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石油化工油品儲罐罐根控制閥工程設計
發(fā)布時(shí)間：
2023-08-25 09:21
油品儲罐是石油化工生產(chǎn)的重要設備，用于存儲液態(tài)烴類(lèi)物料。油品儲罐所存物料具有易燃、易爆或有毒的特點(diǎn)，因此，油品罐區一般都是重大危險源。近年來(lái)，油品儲罐是政府重點(diǎn)監管的設施，為此出臺了許多法規法令和監管標準，更新、增補了工程設計標準、設計程序，在這些新的法規法令、標準規范中，提升監控水平是新增的重要內容。石油化工油品儲罐監控主要包括兩類(lèi)措施：
1) 液位、溫度、壓力等運行參數的連續檢測、連續指示、超限報警；可燃氣體、有毒氣體、火災等的連續檢測、連續指示、超限報警。
2) 運行參數超過(guò)安全運行限值時(shí)聯(lián)鎖停車(chē)，罐區發(fā)生火災時(shí)聯(lián)鎖停車(chē)，聯(lián)動(dòng)消防。
在上述監控措施中，檢測、指示、報警是基本措施，聯(lián)鎖停車(chē)是關(guān)鍵措施。聯(lián)鎖停車(chē)是新的法規法令、標準規范中特別強調的措施，也是安全檢查的重點(diǎn)。聯(lián)鎖停車(chē)主要是關(guān)閉儲罐進(jìn)料或出料，或同時(shí)關(guān)閉進(jìn)料和出料。根據安全分析，及時(shí)遠程關(guān)閉進(jìn)料、出料的罐根控制閥是最有效、最徹底的方式。因此，在新的標準規范、法規法令中強調了罐根控制閥的設置要求。
罐根控制閥包括進(jìn)料閥和出料閥。因石油化工油品儲罐不會(huì )同時(shí)進(jìn)料和出料，因此進(jìn)料閥、出料閥常常合用1臺控制閥。罐根控制閥主要有如下用途：液位高高時(shí)聯(lián)鎖切斷進(jìn)料，液位低低時(shí)聯(lián)鎖切斷出料。罐區發(fā)生泄漏、火災等嚴重事故時(shí)同時(shí)切斷進(jìn)料和出料。
盡管法規法令、標準規范對罐根控制閥也有一些要求，但這些信息是碎片化的，內容不系統，要求不全面，相互之間要求還有許多不一致之處。在執行過(guò)程中，技術(shù)人員之間理解不一致，導致設計方案五花八門(mén)。設計院與業(yè)主之間、企業(yè)與安全管理行政部門(mén)之間爭議不斷，給設計、施工、生產(chǎn)、安全監管人員造成許多煩惱，這無(wú)疑會(huì )影響罐根控制閥的安全可靠性、運行可用性、投資經(jīng)濟性。
罐根控制閥承擔多種功能，對其有多方面的要求。罐根控制閥是1套比較復雜的單元組合式設備。要完成該設備功能需要對其整體性能和閥體、執行機構、控制器件、信號類(lèi)型、控制電纜等各單元、各部分性能全面考慮，綜合兼顧，詳細設計。對此，筆者進(jìn)行了多方面的研究、探索、實(shí)踐，在此分享粗淺認識，供參考、批評、指正。
1 設計策略
在開(kāi)展罐根控制閥設計前，首先要有正確的設計策略。筆者認為至少應包括如下幾點(diǎn)：
1) 理清工藝要求。罐根控制閥可能承擔多項工藝要求，應逐一理清。清楚了工藝要求，才能明確控制閥的功能，才可能完整、正確地實(shí)現所需的功能。
2) 理清可靠性需求與措施。針對控制閥的用途，理清安全功能需求和非安全功能需求。根據HAZOP，LOPA分析報告，確定罐根控制閥是否承載了SIL1～SIL3級別的安全功能。如果承載了安全功能，則可靠性需要達到相應的SIL等級，其配置要達到故障安全型，應由安全儀表系統(SIS)控制。
3) 理清可用性需求與措施。針對閥門(mén)的用途，理清可用性需求。當罐根控制閥作為下游裝置的進(jìn)料控制閥或上游裝置的出料控制閥時(shí)，一旦關(guān)閉，將造成與之相連的裝置停車(chē)，這種用途的罐根控制閥必須高度重視其可用性。要落實(shí)在執行機構的選型、動(dòng)力源的保障、電磁閥的冗余配置和冗余結構、控制信號機制等方面。
4) 理清防火需求與措施。針對用途和標準規范、法規法令要求，理清防火要求。當罐根控制閥有火災安全需求時(shí)，需要對閥門(mén)采取防火措施。發(fā)生火災時(shí)，在有限的時(shí)間內仍能夠遠程遙控閥門(mén)關(guān)閉。
2 閥型選擇
2.1 通用要求
罐根控制閥的特殊位置、特殊功能決定了對其有特定要求。至少包括如下要求：關(guān)閉嚴密，泄漏量??；閥門(mén)質(zhì)量小，減少對罐體的影響；閥門(mén)體積小，減少對安裝空間的需求。
2.2 閥型分析
根據上述要求，可供選擇的閥型包括：閘閥、球閥、蝶閥，并具有各自的特點(diǎn)。
閘閥為直行程閥，具有技術(shù)成熟、運行可靠、價(jià)格便宜、關(guān)閉嚴密的特點(diǎn)；但體積大，尤其是高度高，所需安裝空間大，所需維護輔助設施也高大。閥桿行程長(cháng)，關(guān)閥所需時(shí)間長(cháng)。
閘閥按閘板數量和切斷方式分為單閘板和雙閘板閘閥。單閘板閘閥結構簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量小，但所需要的開(kāi)啟力大。雙閘板閘閥關(guān)閉嚴密性更好，所需開(kāi)啟力小，但結構更復雜，體積更大，質(zhì)量更大。
單閘板閘閥根據閘板形式分為楔式閘閥和平板閘閥。兩者相比較，楔式閘閥比平板閘閥關(guān)閉嚴密，但是制造加工難度大，價(jià)格貴。
平板閘閥又分為普通型和帶導流孔型。帶導流孔型適用于有通球工況的管道，或工藝介質(zhì)含固體顆粒、殘渣或介質(zhì)易結晶、易凝固的管道。
球閥為角行程閥，具有體積小、行程小、關(guān)閉時(shí)間短、關(guān)閉嚴密、運行可靠的特點(diǎn)，且所需安裝空間小，所需安裝、維護設施簡(jiǎn)單。但制造加工難度大，價(jià)格高，尤其是大口徑球閥，價(jià)格昂貴。
蝶閥為角行程閥，蝶閥集中了閘閥、球閥的優(yōu)點(diǎn)，克服了閘閥、球閥的劣勢。但是，看似簡(jiǎn)單的蝶閥，所需制造加工技術(shù)水平很高，否則，可能會(huì )因閥板振動(dòng)大，導致控制閥故障率高，可用性低；可能會(huì )關(guān)閉不嚴密，泄漏量大，不能有效完成切斷功能。因此，目前蝶閥應用的不多。但隨著(zhù)制造技術(shù)水平的提高，蝶閥應用前景良好。
2.3 常壓罐、低壓罐罐根控制閥閥型選擇
根據上述分析比較，筆者對常壓罐、低壓罐罐根控制閥閥型選擇意見(jiàn)如下：
1) 儲存汽油、煤油、柴油等無(wú)特殊腐蝕、無(wú)固體雜質(zhì)、高黏度介質(zhì)的儲罐，罐根控制閥宜選用普通型單閘板閘閥。閥門(mén)口徑小于DN 150時(shí)，宜選用單閘板楔式閘閥；閥門(mén)口徑不小于DN 150時(shí)，宜選用單閘板平板閘閥。
2) 儲存苯等對橡膠等有機物溶解性較強的介質(zhì)的儲罐，罐根控制閥宜選用雙閘板閘閥，避免介質(zhì)對閥板與閥座間密封環(huán)溶解損壞，導致閥門(mén)內漏。
3) 儲存高毒液體介質(zhì)的儲罐，罐根控制閥宜選用雙閘板閘閥，提高關(guān)閉嚴密性、可靠性。
4) 儲存原油、渣油、污油等可能含固體雜質(zhì)或高黏度介質(zhì)的儲罐，罐根控制閥宜選用帶導流孔型單閘板平板閘閥。
2.4 壓力罐
儲存液化石油氣、丙烯、氨等介質(zhì)的壓力罐，筆者建議罐根控制閥宜采用球閥。
3 執行機構類(lèi)別選擇
罐根控制閥執行機構的選擇要遵守SH/T 3005—2016《石油化工自動(dòng)化儀表選型設計規范》。除此之外，還應特別注意遵守國家、當地政府、本企業(yè)集團標準針對該閥的相關(guān)規定。例如：AQ 3053—2015《立式圓筒形鋼制焊接儲罐安全技術(shù)規程》規定：立式鋼制儲罐罐根控制閥可選用的執行機構有氣動(dòng)執行機構、電動(dòng)執行機構、電液執行機構?！吨袊突ぜ瘓F公司液化烴球罐區安全技術(shù)管理暫行規定》(中石化安〔2010〕635號)和《液化烴球罐緊急切斷閥選型設計規定》(中國石化〔2011〕建518號)規定：球罐罐根控制閥執行機構可選用氣動(dòng)執行機構、電動(dòng)執行機構、電液執行機構，優(yōu)先選用氣動(dòng)執行機構。
氣動(dòng)執行機構技術(shù)成熟，維修簡(jiǎn)單，價(jià)格較低，可以實(shí)現故障安全模式。但是，它的尺寸、質(zhì)量、配管配線(xiàn)工程量都大。
電動(dòng)執行機構技術(shù)比較成熟，尺寸小，質(zhì)量小，價(jià)格較高，配管配線(xiàn)工程量小。目前主流產(chǎn)品尚不能實(shí)現故障安全模式，只有少數廠(chǎng)商可提供帶預儲能的故障安全型產(chǎn)品，且多限制在小口徑、小行程、直行程類(lèi)閥門(mén)?？煽啃杂写M(jìn)一步驗證。
電液執行機構技術(shù)復雜，可實(shí)現故障安全模式，價(jià)格高，目前多為進(jìn)口產(chǎn)品。
根據上述分析，罐根控制閥選擇意見(jiàn)如下：如果用以承擔聯(lián)鎖保護安全功能，應優(yōu)先選用氣動(dòng)執行機構；如果不承擔聯(lián)鎖保護安全功能，可選用氣動(dòng)執行機構，也可選用電動(dòng)執行機構。
4 罐根控制閥故障模式選擇與實(shí)現方式
罐根控制閥的故障模式應根據閥門(mén)的用途、功能選擇，通過(guò)綜合措施實(shí)現。
因電動(dòng)閥基本用于非故障安全模式，電液閥、電動(dòng)閥實(shí)現故障模式的工程設計簡(jiǎn)單，而氣動(dòng)閥實(shí)現故障模式的工程設計比較復雜，出錯率高，因此以下主要討論氣動(dòng)閥故障模式的實(shí)現。
4.1 執行安全功能的罐根控制閥
執行安全功能的罐根控制閥(安全完整性等級為SIL1～SIL3)，其故障模式應選擇故障關(guān)(FC)。
實(shí)現FC模式有兩種方式：選擇單作用式彈簧復位單氣缸執行機構；選用雙作用式雙氣缸執行機構，配事故風(fēng)罐。
根據目前的制造水平，綜合可靠性、可用性、經(jīng)濟性因素，筆者建議：口徑小于DN300的閥門(mén)選用單作用式彈簧復位單氣缸執行機構；口徑不小于DN300的閥門(mén)選用雙作用式雙氣缸執行機構，配事故風(fēng)罐。
4.2 執行非安全功能的罐根控制閥
該類(lèi)控制閥故障模式宜選擇故障保位模式(FL)，以提高可用性。FL模式實(shí)現方式：選用雙作用式雙氣缸執行機構。
當儲罐作為下游裝置的進(jìn)料罐，或上游裝置的儲料罐，罐根控制閥宜配事故風(fēng)罐，既可保證供風(fēng)中斷時(shí)閥門(mén)能可靠保位，又能保證發(fā)生事故時(shí)能遙控關(guān)閥，同時(shí)提高了生產(chǎn)可用性和安全可靠性。
5 氣動(dòng)執行機構電磁閥配置
根據罐根控制閥的用途、功能配置電磁閥。
5.1 執行安全功能的罐根控制閥
電磁閥配置要保證可靠性。配置方式如下：
1) 采用1個(gè)“兩位四通”電磁閥，或1個(gè)“兩位五通”電磁閥，或2個(gè)“兩位三通”電磁閥。
2) 選用單電控電磁閥。
3) 正常時(shí)電磁閥帶電，控制閥打開(kāi)；聯(lián)鎖時(shí)電磁閥失電，控制閥關(guān)閉；氣源中斷時(shí)控制閥關(guān)閉。
4) 閥門(mén)宜配套帶控訊箱。從控訊箱至控制室的電纜有多種配線(xiàn)方案。例如：配置2個(gè)電磁閥時(shí)，最多可配8芯電纜，其中電磁閥用4芯，閥位回訊用4芯；最少可配5芯電纜，電磁閥用2芯，閥位回訊用2芯，兩者公用中線(xiàn)。其他配置配線(xiàn)可以此類(lèi)推。配線(xiàn)方案結合業(yè)主要求、所選控制閥、控制系統的需求決定。從控訊箱至現場(chǎng)遙控開(kāi)關(guān)電纜采用2芯電纜。
5.2 執行非安全功能的罐根控制閥
電磁閥配置要注重可用性。配置方式如下：
1) 采用1個(gè)“兩位四通”電磁閥，或1個(gè)“兩位五通”電磁閥，或2個(gè)“兩位三通”電磁閥。
2) 選用單電控電磁閥。
3) 正常時(shí)電磁閥不帶電，控制閥打開(kāi)；聯(lián)鎖時(shí)電磁閥帶電，控制閥關(guān)閉；氣源中斷時(shí)控制閥保位。
4) 控訊箱、現場(chǎng)遙控開(kāi)關(guān)、電纜配線(xiàn)方案同上，不再贅述。
6 防火要求和措施
6.1 要求
以前，國內標準規范、法規法令基本沒(méi)有要求儀表設備防火問(wèn)題。近年來(lái)，部分標準、法規提出了該方面的要求。但是，這些要求多是碎片化信息，理念不完整，要求不統一。因此，防火問(wèn)題成了爭議性大的熱點(diǎn)話(huà)題，其中罐根控制閥是否要求防火就是熱點(diǎn)中之焦點(diǎn)。因為罐根控制閥作用大，因此安全可靠性要求高。罐根控制閥體積大，數量多，防火措施投資大。目前做法常表現為兩個(gè)極端：一個(gè)是認為有必要防火，或為了減少爭議，不惜投資，全部防火；另一個(gè)是認為沒(méi)必要，全部不防火，以上兩點(diǎn)都不符合工程設計原則。
筆者認為，關(guān)于罐根控制閥是否需要防火，應執行國家和當地安全法規法令的要求，本行業(yè)的標準規范要求，本企業(yè)集團的要求，并選擇嚴格的條款執行。例如：
AQ3053—2015中，關(guān)于立式鋼制儲罐罐根控制閥防火要求：當執行機構為電動(dòng)型時(shí)，其電源電纜、信號電纜和執行機構應作防火保護?！吨袊突ぜ瘓F公司液化烴球罐區安全技術(shù)管理暫行規定》(中石化安〔2010〕635號)，關(guān)于液化烴球罐罐根控制閥防火要求：當執行機構為電動(dòng)型時(shí)，其電源電纜、信號電纜和執行機構應作防火保護。氣動(dòng)執行機構安裝易熔塞，發(fā)生火災時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。閥門(mén)密封填料選用耐火型?！兑夯療N球罐緊急切斷閥選型設計規定》(中國石化〔2011〕建518號)，關(guān)于液化烴球罐罐根控制閥防火要求：各類(lèi)閥都要采取防火保護，防火罩應符合UL1709：2017 Standard for safety rapid rise fire tests of protection materials for structural steel，能夠在1 093 ℃下，抵抗烴類(lèi)火災30 min。氣動(dòng)閥的氣動(dòng)控制管路或氣缸要安裝易熔塞。閥門(mén)密封填料選用耐火型。閥體應符合API 607：2016 Fire test for quarter turn valves and valves equippted with nonmetallic seats或API 6FA：2018 Standard for fire test for valves的耐火標準?！豆迏^隱患整改攻堅戰指導意見(jiàn)》(中石化安〔2016〕39號)，關(guān)于罐根控制閥防火要求：設置獨立SIS的儲罐，罐根控制閥要采取防火措施。SH/T 3005—2016要求，切斷閥閥體應符合API 607：2016或API 6FA：2018的耐火標準。
筆者認為，在滿(mǎn)足以上要求的基礎上，設計單位和業(yè)主應根據存儲介質(zhì)性質(zhì)、介質(zhì)儲量、閥門(mén)動(dòng)作原理等進(jìn)一步進(jìn)行風(fēng)險評估。根據風(fēng)險、投資、業(yè)主安全理念來(lái)綜合比較，確定除了標準已要求的，其他場(chǎng)景下的罐根控制閥是否需要進(jìn)行防火設計。例如：有的標準要求電動(dòng)閥應該防火，對其他閥沒(méi)要求。筆者認為，在這種應用場(chǎng)景下，雙作用式雙氣缸氣動(dòng)閥同樣也需要作防火保護。因為兩者都存在火災時(shí)閥門(mén)執行機構失效從而無(wú)法遙控關(guān)閉閥門(mén)的問(wèn)題。
6.2 措施
如果要求該閥防火，就要采取相應的防火措施。因對標準規范、法規法令理解的差異，眾多標準規范、法規法令之間對防火措施要求也不盡相同，因而實(shí)際工程設計的防火措施區別很大，造成對設計合規性、防火可行性爭議頗多。這無(wú)疑給防火效果帶來(lái)不確定性，給安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患，投資有效性也很模糊。
筆者認為，防火措施首先應執行國家和當地安全法規法令的要求，本行業(yè)的標準規范要求，本企業(yè)集團的要求，并選擇嚴格的條款執行。在該基礎上要從本質(zhì)上認識防火措施。防火措施源自安全、穩定、長(cháng)周期生產(chǎn)目標對罐根控制閥的功能和性能需求。主要功能、性能需求：當發(fā)生事故后，閥門(mén)處于火災區域時(shí)，在有限的時(shí)間內，能夠遠程關(guān)閉罐根閥，或罐根閥因受熱而自動(dòng)關(guān)閉；閥體不破裂泄漏，閥內件不內漏，閥蓋處不外漏。防火措施就是保證上述功能的具體方法。防火措施包括閥體防火和執行機構防火；其次包括遙控閥門(mén)的控制信號電纜和電力電纜防火。主要措施如下。
閥體防火措施如下：
1) 壓力等級不低于PN20(ASME CL150)。
2) 閥體材質(zhì)至少為鑄鋼。
3) 閥體整體應符合API 607：2016或API 6FA：2018耐火實(shí)驗標準。
4) 閥座與閥芯間應采用金屬對金屬的硬密封，或火災受熱的情況下，閥座與閥芯間達到金屬對金屬的硬密封。泄漏等級應符合API 598:2016 Valve inspection and testing，或達到FCI 70-2 Class V級。
5) 管道連接方式應為法蘭連接或焊接，不得采用對夾式連接方式。
執行機構防火措施如下：
1) 電動(dòng)、電液執行機構應加防火罩；動(dòng)力電纜、控制電纜選用耐火電纜，或作耐火保護；電動(dòng)執行機構應設備用電源。
2) FL型雙作用式雙氣缸執行機構應加防火罩，配事故風(fēng)罐?？刂菩盘栯娎|采用耐火電纜，或做耐火保護。有的規定要求該型氣動(dòng)執行機構除了加防火罩外，在氣缸或控制氣路再加裝易熔塞。筆者認為無(wú)需再加裝易熔塞，這是由雙作用式雙氣缸氣動(dòng)執行機構的工作原理決定的。
3) FC型單作用式彈簧復位型單氣缸執行機構可不加防火罩，控制信號電纜可不采用耐火電纜，不作耐火保護，而在氣缸或控制氣路上加裝易熔塞?；馂臅r(shí)易熔塞熔化，執行機構失氣，閥門(mén)在彈簧彈力作用下自行關(guān)閉。易熔塞熔點(diǎn)溫度宜為250 ℃。一些規定要求該型氣動(dòng)執行機構除了加裝易熔塞之外，還要求再加防火罩。筆者認為，僅僅為了實(shí)現火災安全型的目的，對該型氣動(dòng)執行機構只需要加裝易熔塞即可，沒(méi)有必要再加防火罩，因為已經(jīng)實(shí)現了關(guān)閥的目的。防火罩的防火性能符合UL1709：2017，能夠在1 093 ℃下，抵抗烴類(lèi)火災30 min，防火罩保護的內部溫度不高于70 ℃(或預選執行機構的最高工作溫度)。
4) 電纜埋地敷設是電纜防火保護的有效措施，新建工程罐區電纜應采用埋地敷設方式。
7 其他附件的選擇
7.1 閥蓋與密封填料選擇
罐根控制閥閥蓋形式與密封填料選擇意見(jiàn)如下：
1) 普通油品宜采用增強型柔性石墨(ρ≥1 360 kg/m3)密封填料，并配上下密封環(huán)。選用其他密封填料需滿(mǎn)足API607：2016或API6FA：2018的要求。
2) 工藝介質(zhì)為苯、液氨等高毒性物質(zhì)或物料中wH2S≥1×10-3時(shí)，閥蓋處要求低泄漏，泄漏標準符合ISO 15848-2：2006Industrial valves—measurement test and qualification procedures for fugitive emissions part 2： production acceptance test of valves要求。直行程閥可采取如下低泄漏措施：口徑不大于DN 80的閥門(mén)，采用波紋管密封；口徑大于DN 80的閥門(mén)，采用雙層密封填料。
7.2 手輪與閥位開(kāi)關(guān)
罐根控制閥應配置手輪機構。手輪應采用離合結構。日常采用鉛封或加鎖，防止誤操作。
罐根控制閥應配置閥位開(kāi)關(guān)，包括全開(kāi)位置開(kāi)關(guān)和全關(guān)位置開(kāi)關(guān)；在控制室操作站應設置關(guān)閥超時(shí)報警，以確保閥門(mén)按命令真正關(guān)閉。
7.3 現場(chǎng)遙控開(kāi)關(guān)
根據罐根控制閥的安全功能和AQ 3053—2015等標準的要求，應對罐根控制閥具有控制室遙控關(guān)閉和現場(chǎng)遙控關(guān)閉的功能。在罐區防火堤外巡檢入口處，設現場(chǎng)遙控開(kāi)關(guān)。遙控開(kāi)關(guān)宜輸出兩對觸點(diǎn)，其中一對接至閥門(mén)控訊箱，直接控制閥門(mén)關(guān)閉；另一對接至控制室進(jìn)行報警、記錄、聯(lián)鎖控制。建議該遙控開(kāi)關(guān)在罐根控制閥規格書(shū)/數據表中一并設計，由控制閥成套提供，以便減少接口，正確接線(xiàn)，正確配線(xiàn)，準確實(shí)現所要求的功能。
8 結束語(yǔ)
以上主要表述了對罐根控制閥的額外要求或特殊要求，對控制閥的共性要求不再贅述，執行選型、安裝等相關(guān)標準。筆者認為，對罐根控制閥的技術(shù)要求，目前國內還處于不斷認識、不斷完善、不斷統一的過(guò)程。隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，安全理念的提高，制造技術(shù)的進(jìn)步，對罐根控制閥的技術(shù)要求也會(huì )變化，設計方案也會(huì )不斷改進(jìn)。
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