液化烴（球罐）根部防火閥國產(chǎn)化解決方案

高麗華

[摘 ? ?要]中石化石家莊煉化分公司新區(qū)建設(shè)期間，首次遇到國家對液化烴（球罐）根部閥做防火要求，當(dāng)時設(shè)計為進口閥門，費用高，采購周期長，不滿足采購需求，為降低采購費用，縮短采購周期，達到液化烴（球罐）根部防火閥設(shè)計要求，依據(jù)設(shè)計技術(shù)參數(shù)，針對大口徑閥門采用國產(chǎn)一體式電液執(zhí)行機構(gòu)及閥門，經(jīng)過自動復(fù)位設(shè)計，使執(zhí)行機構(gòu)具有故障安全性能，并且執(zhí)行機構(gòu)采用進口防火罩保護，閥門經(jīng)過整體防火設(shè)計達到了安全完整性等級要求。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，閥門可以自動快速切斷介質(zhì)，保證罐區(qū)安全。

[關(guān)鍵詞]罐根閥;球閥;防火罩;電液執(zhí)行機構(gòu)

[中圖分類號]TE65 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）08–0–02

[Abstract]During the construction of the new area of our company， we encountered the national fire protection requirements for the root valve of liquefied hydrocarbon （spherical tank） for the first time. At that time， it was designed as an imported valve. The cost was high and the procurement cycle was long. It did not meet the procurement requirements. In order to reduce procurement costs and shorten procurement Cycle， meet the design requirements of the fire damper at the root of liquefied hydrocarbon （spherical tank）. Based on the design technical parameters， this article adopts domestic integrated electro-hydraulic actuators and valves for large-diameter valves. After automatic reset design， the actuators have fail-safe performance， and The actuator adopts imported fire protection cover， and the valve meets the requirements of safety integrity level through the overall fire protection design. When a fire occurs， the valve can automatically and quickly cut off the medium to ensure the safety of the tank area.

[Keywords]tank root valve;ball valve;fire shield;electro-hydraulic actuator

球罐作為一種特殊的壓力容器，被廣泛用于存儲液化石油氣、液化天然氣、液態(tài)丙烯、液態(tài)丁烯、液氧、液氮等介質(zhì)。由于球罐儲存的介質(zhì)大多易燃、易爆、有毒。因此，儲罐區(qū)一直是石油化工企業(yè)防火防爆的重點。

本設(shè)計方案以電液聯(lián)動防火緊急切斷閥為主題，以進口防火罩為輔題，設(shè)計開發(fā)適應(yīng)易燃、易爆液體與氣體罐區(qū)有防火要求的球罐緊急切斷，提高防火措施，達到安全完整性等級（SIL）要求，保證罐區(qū)安全。

1 設(shè)計方案

1.1 方案依據(jù)

隨著《中國石油化工集團公司液化烴球罐區(qū)安全技術(shù)管理暫行規(guī)定》的出臺，對球罐根閥設(shè)計要求做了規(guī)定，要求其密封結(jié)構(gòu)應(yīng)采用耐火結(jié)構(gòu)并符合ANSI/API STD 6FA或607標(biāo)準(zhǔn);對快速切斷時間也做了相關(guān)規(guī)定，要求DN50≤5 s，DN65～350≤10 s[1];執(zhí)行元件包括電磁閥、切斷閥均應(yīng)滿足安全完整性等級SIL3要求。

同時，中國石化工建文件《液化烴球罐區(qū)注水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)定》和《液化烴球罐緊急切斷閥選型設(shè)計規(guī)定》中也指出，液化烴球罐緊急切斷閥應(yīng)符合ANSI/APISTD6FA或607標(biāo)準(zhǔn)，全行程關(guān)斷時間不應(yīng)超過1S/英寸閥門通徑;執(zhí)行機構(gòu)及其附件應(yīng)有防火措施，首選安裝防火保護罩，防火保護罩應(yīng)符合UL1709標(biāo)準(zhǔn)，能夠在1 093 ℃下，抵抗烴類火災(zāi)30min[2-3]。

為滿足標(biāo)準(zhǔn)要求、防火要求以及解決氣動執(zhí)行機構(gòu)體積大問題，本項目采用自帶液壓油站及控制系統(tǒng)的機電液一體化，智能型單作用執(zhí)行機構(gòu)，驅(qū)動防火球閥，電液動執(zhí)行機構(gòu)由防火罩包覆，組成完整的防火型控制球閥。這樣可以減小防火閥的整體面積和重量，同時降低成本，更有利于老罐區(qū)的改造。

1.2 防火球閥的設(shè)計

采用固定球雙浮動閥座結(jié)構(gòu)，閥門滿足API STD 6FA/607防火要求，閥桿設(shè)計為防飛出結(jié)構(gòu)，閥門帶防靜電裝置。閥門火燒后，閥座預(yù)緊彈簧能夠補償閥座密封圈燒掉后的間隙，使閥門具有一定的密封性，同時閥桿臺階處也能形成金屬對金屬的密封，確保閥門滿足API STD 6FA/607防火標(biāo)準(zhǔn)的要求。閥桿軸套處采用硬化處理，球體表面及閥座密封面均采用噴涂硬質(zhì)合金處理，保證耐磨性。雙閥座采用軸向浮動原理，使得閥門在火災(zāi)情況下亦能開關(guān)靈活。

1.3 執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計

由于罐區(qū)部分閥門口徑較大，若采用氣動單作用執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)存在體積大、重量重、價格高等缺點，同時增加了防火罩的面積，從而加大了球罐根部閥總投資。借鑒過去催化系統(tǒng)聯(lián)鎖氣動快速切斷閥組合經(jīng)驗，同時結(jié)合國外緊急切斷球閥防火先進技術(shù)，針對不同的問題及這幾年來執(zhí)行機構(gòu)技術(shù)發(fā)展情況研發(fā)出自帶液壓站的智能型機電液一體化單作用執(zhí)行機構(gòu)，以解決氣動執(zhí)行機構(gòu)體積大、重量重的缺點，同時減少了防火罩的面積，便于安裝，降低了球罐根部閥的成本，同時解決無氣源罐區(qū)重設(shè)空壓站的投資，有利于老罐區(qū)的改造。

傳統(tǒng)的電液動執(zhí)行機構(gòu)并不具備故障安全復(fù)位的功能。對于火災(zāi)時防火罩內(nèi)溫度超過80 ℃±5 ℃時閥門快速切斷和溫度低于80 ℃時只需機構(gòu)正常動作的研究。借鑒氣動執(zhí)行機構(gòu)，易容塞原理泄放氣壓彈簧復(fù)位的技術(shù)基礎(chǔ)上，研究采用防火液壓放泄閥及開發(fā)熱敏感元件，通過易熔元件受熱熔化而泄放油缸壓力提高泄壓的靈敏度，復(fù)位采用了RISE壓縮彈簧，達到快速復(fù)位的目的。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，由于防火罩的保護，使得罩內(nèi)溫度30min內(nèi)維持在80 ℃以下，確保執(zhí)行機構(gòu)可以正常動作，使得裝置可以采取倒灌注水等緊急措施，以減小火災(zāi)面積。

電液動執(zhí)行機構(gòu)由手操機構(gòu)、液壓集成系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、油箱及油缸五大部件合理組合，集傳統(tǒng)氣動執(zhí)行機構(gòu)、電動執(zhí)行機構(gòu)優(yōu)點于一身，具有輸出扭矩大、控制速度快、控制精度高、故障安全復(fù)位等功能。

具體設(shè)計思路如下。

（1）設(shè)計選用彈簧復(fù)位的單作用電液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)，閥門在液壓系統(tǒng)故障時的位置是故障關(guān)。

（2）執(zhí)行機構(gòu)選型時是按閥門承受的最大壓差進行選型計算。選型的開啟力矩和閥門開啟力矩參數(shù)計算如下：如DN300球閥，ΔP=2 MPa時，閥門開啟力矩為3 700 N·m。而電液執(zhí)行機構(gòu)在油缸輸入壓力P=12 MPa時，開啟力矩為9 000 N·m，彈簧復(fù)位關(guān)閉力矩為6 000 N·m。按最大開啟力矩的1.5倍計算執(zhí)行機構(gòu)需要的輸出力矩為5 550 N·m，選型已滿足設(shè)計要求。

（3）閥門的聯(lián)鎖位置和液壓系統(tǒng)故障位置是一致的，電液執(zhí)行機構(gòu)在全開時具有自鎖保位功能，可持續(xù)放置48 h，執(zhí)行機構(gòu)不會自然完全關(guān)閉。

（4）電液執(zhí)行機構(gòu)具有過載保護、電機過熱保護、限位保護及斷電、斷信號保護，并具故障記錄、設(shè)置閥門開度、設(shè)定參數(shù)和查詢等功能。電液執(zhí)行機構(gòu)配置就地手操機構(gòu)、就地/遠程控制等功能。

（5）電液執(zhí)行機構(gòu)的配置有非浸入式紅外線設(shè)定和組態(tài)功能的遙控器，并在就地LCD面板上配置，閥位顯示、油壓顯示和油溫顯示，且設(shè)有觀察診斷執(zhí)行機構(gòu)的運行參數(shù)及故障報警等功能。

2 球罐根部防火緊急切斷閥執(zhí)行機構(gòu)控制原理

2.1 單作用電液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)緊急切換原理

當(dāng)外界發(fā)生火災(zāi)，環(huán)境溫度超過80 ℃時，液壓系統(tǒng)中的防火液壓放泄閥動作，并將油缸的壓力泄放，此時在彈簧力的作用下使執(zhí)行機構(gòu)快速動作，實現(xiàn)控制閥門的快速關(guān)閉或開啟，時間3～10 s。

2.2 雙作用電液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)緊急切換原理

當(dāng)外界發(fā)生火災(zāi)時，環(huán)境溫度超過80 ℃時，液壓系統(tǒng)中兩只防火液壓放泄閥同時打開，并將蓄能器壓力輸入B端油缸，此時A端油缸壓力泄放，實現(xiàn)控制閥快速關(guān)閉或開啟，時間2～10 s。

2.3 防火液壓放泄閥結(jié)構(gòu)及原理

在自動滅火用玻璃球與導(dǎo)桿限位由彈簧力的作用下，將閥芯推到閥座密封面上達到密封，此時是關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)環(huán)境溫度超過玻璃球控制溫度時，玻璃球破碎，在液壓系統(tǒng)壓力作用下將閥芯向上推脫離閥座，油液達到快速泄放的目的。

3 防火罩的選擇

（1）防火罩的耐火性是最主要的，要求其結(jié)構(gòu)和材質(zhì)符合UL1709標(biāo)準(zhǔn)，能夠在1 093 ℃下，抵抗烴類火災(zāi)30 min。

（2）針對工況要求，采用被動防火系統(tǒng)，防火罩外殼采用ANSI304不銹鋼板包覆陶瓷做為外殼，不銹鋼板厚度為0.8～1.2 mm，內(nèi)部陶瓷隔熱層厚度為50 mm，在一段時間內(nèi)有效抵抗火燒，同時，有效隔熱，使罩內(nèi)溫度在一段時間內(nèi)控制在80 ℃以內(nèi)。

（3）外殼面板之間設(shè)有膨脹密封條，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，膨脹密封條受熱膨脹，使整個防火罩完全密封，杜絕火焰侵入，有效保護內(nèi)部執(zhí)行機構(gòu)及其附件。

（4）在防火罩面板上還設(shè)有通風(fēng)隔柵，以保證內(nèi)部執(zhí)行機構(gòu)的散熱，當(dāng)火災(zāi)時，通風(fēng)隔柵內(nèi)部的密封條膨脹，實現(xiàn)密封。同時，在防火面板上設(shè)有安全檢測門，可通過安全檢測門對內(nèi)部執(zhí)行機構(gòu)或控制附件進行檢查、維護或手動操作。

（5）防火罩與閥門連接處的密封是關(guān)鍵，由于閥桿是活動件，既要保證閥桿轉(zhuǎn)動不受密封件影響，又能確保此處的密封。為此，在支架位置設(shè)置左右對稱兩片柔性防火保護層，防火保護層由礦物纖維制成，外表覆蓋一層特殊的工藝面料，通用能夠抵抗烴類火災(zāi)火焰產(chǎn)生的高溫。

4 氣動執(zhí)行機構(gòu)與電液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)的優(yōu)劣

4.1 氣動執(zhí)行機構(gòu)

氣動執(zhí)行機構(gòu)穩(wěn)定性差：其原因動力源是氣網(wǎng)，控制壓力變化較大。特別是單作用執(zhí)行機構(gòu)采用彈簧復(fù)位反作用力很大，氣源壓力下降到受控壓力時，會引起閥門關(guān)閉現(xiàn)象，難以保證設(shè)計規(guī)定條款。

動作速度慢：因氣源壓力低只有0.5 MPa，相對說氣缸有效面積和行程要增大，那氣缸容積同上增大引起進氣和排氣困難，降低運行速度。如Φ600 mm氣缸的推力按0.5 MPa推力只有141 300 N。

4.2 電液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)

自備動力源，無外界影響，動作穩(wěn)定可靠。液壓系統(tǒng)帶有液壓鎖，閥全開時自動將壓力閉鎖油缸內(nèi)，如壓力下降時泵自動開啟，能保證設(shè)計規(guī)定條款。

智能化程度高：具有各種保護功能，安全可靠，并帶有記憶功能，可以查詢運行情況。

特別是防火保護，采用本質(zhì)安全型結(jié)構(gòu)。它具有體積小、重量輕、動作靈敏、速度快、節(jié)能等優(yōu)點。

5 結(jié)束語

本項目目的在于設(shè)計出一種適應(yīng)易燃易爆液體與氣體罐區(qū)有防火要求的球罐底部緊急切斷，以提高防火措施，達到安全完整性等級（SIL）要求，保證罐區(qū)安全。借鑒國外先進方法，采用智能型電液動單作用執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動防火球閥，實現(xiàn)了快速切斷及閥門防火的目的，執(zhí)行機構(gòu)采用滿足UL1709標(biāo)準(zhǔn)要求的剛性防火保護罩保護，實現(xiàn)在火災(zāi)情況下30min內(nèi)有效保護執(zhí)行機構(gòu)的目的，從而保證火災(zāi)發(fā)生后一段時間內(nèi)控制室能繼續(xù)正常控制閥門，將儲罐內(nèi)介質(zhì)輸送及消防水引入儲罐，以減少火災(zāi)面積、防止事故擴大的目的。當(dāng)閥門故障無法操作時，防火罩內(nèi)溫度升至80 ℃以上時，又可以利用快速泄放閥功能使其自動復(fù)位達到切斷的目的。

產(chǎn)品自投入開車以來，運行穩(wěn)定，動作可靠，未出現(xiàn)任何異常情況。該產(chǎn)品不僅用于球罐根部緊急切斷，也可適用于易燃易爆場合，具有很好的推廣前景，同時具有良好的社會和經(jīng)濟效益。

參考文獻

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