火災緊急隔離閥門的設計探討

2013-08-31 李勝利中國石油天然氣華東勘察設計研究院

　　結合國外設計規范和工程公司的規定及一般做法，重點介紹了石油化工行業火災隔離閥的設置原則，詳細闡述了隔離閥門的類型、防火結構等設計要求，同時從工程設計角度闡述了急停按鈕、復位按鈕的設置和相關信號電纜敷設的設計。火災隔離系統的設計是綜合性的設計，目前國內還沒有專門的設計規范做依據，筆者提出探討性的建議供同行磋商。

　　石化行業的生產原料和產品大多具有易燃、易爆、有毒、有害和腐蝕性，生產工藝操作復雜、連續性強，具有生產危險性大、發生火災爆炸幾率高等特點。一旦發生火災、泄漏等事故，應立即切斷泄漏源，將火災危險源與設備隔離開，設置緊急隔離閥是減輕火災損失的重要手段。可根據用戶的安全要求確定，目前還沒有具體、明確的設計規范可遵循。結合以往發生的火災案例，筆者探討火災緊急隔離閥的設置原則和工程設計應注意的事項。

1、典型案例和教訓

　　2007-02-16Valero能源公司美國德州Mckee煉油廠丙烷脫瀝青裝置(PDA)的一條丙烷管線因維護管理缺失發生破裂泄漏，引發火災并造成一連串火災爆炸事故，該廠停止運轉2個月，PDA裝置停工維修約一年，直接損失超過5000萬美元。U.S.CSB《事故調查發現(8)》中提到事故發生的6條基本原因中，第2條是該廠沒有遵循Valero公司的指令“EmergencyIsolationValveprocedure”，指令要求對于工廠可能發生大量易燃物質釋放事故時，應設置緊急隔離閥(EIV)，以快速隔離處理。第3條是該廠1996年PHA過程危害分析報告中，曾提及PDA工廠應裝設遙控操作切斷閥ROSOV(RemotelyOperableShutoffValves)，但卻未追蹤改善，以致此次發生大量泄漏時，無法即時關斷、阻截，造成嚴重的災害損失。

　　2010-01-07T17-24，位于甘肅省蘭州市的中國石油蘭州石化分公司316號罐區發生一起爆炸火災事故，造成6人死亡、6人受傷。此次事故原因：裂解C4球罐(R202)內物料從出口管線彎頭處發生泄漏并迅速擴大，泄漏的裂解C4達到爆炸極限，遇點火源后發生空間爆炸，進而引起周邊儲罐泄漏、著火和爆炸。在國家安全監管總局關于中國石油天然氣股份有限公司蘭州石化分公司“1•7”爆炸火災事故的通報(安監總管三[2010]8號)中，明確要求：“使安全設施滿足現行安全標準、規范的要求，特別是液態烴、液氯、液氨及劇毒化學品等重點儲罐，應按照或參照參考文獻[2]的要求設置緊急切斷閥、裝備安全聯鎖裝置”。

　　以上僅列出兩起近年發生嚴重火災事故的一些結論，均明確提出設置火災隔離閥的要求。

2、設置原則

　　隔離閥的設置方式與設備的容器體積、介質及布置情況等有著密切的關系，設置形式也是多樣的。隔斷閥通常分：A型——安裝在設備管口處手動操作的閥;B型——安裝在管道系統的手動操作的閥;C型——安裝在管道系統的動力操作的閥;D型——動力操作的閥，并能通過安裝在現場和控制室的按鈕關閥。

　　根據國外工程公司的設計慣例，大型機泵、壓縮機、加熱爐或減壓系統設置的隔離閥除現場設置手動按鈕外，還必須在有人值守的控制室內設置操作按鈕。因此大型機泵、壓縮機、加熱爐或是減壓系統設置的隔離閥均應為D型閥。

　　參考文獻[2]中也明確了隔離閥的設置要求，如第7.2.15節提到“液化烴設備抽出管道應在靠近設備根部設置切斷閥。容積超過50m3的液化烴設備與其抽出泵的間距小于15m時，該切斷閥應為帶手動功能的遙控閥，遙控閥就地操作按鈕距抽出泵的間距不應小于15m”。

　　液化石油氣(LPG)設施的設計和建造(API2510)規定：液化烴管道上的切斷閥應盡可能靠近罐布置，最好安裝在罐壁管嘴法蘭上。為便于操作和維修，切斷閥安裝位置應易于迅速接近。當液化烴罐容積約超過38m3(10000gal)時，在火災發生15min內，所有位于罐最高液面下管道上的切斷閥應能自動關閉或遙控操作。切斷閥控制系統應耐火保護，切斷閥應能手動操作。

　　設計時，必須在遵循《石油化工企業設計防火規范》的基礎上，根據安全分析的結果充分考慮火災隔離的設置，確保在事故發生時，通過操作緊急隔離閥及時進行系統隔離。

3、設計

　　根據隔離閥的分類，一般有現場手動隔離閥和現場、遠程兩地操作的緊急隔離閥，該文重點探討可遠程操作的緊急隔離閥的設計。

　　3.1、閥門類型

　　在中低壓應用場合，緊急隔離閥口徑不大于300mm時，一般選用球閥，大于300mm時，一般選用高性能偏心蝶閥;特殊情況下，可根據介質等條件選用其他類型的閥門，如閘閥、球閥、旋塞閥等;在高壓應用場合，一般選用球閥、閘閥等。蝶閥一般應用于不大于300bf(1bf=4.448N)壓力等級的場所，最高不超過600bf。

　　選用球閥時，介質應潔凈不含有固體顆粒。一般情況下，介質溫度不小于200°C時應選用金屬密封閥座的球閥，介質溫度小于200°C時應選用非金屬密封軟閥座的球閥，非金屬密封閥座環一般為PTFE、強化PTFE或其他高溫高強度材料。

　　泄漏等級應能滿足ANSIB16.104(ANSI/FCI70.2)或API598規定的泄漏標準，火災隔離閥的泄漏等級應為嚴密關斷(TSO)。對于硬密封金屬閥座，TSO為V級;對于軟密封非金屬閥座，TSO應為VI級。

　　3.2、防火及防靜電結構

　　當隔離閥門選用球閥時，應設計為防火、防靜電結構。

　　如果是軟密封閥座，在發生火災被燒壞時仍能保持一定要求的密封性能。防火結構應達到API607標準要求。閥門填料應優先采用石墨基耐高溫填料。

　　閥體、球體和閥桿之間應具有能導電的結構，球體被非金屬材料夾持，可能產生靜電，必須與閥體導通。一旦出現靜電堆積，對于可燃性介質尤其是燃點低的介質(如汽油，液化天然氣及丙烷等)十分危險，抗靜電設計應符合BS5146Part1要求。

　　3.3、執行機構

　　遠程操作的緊急隔離閥可供選用的執行機構有電動、氣動和液壓三種。在石油化工廠內，利用已有的凈化風氣源，可優先選用氣動執行機構，它具有響應時間短、關斷動作快的優點。在不能選用氣動執行機構或沒有凈化風氣源時，可以選用電動執行機構，關斷時間稍長。液動執行機構由于要配套控制動力油系統，較顯繁瑣，但是在高推力、快速開關或者長行程情況下，應用效果較好。

　　執行機構應具有防火性能，應能有足夠的防火措施以保證能有足夠的時間使閥門全開或全關。執行機構的外殼可以采用耐火材料或耐火涂料覆蓋，UL1709標準下防火時間應不小于30min。如果閥門設計成火災時故障安全形式，可以不考慮防火。

　　3.4、附件

　　a)電磁閥。執行機構配套使用的電磁閥材質一般應為316不銹鋼、24VDC直流供電、低功耗型、H級高溫絕緣線圈，一般情況下電磁閥不帶復位功能，復位通過專門的復位按鈕或控制系統實現。

　　b)限位開關。應設置開閥、關閥限位開關，限位開關一般為機械式或接近式，不銹鋼殼體，并應有澆封型腔體或獨立的接線盒。電動執行機構和限位開關應為一體式的結構。工程設計時，限位開關輸出觸點的作用方式一般采用/到位閉合0的形式。

　　c)手輪。如果緊急隔離閥門僅用于緊急隔離，可以根據工況設置手輪;如果它還和緊急停車系統關聯，則不設置手輪。一般情況下，用于隔離的緊急隔離閥不宜用于緊急停車聯鎖保護系統。

　　設置手輪時，閥門上應有明確的“手動”和“自動”切換開關，并有鎖定機構。將手輪聯上或達到“手動”位置，就可以手動操作;正常投用時，必須達到“自動”位置，使手輪與閥桿脫開，并將手輪打到安全位置上(閥門全開的位置上)。

　　3.5、其他

　　a)急停按鈕。應在現場和控制室輔操臺分別設置緊急關閥按鈕，確保能在危險發生時操作人員按下按鈕迅速關斷緊急隔離閥。

　　b)復位按鈕。應在現場緊急隔離閥門處設置復位按鈕，在現場確認安全或危險消除后，按下復位按鈕，將緊急隔離閥置于正常投用狀態。

　　上述這些按鈕是緊急隔離系統的一部分，由設計院進行相關系統設計，以確保危險發生時操作人員能夠迅速響應及安全復位。

4、安裝

　　緊急隔離閥應盡量安裝在要切斷的設備、儲罐或管線的根部或起點位置。

　　當設備或儲罐后安裝2臺及以上抽出泵時，緊急隔離閥應安裝在泵入口公用管線上，且與泵的間距不宜小于5m(水平距離)，如受空間限制，也應盡量拉大與泵的距離。

　　當要隔離的設備與其抽出泵之間距離小于15m時，現場緊急關閥按鈕應布置在距離相應抽出泵15m(水平距離)之外的區域，安裝地點應在安全、明顯、方便接近、操作的地方。復位按鈕應緊鄰緊急隔離閥現場布置安裝。

5、系統設計

　　用于火災隔離控制的電氣、儀表和控制系統應當進行防火保護設計，除非系統已經設計為發生火災時故障安全型。

　　火災隔離控制系統可以通過SIS來實現，現場關閥按鈕、輔操臺關閥按鈕、復位按鈕信號均傳輸至SIS，通過邏輯運算輸出信號至緊急隔離閥，控制緊急隔離閥的關斷和復位。

　　在輔操臺上的緊急隔離閥關斷、復位按鈕應集中在一個區域布置。

　　如果用于激活緊急停車設備(包括泄壓或隔離系統)的控制電纜在火災發生時暴露在火焰中，那么電纜應具有15~30min的耐火能力。用于火災隔離系統的電纜應該是具有防火性能的耐火電纜，UL1709標準下耐火時間不小于15min。如果不采用耐火電纜，電纜必須采用埋地、耐火電纜槽盒內敷設或遠離潛在高火災危險區域之外敷設。

　　除控制閥及附件需考慮防火設計外，控制閥的儀表風系統或液壓油系統也要考慮防火設計。在高火災危險區域內，火災緊急隔離閥的動力系統管路盡可能采用ASTM304，316或321不銹鋼管，這些管材自身具有較高的耐火能力，不需要進行額外的防火處理。