防火型緊急切斷閥在油氣地面工程設(shè)計(jì)中的選型與應(yīng)用

靳廣偉

（中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司）

石油天然氣企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)為高溫、 高壓、易燃、易爆甚至有毒。 當(dāng)發(fā)生火災(zāi)或突發(fā)情況，可能會(huì)造成無(wú)法挽回的人員傷害和經(jīng)濟(jì)損失。 緊急切斷閥（Emergency Shutdown Valve，ESDV）是一種快速切斷閥，是保障生產(chǎn)安全的關(guān)鍵設(shè)備。 當(dāng)過(guò)程控制失效，裝置出現(xiàn)緊急狀況（如管道泄漏、現(xiàn)場(chǎng)火情、地震及其他不抗情況）時(shí)，為保證裝置和生產(chǎn)安全，ESDV會(huì)切斷流體通路、隔離工藝介質(zhì)，保證裝置安全停產(chǎn)。 ESDV不僅在本質(zhì)安全性方面有嚴(yán)格要求，對(duì)防火安全也需遵照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

1 緊急切斷閥的組成和類(lèi)型

緊急切斷閥由閥體、執(zhí)行器、電磁閥、過(guò)濾減壓器及其他附件組成。

石油化工行業(yè)常用ESDV的閥體有蝶閥、閘閥和球閥。 切斷蝶閥一般采用三偏心蝶閥，關(guān)斷密封性較好、造價(jià)低，但閥瓣影響流通能力；閘閥雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)阻力小，但安裝空間大、密封易磨損、動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)；球閥密封性好、關(guān)斷性好，最為常用。 球閥根據(jù)球體的工作方式，可分為浮動(dòng)球閥和固定球閥。 固定式球閥不需要介質(zhì)的壓力就能實(shí)現(xiàn)雙向可靠密封，應(yīng)用較為廣泛。

閥門(mén)執(zhí)行器有電動(dòng)、 液動(dòng)、 氣動(dòng)3種常用類(lèi)型，其中氣動(dòng)執(zhí)行器由工廠(chǎng)風(fēng)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠穩(wěn)定、易操作維護(hù)，并且安全性高，有很好的防火防爆性能，在石油天然氣相關(guān)行業(yè)優(yōu)先采用。 彈簧復(fù)位撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行器在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，執(zhí)行器過(guò)熱損壞能復(fù)位到安全位置，而且具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、 占用空間小及運(yùn)行平穩(wěn)度高等優(yōu)點(diǎn)，常用于大轉(zhuǎn)矩球閥、蝶閥和旋塞閥的控制。

本項(xiàng)目使用的緊急切斷閥類(lèi)型為氣動(dòng)彈簧復(fù)位撥叉式執(zhí)行器的固定式球閥。

2 閥門(mén)本體安全設(shè)計(jì)和要求

2.1 防靜電

API 6D規(guī)定軟密封球閥需要設(shè)計(jì)防靜電裝置， 對(duì)硬密封球閥沒(méi)有規(guī)定。 在GB/T 12237—2021中規(guī)定，如訂貨合同有規(guī)定，球閥應(yīng)設(shè)計(jì)成防靜電結(jié)構(gòu)。GB/T 12237—2021和API STD 608—2020都規(guī)定不大于DN50 mm的球閥，應(yīng)使閥體和閥桿之間能導(dǎo)電；對(duì)大于DN50 mm的球閥，則要保證球體、閥桿和閥體之間能導(dǎo)電，其結(jié)構(gòu)要滿(mǎn)足新的干燥閥門(mén)， 在試驗(yàn)電壓不超過(guò)12 V時(shí)，閥桿、閥體和球體的防靜電電路電阻小于10 Ω。

閥門(mén)防靜電技術(shù)主要針對(duì)軟密封球閥。 由于硬密封球閥相互摩擦的兩組材料均為金屬材料，不會(huì)產(chǎn)生靜電， 而軟密封閥門(mén)在開(kāi)關(guān)時(shí)PTFE或RPTFE材料的閥座和密封件與金屬材料的球體摩擦容易產(chǎn)生靜電積累，可能產(chǎn)生火花。 如果工藝介質(zhì)具有易燃易爆性質(zhì)， 靜電火花很可能引起燃燒或爆炸。 防靜電裝置即在球體與閥桿、閥桿與閥體之間設(shè)置由彈簧和不銹鋼球組成的導(dǎo)電彈簧組，以提供電氣連續(xù)性， 閥門(mén)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的靜電通過(guò)金屬管道傳導(dǎo)進(jìn)入接地網(wǎng)，起到消除靜電的作用。

2.2 防火安全

防火型球閥在各行業(yè)廣泛應(yīng)用，能大幅提高系統(tǒng)的安全性能， 對(duì)于可能發(fā)生火災(zāi)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，可有效防止內(nèi)部泄漏。

API RP 553—2012規(guī)定：“緊急切斷閥是在發(fā)生泄漏或火災(zāi)時(shí)用來(lái)隔離易燃或有毒物質(zhì)的一種手段”，“在防火區(qū)處理易燃液體的任何閥門(mén)都應(yīng)該是防火的”。 閥門(mén)在高溫火焰中保持正常工作，是防火型閥門(mén)的必要性能，也是衡量閥門(mén)安全性能的重要指標(biāo)。 若閥門(mén)有防火要求，必須進(jìn)行防火安全設(shè)計(jì)，對(duì)防火安全要求高的場(chǎng)合還要進(jìn)行防火安全認(rèn)證。

對(duì)防火安全型球閥，實(shí)現(xiàn)閥體防火主要靠特殊密封設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)， 無(wú)論是固定球閥還是浮動(dòng)球閥，閥座的耐火結(jié)構(gòu)原理一樣。 閥門(mén)防火一般針對(duì)軟密封球閥，此類(lèi)軟密封閥門(mén)有軟密封（主密封）和硬密封（候補(bǔ)密封）設(shè)計(jì)［1］（圖1），當(dāng)軟密封高溫熔化后，閥門(mén)球體會(huì)與軟密封后的硬密封形成候補(bǔ)密封，有效阻止工藝介質(zhì)大量外泄。

圖1 閥體防火設(shè)計(jì)

金屬密封球閥在火災(zāi)情況時(shí)，由于泄漏量很小，在大多防火標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有涉及，但其密封性也不理想。 高溫火焰下，直接暴露在火焰下的金屬部件比閥內(nèi)部件（閥桿和閥瓣）膨脹得快，會(huì)造成閥座一定量的泄漏。 在設(shè)計(jì)中應(yīng)增加特殊彈簧來(lái)補(bǔ)償熱膨脹差異， 保證閥門(mén)在非正常狀況的密封。 因此，在防火安全要求高的場(chǎng)合，閥門(mén)需要進(jìn)行防火安全測(cè)試認(rèn)證。

3 執(zhí)行器安全設(shè)計(jì)和要求

3.1 故障安全

執(zhí)行器故障安全是執(zhí)行器失去電信號(hào)或失去氣源供給后，閥門(mén)返回到預(yù)定安全位置。 不同應(yīng)用場(chǎng)合安全位置有故障開(kāi)（FO）和故障關(guān)（FC），無(wú)論是FC還是FO，都是從本質(zhì)安全設(shè)計(jì)，目的是最大限度地確保生產(chǎn)安全。 ESDV的故障安全位置為關(guān)閉狀態(tài)，即故障關(guān)。 對(duì)于單作用（彈簧復(fù)位式）撥叉式氣動(dòng)執(zhí)行器，失效安全操作由執(zhí)行器內(nèi)的彈簧復(fù)位完成，一旦外動(dòng)力切斷，由彈簧力作為驅(qū)動(dòng)力關(guān)閉閥門(mén)。 ESDV執(zhí)行器故障安全在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注， 在非正常和緊急情況下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)需及時(shí)復(fù)位到安全位置。

3.2 ESDV執(zhí)行器防火措施

不同項(xiàng)目不同應(yīng)用場(chǎng)合執(zhí)行器防火方案也不相同， 一般執(zhí)行器防火措施有安裝易熔塞、易熔材料氣源管線(xiàn)和FireChek設(shè)備， 以實(shí)現(xiàn)緊急切斷閥在火災(zāi)情況時(shí)及時(shí)復(fù)位到安全位置的要求。若項(xiàng)目合同規(guī)定或工藝控制安全有需求，閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要進(jìn)行被動(dòng)防火設(shè)計(jì)。 避免火災(zāi)損壞執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致閥門(mén)失控，確保執(zhí)行器有足夠的時(shí)間恢復(fù)到安全位置或按照工藝控制預(yù)定的聯(lián)鎖完成閥門(mén)動(dòng)作。

3.2.1 易熔塞和氣源管線(xiàn)的選用

易熔塞是易熔材料的金屬塞狀物（化學(xué)成分為鉍、鉛、錫和鎘），一般耐溫范圍57～260 ℃。要根據(jù)實(shí)際工況、環(huán)境溫度和火災(zāi)類(lèi)型來(lái)確定易熔塞溫度。 安裝在靠近執(zhí)行器氣缸側(cè)的氣源管線(xiàn)上?；馂?zāi)時(shí)，周?chē)鷾囟壬叩揭兹廴埸c(diǎn)，易熔塞熔化，氣缸失氣，氣缸內(nèi)彈簧推動(dòng)活塞閥門(mén)復(fù)位到關(guān)閉位置。

易熔氣源管線(xiàn)作用與易熔塞一樣，在靠近執(zhí)行器側(cè)的部分氣源管線(xiàn)選擇易熔材料管線(xiàn)。 火災(zāi)時(shí)，管線(xiàn)熔化，氣缸失氣，閥門(mén)自動(dòng)恢復(fù)到關(guān)閉位置。 若需要增大火情響應(yīng)范圍，可將易熔氣源管線(xiàn)纏繞在執(zhí)行器或閥體四周。

易熔氣源管線(xiàn)的選用，應(yīng)按項(xiàng)目需求選用不同熔點(diǎn)的材料，室外使用要考慮抗紫外線(xiàn)材料。

3.2.2 FireChek閥

FireChek閥是一種新型氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥火災(zāi)保護(hù)設(shè)備。 安裝在執(zhí)行器氣缸進(jìn)氣位置，不需要供電，由形狀記憶合金感溫產(chǎn)生相位感應(yīng)變化，迅速觸發(fā)FireChek 閥動(dòng)作，釋放氣缸內(nèi)的壓縮空氣關(guān)閉閥門(mén)，同時(shí)切斷氣源供給，防止工廠(chǎng)風(fēng)向火中輸送氧氣。 與傳統(tǒng)的易熔塞和易熔管相比，保護(hù)能力增強(qiáng)，安全性提高，并且可以使用熱風(fēng)槍周期性檢查FireChek閥是否正常。

3.2.3 被動(dòng)防火保護(hù)

閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)被動(dòng)防火種類(lèi)有柔性防火罩、剛性防火罩、防火涂層及防火殼等。

被動(dòng)防火保護(hù)要覆蓋執(zhí)行器本體、 控制盤(pán)、電磁閥、信號(hào)、供電線(xiàn)纜及過(guò)濾減壓器等器件。 與執(zhí)行器相連的電纜采用耐火電纜，不能使用抗火性能較差的尼龍管或銅管等作為氣源管線(xiàn)，以到達(dá)整體防火設(shè)計(jì)的要求。 按API RP 553的規(guī)定，“緊急切斷閥的氣源、關(guān)鍵電氣線(xiàn)路、就地控制盤(pán)和執(zhí)行器應(yīng)能承受1 093 ℃（2 000 ℉） 的石油火災(zāi)溫度，同時(shí)使所有內(nèi)部電氣控制和線(xiàn)路保持在93 ℃（200 ℉）以下，時(shí)間至少30 min。 ”被動(dòng)防火保護(hù)推薦進(jìn)行UL 1709認(rèn)證，主要測(cè)試隔熱效果。

柔性和剛性防火罩由防火罩廠(chǎng)家按照?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)整體外形尺寸量身定做。 柔性防火罩采用具有強(qiáng)隔熱性能的礦物纖維防火絕緣材料，外表面采用耐高溫硅膠防火材料，涂有耐腐蝕和對(duì)抗紫外線(xiàn)的保護(hù)層。 柔性防火罩設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)靈活緊湊，可快速拆裝、重復(fù)使用，并有利于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的維護(hù)保養(yǎng)。 剛性防火罩是由不銹鋼面板組成的箱體， 不銹鋼面板中填充礦物纖維防火絕緣材料。有些剛性防火罩外層會(huì)噴涂膨脹型環(huán)氧樹(shù)脂和硅酸鈣板。 二者共同的優(yōu)點(diǎn)是，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和防火罩可以在各自工廠(chǎng)同時(shí)加工制作，完成后發(fā)送到閥門(mén)工廠(chǎng)組裝。 若防火罩有損壞破損，易于更換維修。 剛性防火罩制造難度較高，重量大，價(jià)格比柔性防火罩貴很多。

防火涂層，采用專(zhuān)有配方的膨脹型環(huán)氧樹(shù)脂噴涂覆蓋執(zhí)行器外殼。 控制盤(pán)、電磁閥及過(guò)濾減壓器等設(shè)備安置在覆蓋有耐火涂料的箱體內(nèi)。 這種耐火材料在環(huán)境溫度急劇上升時(shí)，體積會(huì)急速膨脹，有效阻隔外部熱量。 防火涂層的制造程序較為繁瑣，執(zhí)行器制造完成后，運(yùn)送到防火涂層工廠(chǎng)， 噴涂前要去除執(zhí)行器外表面原有涂料，防火材料直接噴涂在執(zhí)行器各部分的外表面。 之后將完成噴涂的執(zhí)行器發(fā)送到閥門(mén)制造工廠(chǎng)，與閥體組裝測(cè)試。 優(yōu)點(diǎn)是涂層完全覆蓋在執(zhí)行器表面，結(jié)構(gòu)緊湊美觀(guān)，便于設(shè)備檢查維修。 缺點(diǎn)是價(jià)格較貴、供貨周期較長(zhǎng)、涂層受損后需返廠(chǎng)維修。

另外一種防火殼， 也可歸類(lèi)為剛性防火，是本項(xiàng)目采用的閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)被動(dòng)防火型式。

4 伊拉克某天然氣處理廠(chǎng)ESDV被動(dòng)防火應(yīng)用

API RP 553—2012中規(guī)定：“a）設(shè)計(jì)了配置易熔裝置的執(zhí)行器， 火災(zāi)條件下閥門(mén)能夠自動(dòng)關(guān)閉；b）設(shè)計(jì)了失效安全型的閥門(mén)和執(zhí)行器，即使執(zhí)行器失效情況下也能關(guān)閉。 ”適用于a和b的閥門(mén)，都屬于火災(zāi)安全型閥門(mén)，在火災(zāi)情況下ESDV能夠關(guān)閉。 因此，依據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)，火災(zāi)安全的緊急切斷閥執(zhí)行器配置易熔裝置即可，不需要被動(dòng)防火保護(hù)。

陸上石油天然氣行業(yè)發(fā)生火災(zāi)， 按燃燒方式，有池火、噴射火、火球和爆燃、固體火災(zāi)和突發(fā)火。不同類(lèi)型的火災(zāi)中，池火災(zāi)最為常見(jiàn)。生產(chǎn)中操作失誤、設(shè)備老化及自然災(zāi)害等都可能造成可燃液體泄漏形成池火災(zāi)。 按照火災(zāi)熱輻射通量傷害/破壞準(zhǔn)則，12.5 kW/m2熱輻射將會(huì)影響ESDV正常工作。此項(xiàng)目業(yè)主沒(méi)有推薦易熔塞或易熔管， 而是要求落在12.5 kW/m2池火防火分區(qū)范圍的ESDV均需被動(dòng)防火保護(hù)， 可以是防火涂層或同等方式的被動(dòng)防火保護(hù)， 需依照API 2218對(duì)ESDV執(zhí)行器進(jìn)行被動(dòng)防火保護(hù)措施，以確保ESDV執(zhí)行器在火災(zāi)損壞失能前完成預(yù)定的安全聯(lián)鎖動(dòng)作。

為了便于閥門(mén)和防火維護(hù)、縮短供貨周期，項(xiàng)目ESDV采用防火殼式被動(dòng)防火。依據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體尺寸完成防火殼3D建模， 采用約15 mm厚的膨脹型環(huán)氧樹(shù)脂鑄造， 中間用鋼網(wǎng)加固。控制盤(pán)、 電磁閥及過(guò)濾減壓器等設(shè)備安置在覆蓋有耐火涂料的箱式殼體中。 防火殼整體結(jié)構(gòu)緊湊，可重復(fù)拆卸，方便閥門(mén)維護(hù)，是一種膨脹型可拆卸外殼形式的PFP。 防火殼以預(yù)制件形式提供， 可在現(xiàn)場(chǎng)組裝到閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，縮短供貨周期。 缺點(diǎn)是價(jià)格較貴， 需要詳細(xì)準(zhǔn)確的整體外形圖。 閥門(mén)與防火罩整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 閥門(mén)與防火罩整體結(jié)構(gòu)

在防火殼設(shè)計(jì)中要充分考慮有足夠空間給閥位開(kāi)關(guān)、 電磁閥等設(shè)備連接防爆格蘭和電纜，方便防火罩內(nèi)部設(shè)備操作和維護(hù)；要有合適的可打開(kāi)的通道用于觀(guān)察閥位、 正常操作維護(hù)。 防火殼采用膨脹型環(huán)氧樹(shù)脂，要清楚最高耐受溫度（一般約90 ℃），避免環(huán)境溫度過(guò)高或受工藝介質(zhì)影響， 防火材料溫度持續(xù)高溫造成防火涂層膨脹；對(duì)于高溫應(yīng)用場(chǎng)合，需采用耐受溫度范圍寬的特殊防火材料。

UL1709認(rèn)證是將被動(dòng)防火保護(hù)閥門(mén)在實(shí)驗(yàn)室按照UL1709 方法進(jìn)行快速升溫耐火試驗(yàn)。 測(cè)試過(guò)程在PFP防火罩內(nèi)設(shè)置3個(gè)溫度傳感器，用于檢測(cè)PFP內(nèi)部溫升。

控制標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試溫度在10%范圍內(nèi)， 持續(xù)60 min測(cè)試。 測(cè)試開(kāi)始5 min后測(cè)試溫度達(dá)到1 093 ℃， 分別在6、13、20 min做閥門(mén)功能測(cè)試，之后每分鐘做一次閥門(mén)功能測(cè)試，直到滿(mǎn)60 min為止。 整個(gè)測(cè)試過(guò)程閥門(mén)功能正常。 測(cè)試驗(yàn)證了閥門(mén)在烴類(lèi)火災(zāi)中， 防火罩內(nèi)的執(zhí)行器和控制系統(tǒng)能夠保持至少30 min 正常工作。 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1的測(cè)試數(shù)據(jù)和圖3所示的時(shí)間溫度曲線(xiàn)。

圖3 時(shí)間溫度曲線(xiàn)

表1 被動(dòng)防火測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

ESDV作為保障安全生產(chǎn)的核心設(shè)備之一，對(duì)其性能和安全指標(biāo)要求高，尤其在有可能發(fā)生火災(zāi)的應(yīng)用場(chǎng)合需按項(xiàng)目合同要求和實(shí)際工藝需求把好技術(shù)關(guān)，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)選型與應(yīng)用。 同時(shí)，做好生產(chǎn)環(huán)節(jié)的技術(shù)管控，加強(qiáng)日?？刂婆c管理，采取科學(xué)、有效的石油化工防火技術(shù)措施，才能全面提高生產(chǎn)安全，發(fā)揮設(shè)備的最大性能和價(jià)值。