氣動(dòng)爆破針閥應(yīng)用于地面火炬中的問題和安全隱患

李強(qiáng)

摘 要：作為旁路使用的爆破針閥是地面火炬系統(tǒng)及其上游裝置的最后安全保障。其可靠性影響的不僅是局部的安全，更會(huì)影響全廠所有產(chǎn)生火炬氣的裝置的安全。氣動(dòng)爆破針閥的動(dòng)作依賴于外界公用工程條件，其功能能否完成取決于外界條件，不是“失效安全型”，不滿足API 537和SH 3009標(biāo)準(zhǔn)的基本要求。此外，實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于氣動(dòng)爆破針閥多處使用了O形環(huán)和潤滑脂，O形環(huán)與金屬件的“粘連”以及潤滑脂的燥化，都會(huì)造成實(shí)際爆破壓力的上升，這是采用爆破針型換向閥的必然結(jié)果。因此，不應(yīng)選擇氣動(dòng)爆破針閥作為分級(jí)閥旁路使用。

關(guān)鍵詞：地面火炬;氣動(dòng)爆破針閥;安全隱患

1 引言

國內(nèi)某乙烯工程設(shè)置了全廠低壓火炬，用于處理該工程LLDPE裝置、JPP裝置、丁二烯裝置、乙烯裝置、汽油加氫裝置、芳烴抽提裝置、C5裝置和低溫罐區(qū)等各種工況下排放的低壓火炬氣。該火炬設(shè)施采用地面火炬形式，設(shè)計(jì)處理能力為（13+34+11）t/h，即用于處理低熱值低壓火炬氣13t/h、高熱值低壓火炬氣34t/h和低溫低壓火炬氣11t/h。

來自丁二烯/乙烯裝置與LLDPE裝置低熱值低壓火炬氣分別通過一支單獨(dú)管線插入臥式水封罐，當(dāng)排氣壓力超過水封壓力時(shí)，排放氣沖破水封，由出口排出通過兩個(gè)分級(jí)控制閥組進(jìn)入地面火炬中低熱值低壓專用特殊燃燒器處理?？紤]排放氣熱值較低，在分級(jí)管線上設(shè)置有壓力變送器和燃料氣補(bǔ)充管線。燃料氣管線上設(shè)置有氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，DCS遠(yuǎn)程控制伴燒燃料氣補(bǔ)充量。為達(dá)到100%無煙燃燒效果，設(shè)置一路中壓消煙蒸汽管線，管線上設(shè)置氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過DCS遠(yuǎn)程控制。

來自丁二烯裝置、JPP/HDPE裝置分別通過一支單獨(dú)管線插入臥式水封罐，當(dāng)排氣壓力超過水封壓力時(shí)，排放氣沖破水封，由出口排出通過四個(gè)分級(jí)控制閥組進(jìn)入地面火炬中的三參數(shù)蒸汽消煙型燃燒器處理。為達(dá)到100%無煙燃燒效果，每級(jí)均設(shè)置中壓消煙蒸汽管線。

來自低溫罐區(qū)的火炬氣通過單獨(dú)管線進(jìn)入全廠低壓地面火炬中低溫低壓專用特殊燃燒器處理。管線上設(shè)置有流量變送器、并聯(lián)阻火器及差壓變送器。為達(dá)到100%無煙燃燒效果，特殊燃燒器設(shè)置一路中壓消煙蒸汽。

火炬系統(tǒng)是乙烯工程的重要安全和環(huán)保設(shè)施，其可靠性影響的不僅是局部，更是全廠的安全，是石化廠的最后一道安全防線。在火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，必須保證去往火炬的放空管道在任何情況下均能夠保持暢通，因此，按照API 537等標(biāo)準(zhǔn)的要求，分級(jí)控制閥應(yīng)設(shè)置“失效安全型”的非重閉式泄壓裝置（爆破片或者爆破針閥）作為旁路，旁路的動(dòng)作必須不依賴其他外界條件，在分級(jí)控制閥不能完成泄放任務(wù)時(shí)自動(dòng)開啟以將火炬氣泄放至火炬頭燃燒，以保證火炬系統(tǒng)自身及其上游裝置的安全性[1]。

與爆破片相比較，設(shè)計(jì)良好的爆破針閥具有動(dòng)作精度高、復(fù)位安全簡單迅速、無需定期更換、泄放時(shí)不會(huì)產(chǎn)生碎片、長期使用成本低等優(yōu)勢。在該項(xiàng)目前期技術(shù)交流過程中，各國際知名火炬公司均推薦使用爆破針閥作為旁路使用。

爆破針閥目前在國內(nèi)地面火炬項(xiàng)目已得到廣泛應(yīng)用，但在該項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，爆破針閥還是一種較新的泄壓裝置，在采購階段未能提出關(guān)于爆破針閥的關(guān)鍵技術(shù)要求。最終，火炬總包方供應(yīng)了5臺(tái)氣動(dòng)爆破針閥。本文將對氣動(dòng)爆破針閥的原理進(jìn)行介紹，并對這些閥門在調(diào)試和使用過程中暴露出來的問題和安全隱患進(jìn)行總結(jié)，供后續(xù)項(xiàng)目借鑒。

2 氣動(dòng)爆破針閥原理

如圖1所示，氣動(dòng)爆破針閥主要由雙作用執(zhí)行器、蝶閥和爆破針型兩位五通換向閥組成，其與普通氣動(dòng)蝶閥的主要區(qū)別在于兩位五通換向閥的工作原理。普通氣動(dòng)蝶閥使用的兩位五通換向閥由電磁控制，當(dāng)電磁線圈通電或斷電時(shí)，該換向閥內(nèi)部通道發(fā)生改變，達(dá)到控制氣源按所需通道進(jìn)出雙作用執(zhí)行器的目的。

而氣動(dòng)爆破針閥使用的兩位五通換向閥由爆破針控制，如圖2所示。當(dāng)介質(zhì)壓力達(dá)到設(shè)定壓力水平時(shí)，爆破針會(huì)失穩(wěn)彎曲，換向閥內(nèi)部通道發(fā)生改變，使氣源按所需通道進(jìn)出雙作用執(zhí)行器，進(jìn)而開啟蝶閥。

3 由于依賴儀表風(fēng)而帶來的安全隱患分析

爆破針閥作為地面火炬分級(jí)控制閥旁路，API 537及SH 3009標(biāo)準(zhǔn)對其基本要求是“失效安全型”[1-2]。爆破針閥是否動(dòng)作，應(yīng)該僅由地面火炬分級(jí)控制閥組處的壓力決定，在正常工況下，分級(jí)控制閥組處的壓力小于設(shè)定值，爆破針保持直線穩(wěn)定，爆破針閥處于關(guān)閉狀態(tài);在非正常工況下，分級(jí)控制閥組處的壓力超過設(shè)定值，爆破針失穩(wěn)彎曲，爆破針閥開啟泄壓。同時(shí)，爆破針閥是否動(dòng)作，應(yīng)該僅由爆破針是否發(fā)生失穩(wěn)決定，而不應(yīng)依賴于任何外部公用工程條件。更為重要的是，爆破針閥的動(dòng)作，絕對不能與分級(jí)控制閥依賴于相同的公用工程條件，否則，分級(jí)控制閥和爆破針閥就會(huì)同時(shí)出現(xiàn)故障，而將地面火炬系統(tǒng)和上游裝置置于危險(xiǎn)境地，很有可能導(dǎo)致安全事故。

對于氣動(dòng)爆破針閥而言，其動(dòng)作不僅由分級(jí)控制閥組處的壓力是否已經(jīng)將爆破針壓至失穩(wěn)彎曲決定，也由儀表風(fēng)這一公用工程條件決定。若儀表風(fēng)出現(xiàn)故障，即使爆破針已經(jīng)失穩(wěn)彎曲，爆破針閥也無法開啟，這樣的泄壓裝置顯然不是“失效安全型”。儀表風(fēng)發(fā)生故障雖然屬于特殊情況，但是并非不可能發(fā)生，必須引起足夠的重視。

經(jīng)與火炬總包方和氣動(dòng)爆破針閥廠家溝通，廠家建議在爆破針閥附近增加一個(gè)空氣儲(chǔ)罐，在儲(chǔ)罐入口設(shè)置一個(gè)單向閥。在正常工作狀態(tài)下，儲(chǔ)氣罐始終處于充氣狀態(tài)，當(dāng)氣源壓力快速降低或者消失時(shí)，單向閥自動(dòng)關(guān)閉，改由儲(chǔ)罐繼續(xù)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)供氣。此外，儲(chǔ)罐應(yīng)配置現(xiàn)場壓力表、壓力變送器（用以遠(yuǎn)傳壓力信號(hào)以監(jiān)控儲(chǔ)罐狀態(tài)）、排污閥、安全閥和吹掃用閥門等附件。

項(xiàng)目及運(yùn)行人員認(rèn)為，增加空氣儲(chǔ)罐，只不過是沒有其他更優(yōu)選擇情況下的無奈選擇，儀表風(fēng)的可靠性能夠得到一定程度的提高，但不能改變氣動(dòng)爆破針閥不是“失效安全型”這一本質(zhì)。氣動(dòng)爆破針閥還可能由于諸多因素失效，進(jìn)而無法有效保護(hù)地面火炬及其上游設(shè)備，帶來安全隱患，相關(guān)因素匯總?cè)缦卤硭尽?/p>

表格所述的危險(xiǎn)因素，若在巡檢過程未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，表格所述的問題將變?yōu)殡[性故障，導(dǎo)致氣動(dòng)爆破針閥無法按照設(shè)計(jì)要求在超壓時(shí)開啟，進(jìn)而無法泄壓，將意味著無法有效保護(hù)地面火炬系統(tǒng)及上游裝置，嚴(yán)重的話將導(dǎo)致安全事故。因此，項(xiàng)目運(yùn)行人員提高了對于氣動(dòng)爆破針閥的巡檢頻率，項(xiàng)目投產(chǎn)至今，平均每年能夠發(fā)現(xiàn)并處理氣動(dòng)爆破針閥隱患十余處。

4 現(xiàn)場調(diào)試及后續(xù)運(yùn)行測試中發(fā)現(xiàn)的爆破壓力升高問題

在低壓地面火炬調(diào)試階段，業(yè)主與火炬總包方及氣動(dòng)爆破針閥廠家共同對氣動(dòng)爆破針閥進(jìn)行逐個(gè)測試。根據(jù)氣動(dòng)爆破針閥廠家承諾的精度，實(shí)際爆破壓力相對于設(shè)定壓力允許的偏差為±9%。根據(jù)現(xiàn)場讀取的爆破壓力，所有5臺(tái)閥門均在大大高于設(shè)定壓力9%后方能爆破，其中3臺(tái)閥門高于設(shè)定壓力110%后爆破，另外兩臺(tái)閥們高于設(shè)定壓力150%后爆破。

爆破針閥可以視作整個(gè)乙烯工程低壓火炬氣系統(tǒng)的最后一道安全保護(hù)設(shè)施，在特殊工況下，若爆（下轉(zhuǎn)第163頁）（上接第160頁）破針閥不能如其動(dòng)作而導(dǎo)致火炬氣背壓持續(xù)升高，會(huì)導(dǎo)致其上游裝置（包括儲(chǔ)罐、容器、壓縮機(jī)等）無法及時(shí)泄壓而引發(fā)危險(xiǎn)。氣動(dòng)爆破針閥廠家就爆破壓力上升分析原因如下，并相應(yīng)地提供了解決方案。

在氣動(dòng)爆破針閥出廠前，廠家對所有的密封件（這其中包括換向閥閥芯與閥體之間的6個(gè)O形環(huán)，活塞與缸體之間的1個(gè)O形環(huán)），均涂抹了含PTFE的多用途潤滑脂Slick 50。從閥門出廠到現(xiàn)場測試，已有近半年時(shí)間，潤滑脂不可避免地會(huì)發(fā)生燥化，并且密封件的分子會(huì)由于微布朗運(yùn)動(dòng)（分子熱運(yùn)動(dòng)）遷移到對偶件的表面，在一定程度上形成“粘連”現(xiàn)象，因此，實(shí)際爆破壓力大幅度上升是可以預(yù)見的。

廠家建議，將爆破針型換向閥拆開，取下相關(guān)密封件，使用合適的清洗劑對密封件及相關(guān)部件進(jìn)行徹底清潔，并充分涂敷潤滑脂Slick 50。按上述程序操作后，對5臺(tái)氣動(dòng)爆破針閥進(jìn)行逐個(gè)測試，其中4臺(tái)閥門在設(shè)定壓力±9%的偏差內(nèi)爆破，另有1臺(tái)閥門在高于設(shè)定壓力17%后爆破。

在地面火炬投產(chǎn)后約3個(gè)月后，為了掌握氣動(dòng)爆破針閥的實(shí)際爆破壓力，運(yùn)行人員再次對5臺(tái)氣動(dòng)爆破針閥進(jìn)行測試，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中2臺(tái)閥門高于設(shè)定壓力80%后爆破，2臺(tái)閥門高于設(shè)定壓力100%后爆破，另有1臺(tái)閥門在高于設(shè)定壓力130%后爆破。

項(xiàng)目運(yùn)行人員再次聯(lián)系火炬總包方和氣動(dòng)爆破針閥廠家。廠家認(rèn)為，爆破壓力上升仍然主要是由潤滑脂的燥化和非金屬密封環(huán)與金屬件的“粘連”造成的。這是采用此種結(jié)構(gòu)爆破針型換向閥的必然結(jié)果，是由自然規(guī)律決定的。由于本項(xiàng)目設(shè)定壓力較低（多數(shù)閥門設(shè)定壓力低于25kPag），因此，爆破壓力上升比例更為明顯。廠家建議定期活動(dòng)爆破針型換向閥的閥芯，若有條件，應(yīng)定期清洗密封環(huán)及相關(guān)部件，涂敷新的潤滑脂。

從上述測試結(jié)果及廠家解釋不難看出，由于爆破針型兩位五通換向閥中多處采用了O形環(huán)密封，并且為了降低密封環(huán)與相關(guān)部件之間的摩擦力及其變動(dòng)水平而使用了潤滑脂，潤滑脂的燥化效應(yīng)和密封環(huán)金屬件之間的“粘連”會(huì)造成實(shí)際爆破壓力隨著時(shí)間的推移而持續(xù)上升。這會(huì)導(dǎo)致爆破針閥不能按照設(shè)計(jì)爆破，不能有效保護(hù)地面火炬及其上游裝置，對整個(gè)乙烯工程而言是一個(gè)安全隱患，并且大大增加了現(xiàn)場工作人員的工作量。

5 結(jié)論

眾所周知，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閥則是地面火炬系統(tǒng)及其上游裝置的最后安全保障。其可靠性影響的不僅是局部的安全，更會(huì)影響全廠所有產(chǎn)生火炬氣的裝置的安全。隨著石化企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，工藝流程也日趨復(fù)雜，事故發(fā)生的幾率和危害程度也不斷增加，所有影響安全的環(huán)節(jié)都應(yīng)做到本質(zhì)安全，而不應(yīng)存僥幸心理。

由于氣動(dòng)爆破針閥依賴于外界公用工程條件，其功能能否完成取決于外界條件，外界氣源失效時(shí)，這一類爆破針閥完全失效，這一類爆破針閥不是“失效安全型”，不滿足API 537和SH 3009標(biāo)準(zhǔn)的基本要求。更為重要的是，氣動(dòng)爆破針閥和分級(jí)控制閥均依賴相同的公用工程條件，極有可能出現(xiàn)分級(jí)控制閥和爆破針閥同時(shí)出現(xiàn)故障的狀況，那時(shí)地面火炬系統(tǒng)和上游裝置將處于危險(xiǎn)境地，很有可能導(dǎo)致安全事故。因此，在今后的項(xiàng)目中不應(yīng)選擇氣動(dòng)爆破針閥作為分級(jí)閥旁路使用。

此外，實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于氣動(dòng)爆破針閥多處使用了O形環(huán)和潤滑脂，O形環(huán)與金屬件的“粘連”以及潤滑脂的燥化，都會(huì)造成實(shí)際爆破壓力的上升，這是采用此種結(jié)構(gòu)爆破針型換向閥的必然結(jié)果。因此，廠家建議定期活動(dòng)爆破針型換向閥的閥芯，并應(yīng)定期清洗密封環(huán)及相關(guān)部件，涂敷新的潤滑脂。這是無奈之舉，無法徹底解決安全隱患，并且大大增加了現(xiàn)場工作人員的工作量。

對于已經(jīng)使用氣動(dòng)爆破針閥的項(xiàng)目，應(yīng)在條件具備時(shí)使用純機(jī)械式爆破針閥更換氣動(dòng)爆破針閥。在更換前，應(yīng)加大巡檢力度，及早發(fā)現(xiàn)并解決安全隱患。

參考文獻(xiàn)：

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[2] SH3009-2013.石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中華人民共和國工業(yè)和信息化部，2013.

[3]于維國，陳雅茹.儀表風(fēng)管線凍凝事故分析及解決對策[J].化工機(jī)械，2012，39（4）：515-517.