針的成本。

基于專家的上述意見，項目人員決定不將氣動爆破針型閥作為分級閥旁路的可接受方案。

4 結論

火炬系統(tǒng)是石化廠的最后一道安全防線，在其設計過程中必須將可能發(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，應選用“失效安全型”產品。氣動爆破針型閥不是“失效安全型”產品，違反了API 537和SH 3009標準的基本要求，不能用作分級閥旁路使用。

參考文獻：

[1]曾波.封閉式地面火炬在LNG接收站的應用[J].廣州化工，2015（13）：158-160.

[2]SH 3009.石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設計規(guī)范[S].中華人民共和國工業(yè)和信息化部，2013.