經(jīng)驗 | 安全聯(lián)鎖中緊急切斷閥應用的六個(gè)難點(diǎn)解讀
哪些地方需要用到緊急切斷閥？
閥型的選擇：球閥/閘閥/蝶閥？
閥體是否需要防火？
執行機構的型式選擇：氣動(dòng)/電動(dòng)/電液？
執行機構防火形式的選擇：火災安全/火災可操作？
SIL等級及閥門(mén)冗余如何配置？
石油化工生產(chǎn)具有高溫、高壓、易燃、易爆甚至有毒的特點(diǎn)。其測量點(diǎn)、控制點(diǎn)多、工藝過(guò)程復雜，要求能夠對整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行適時(shí)、準確、有效的監視及控制。因此一套能夠檢測裝置的異常情況，并對可能發(fā)生的潛在危害作出相應動(dòng)作以保護設備、 防止事故擴大化的安全儀表系統是必不可少的。
緊急切斷裝置在石油化工工藝過(guò)程中主要就是緊急切斷閥，可以在遇到突發(fā)危及到人員安全，裝置或設備安全運行，造成嚴重的環(huán)境污染時(shí)緊急切斷閥能快速響應，繼而避免事故發(fā)生或者危險擴大。本文就安全聯(lián)鎖中緊急切斷閥應用難點(diǎn)及設計方案進(jìn)行探討，幫助儀表及設計人員對緊急切斷閥的理解和應用。
緊急切斷閥主要的組成部分有：執行機構（分電動(dòng)和氣動(dòng)），電磁閥（氣動(dòng)閥），閥體以及其他附件。下面為常規氣動(dòng)切斷閥門(mén)簡(jiǎn)配圖：
在石油化工工藝過(guò)程中，要求緊急切斷和隔離的場(chǎng)所無(wú)處不在。例如：切斷反應進(jìn)料，切斷加熱爐燃料；高低壓緊急隔離；緊急切斷汽輪機蒸汽；泵設火災隔離等等。
可以說(shuō)是緊急切斷閥是安全運行的“衛士”。
應用場(chǎng)景1：切斷進(jìn)料
應用場(chǎng)景2：高低壓隔離
應用場(chǎng)景3：泵設隔離
應用場(chǎng)景4：切斷加熱爐燃料
石油化工工程中常用的自控緊急切斷閥按照閥體類(lèi)型一般分為三種：閘閥、球閥、蝶閥。也有個(gè)別工藝包或者業(yè)主要求用GLOBE閥門(mén)作為切斷閥。
閘閥一般應用在口徑較大的場(chǎng)所(DN250及以上)，投資相對球閥來(lái)說(shuō)比較低廉。閘閥的主要缺點(diǎn)是：閥體笨重且安裝尺寸較大，填料密封性能不好，閥體也容易卡住。
球閥主要應用口徑較小的場(chǎng)所，考慮到投資因素，口徑一般不易大于DN200。介質(zhì)溫度較低時(shí)可選用非金屬密封閥座環(huán)，介質(zhì)溫度較高時(shí)應選用金屬密封閥座環(huán)。
切斷蝶閥一般選用三偏心結構，蝶閥具有轉動(dòng)力矩大、密封和關(guān)斷性能好、重量輕、結構尺寸小以及造價(jià)便宜等特點(diǎn)。由于蝶板一直在流道中，其流通能力低于閘閥和球閥，尤其高壓蝶閥，閥板較厚，造成流通能力更小。
緊急切斷閥門(mén)采用嚴密關(guān)斷型(TSO)。一般對于金屬硬密封的隔離閥，泄漏等級一般要求ANSI CLASS V以上；對于非金屬軟密封的切斷閥，泄漏等級一般要求為ANSI CLASS VI，并盡量滿(mǎn)足上下游雙向密封的要求。
一般應該遵守API598的內漏要求。如果采用ISO5208等級要求，要求B或C級。
作為緊急切斷用的閥門(mén)，往往都特別關(guān)注其切斷的嚴密程度也就是泄漏等級。
閥門(mén)主要密封部位有：
啟閉件與閥座間的吻合面：此處的泄漏叫內漏，它直接影響閥門(mén)截斷介質(zhì)的能力和設備的正常運行。
填料與閥桿和填料函的配合、閥體與閥蓋的連接處：此處的泄漏叫外漏，即介質(zhì)從閥內泄漏到閥外，它直接影響安全生產(chǎn)。造成工作介質(zhì)損失和企業(yè)經(jīng)濟損失、環(huán)境污染，嚴重時(shí)會(huì )造成生產(chǎn)事故。
閥門(mén)內漏標準
常用閥門(mén)內漏國內外主要標準有：
1.美國國家標準/流體控制組織ANSI/FCI70-2《控制閥閥座泄漏》最新為2013版；
2. 國際電工委員會(huì )IEC 60534-4《工業(yè)過(guò)程控制閥-檢驗和例行試驗》最新為2006版，其他部分章節2015版；
3.美國石油協(xié)會(huì )API598《閥門(mén)的檢查和試驗》最新為2016版；
4.美國閥門(mén)及配件工業(yè)制造商標準化協(xié)會(huì )MSS SP-61《鋼制閥門(mén)的壓力試驗》最新為2019版；
5.國際標準化組織ISO5208《工業(yè)閥門(mén)-金屬閥門(mén)的壓力試驗》最新為2015版；
6.歐洲標準EN12266-1/2《工業(yè)閥門(mén)閥門(mén)的試驗》-壓力試驗、試驗方法和驗收標準 最新為2012；
7.GB/T13927--2008《工業(yè)閥門(mén)壓力試驗》等效ISO5208-2007；
8.JB/T9092--1999《閥門(mén)的檢驗與試驗》等效API598-96；
9.GB/T 26480-2011《閥門(mén)的檢驗和試驗》等效API598-2009；
10.GB/T 4213-2008《氣動(dòng)調節閥》等效IEC60534；
11.GB/T 17213.4-2015《工業(yè)過(guò)程控制閥 第4部分：檢驗和例行試驗》等同IEC60534-2006。
火災后泄漏標準：
1.ISO10497《閥門(mén)試驗-閥門(mén)的耐火試驗要求》最新為2010版本；
2.API607-2005《轉1/4周閥門(mén)和非金屬閥座閥門(mén)的耐火試驗》最新為2016版本；
3.API6FA《閥門(mén)耐火試驗試驗》最新為2018版本。
常用檢測標準:
內漏測試對比:
試驗介質(zhì)，壓力及分級對比表
總而言之：
外漏標準
普通外漏：API598《閥門(mén)的檢查和試驗》；是美標閥門(mén)最常用的檢驗和壓力試驗標準；該標準對上密封試驗的要求是：在規定的壓力下，不允許有目視可見(jiàn)泄漏。
該標準要求比較寬泛，如果沒(méi)有特殊要求廠(chǎng)家一般會(huì )執行該標準的要求。
低泄漏標準
低泄漏閥門(mén)是指閥門(mén)實(shí)際泄漏量很小，靠常規的水壓、氣壓密封試驗已不能判定，需要借助更加先進(jìn)的手段和儀器來(lái)檢測的微小外泄漏。閥門(mén)的這種微小的對外界環(huán)境的泄漏稱(chēng)為低泄漏或逸散性。
目前國內外常見(jiàn)的標準為：
1.國際標準化組織ISO15848-1《工業(yè)閥門(mén)：漏氣的測量、試驗及鑒定程序》第一部分 閥門(mén)的分類(lèi)體系和型式試驗鑒定程序；
2.國際標準化組織ISO15848-2《《工業(yè)閥門(mén)：漏氣的測量、試驗及鑒定程序》第二部分 閥門(mén)產(chǎn)品驗收試驗；該標準用以鑒定通ISO15848-1形式試驗的閥門(mén)產(chǎn)品；
3.GB/T24681《閥門(mén)的逸散性試驗》；該標準參考ISO15848-2編制。
4.殼牌石油公司SHELL MESC SPE77／312《工業(yè)閥門(mén)：低泄漏測量、分級系統、資格認定程序及開(kāi)關(guān)閥和控制閥的型式認可和產(chǎn)品試驗》。對ISO15848-2的補充；
5.美國環(huán)境保護署EPA method 21《揮發(fā)性有機組分泄漏檢測》。針對VOC定義了探頭法: 0.1~3L/min；
6.德國TA-LUFT《空氣質(zhì)量的技術(shù)指導手冊》共233頁(yè)；
7.美國石油學(xué)會(huì )API 622《防逸散過(guò)程閥門(mén)填料型式試驗》；
8.美國石油學(xué)會(huì )API 624《帶石墨填料升降桿閥門(mén)的型式測試》；
9.美國石油學(xué)會(huì )API 641《四分之一回轉閥門(mén)填料型式試驗》。
ISO 15848 -1測試及分級：
性能等級分為：溫度等級、耐久等級、密封等級三項。出廠(chǎng)標記：ISO FE 例如：
室溫為：-29~40℃
開(kāi)關(guān)閥：機械循環(huán)是將閥門(mén)從全開(kāi)至全閉為一次循環(huán)，一次熱循環(huán)是從室溫至規定實(shí)驗溫度再返回室溫。2015版將CO1由500次為205次。
控制閥：機械循環(huán)是50%的閥門(mén)行程或者轉角。在室溫或是在室溫至選定溫度下分步進(jìn)行。
ISO 15848 -1測試及分級：
性能等級分為：溫度等級、耐久等級、密封等級三項。
ISO 15848 -2測試及分級：
出廠(chǎng)密封性合格檢驗，試驗采用隨機抽檢的方式，抽檢的數量最少應為同種類(lèi)型（包括同一PN和DN）的同批閥門(mén)的3%，機械循環(huán)試驗5次。介質(zhì)：6Bar 97%的氦氣；2015版將C級由1000PPMV改為200PPM，采用ISO15848-1 附錄B檢測法，采用探頭/嗅探法（0.5~1.5L/min），測量步驟同EPA Method21，單位為ppm。國標要求檢測試驗合格后，銘牌上應標記“FE”。
閥桿密封泄露量對比：
EBV（緊急切斷閥）的主要作用就是當發(fā)現有毒或可燃介質(zhì)泄漏或者發(fā)生火災時(shí)，通過(guò)該閥門(mén)手動(dòng)或自動(dòng)將泄漏源與上（下）游設備隔離，防止災情進(jìn)一步蔓延。
主要參考的標準主要有：
1.API 553-1998Refinery control valves;
2.API 553 -2012 Refinery Valves and Accessories for Control and Safety Instrumented Systems;
3. DEP-T-PE1530-2017 緊急切斷閥工藝設計導則（試行）;
4. 中石化2011年518號文 液化烴球罐緊急切斷閥選型設計規定。
設置EBV閥門(mén)的主要場(chǎng)所：
壓縮機
1.對于所有動(dòng)力為200馬力或更大的壓縮機或處理易燃或有毒物質(zhì)，通常要求配備EBV；
2.所有進(jìn)口和出口管線(xiàn)均需要EBV；
3.如果級間設備的液體量大于3.8立方米(1000加侖)，則級間和級間設備之間需要安裝EBV。
泵
1.對于具有密封裝置的泵，如果上游容器包含超過(guò)7.6 m3(2000加侖)的輕組份或烴類(lèi)物質(zhì)超過(guò)自燃點(diǎn)或超過(guò)316°C (600°F)，通常需要EBV；
2.如果上游容器中含有超過(guò)15立方米(4000加侖)的液態(tài)烴，則需要安裝EBV；
3.高排放壓力的泵在其出口(即泵溢流下游)處應有EBV，用于反流超壓保護。
容器
1.對于含有輕組份或有毒物質(zhì)的容器，需要EBV。從這些容器流出的流體應該與潛在的泄漏源隔離，如泵、壓縮機、換熱器和明火設備。任何EBV與容器之間的連接分支都應有自己的EBV；
2.對于裝有重組份但超過(guò)閃點(diǎn)的液體容器，需要EBV。
加熱爐
1.每條供加熱爐和鍋爐的燃氣或燃油管線(xiàn)都需要安裝EBV。一般情況下，至少在每個(gè)燃料氣或燃料油管線(xiàn)的界線(xiàn)外有一個(gè)手動(dòng)隔離閥；
2.手動(dòng)EBV閥門(mén)經(jīng)常與自動(dòng)化SIS閥門(mén)一起使用[見(jiàn)9.6 b部分]。在跳車(chē)后重開(kāi)SIS閥門(mén)，需要在所有安全聯(lián)鎖參數都滿(mǎn)足后手動(dòng)復位。另請參閱API556《燃氣加熱爐儀表、控制和保護系統》第二版；
3.每條工藝進(jìn)料管線(xiàn)都需要安裝EBV，工藝管線(xiàn)內含有易燃液體的燃燒加熱爐。EBV應位于加熱爐的防火墻或防火區外。
中石化 DEP-T-PE1530-2017緊急切斷閥工藝設計導則：
EBV閥與普通切斷閥相比最大的區別就是防火設計。在火災發(fā)生時(shí)，采用EBV閥將著(zhù)火點(diǎn)與可燃物儲存設備隔離。由于平面布置的限制，EBV閥往往處在火災危險區域。為此，需要該閥在火災發(fā)生情況下，在一定時(shí)間（一般不低于30分鐘）內仍可以嚴密隔離，以達到減小火災的目的。能否在這段時(shí)間內依然保證嚴密隔離效果就成為緊急隔離設計的關(guān)鍵。為此，此類(lèi)閥門(mén)應具備以下三點(diǎn)性能：
內部泄漏量最小。為了保證這一性能，首先應考慮到閥芯和閥座的金屬面接觸，在著(zhù)火時(shí)或著(zhù)火后，閥體處于高溫之中，不管其密封結構如何，彈簧力和外加壓力怎樣變化，都應該保證這一點(diǎn)，應認為這是保證其精密關(guān)閉的關(guān)鍵。EBV優(yōu)先選擇本質(zhì)火災安全型閥門(mén)-金屬硬密封閥，且閥座盡量為雙向密封。
外部泄漏量最小。為了盡量減小外部泄漏，考慮的方法有：采用能防火的閥桿密封材料（用石墨或金屬墊片），避免用較大的墊片式閥體連結。
有連續的操作性。燃燒后仍能正常工作的閥門(mén)，應具有抗變形的能力，有抗損性。
注：選擇燃燒持續時(shí)間為30分鐘，是因為這相當于撲滅大多數煉油廠(chǎng)火災所有需要的最長(cháng)時(shí)間。持續時(shí)間更長(cháng)的火情視為大火，比本試驗預料的后果更為嚴重。(摘自API607-93)
另外EBV是否在火災區域的界定，不考慮受其他泄漏源的影響。如果考慮泄漏或火災的疊加，那么石化行業(yè)內的主裝置區內的所有控制閥均應考慮防火。顯然目前不是這么做的。
閥體防火安全認證之前分為三大系列：BS系列(BS5146-1971)、API系列(API607、API6FA)、ISO(ISO10497)系列，到現今BS已經(jīng)ISO10497所取代。所以目前主要是API和ISO兩大體系。
API607主要針對軟閥座閥門(mén)和1/4轉閥門(mén)；
API 607自1993年以來(lái)做過(guò)幾次升級；
93年的是第4版主要是針對轉?周軟座閥門(mén)的耐火試驗；
05年的是第5版也是針對轉?周軟座閥門(mén)的耐火試驗，但是測試的工況嚴格些，要求的指標較多，較嚴格一些；第5版有兩版，一個(gè)為05年，一個(gè)為08年修訂；
10年的是第6版升級到針對轉?周閥門(mén)和非金屬閥座閥門(mén)，指標基本上和05一樣；
API 6FA主要針對API 6A（井口采油樹(shù)閥，6D（管線(xiàn)閥門(mén)-閘、截、止、球等）；
ISO10497針對所有用于火災區的所有閥門(mén)。
關(guān)于火災后泄漏量，三個(gè)標準基本上一樣。
石油化工工程中常用的執行機構按照驅動(dòng)動(dòng)力一般分為三種：氣動(dòng)、電動(dòng)、電液。
1、氣動(dòng)執行機構
氣動(dòng)執行一般應用在大部分石化裝置中，具有輸出力矩大，安全，開(kāi)啟速度快，可以做到FC或FO（故障安全型）等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是需要有凈化風(fēng)。可分為薄膜式、活塞式、撥叉式和齒輪齒條式。還可以分為單作用和雙作用兩種類(lèi)型，其中雙作用執行機構需增配事故空氣罐。由于可以做到事故安全型，常常被優(yōu)先選用。
2、電動(dòng)執行機構
電動(dòng)執行機構一般應用在石化儲運系統中。優(yōu)點(diǎn)是體積小，輸出力矩較大時(shí)造價(jià)較低，另外不需要凈化風(fēng)。適用于公用工程條件不完善的場(chǎng)所，缺點(diǎn)是開(kāi)啟速度較慢且做不到故障開(kāi)或故障關(guān)。電動(dòng)執行機構有二種類(lèi)型，一般分為部分回轉電動(dòng)執行機構和多回轉電動(dòng)執行機構,前者主要控制需要部分回轉的閥門(mén)例如：球閥，蝶閥等角行程閥門(mén)，后者需要多圈數旋轉的閥門(mén)，例如閘閥等直行程。
3、電液執行機構
電液執行機構是近年來(lái)新興起來(lái)的一種執行機構，具有輸出力矩大，開(kāi)啟速度快，甚至可以做到火災關(guān)閥等特點(diǎn)。缺點(diǎn)是需要配動(dòng)力油系統較為繁瑣，所占空間也往往比較大，易漏油等。
執行機構耐火考慮：用于防火隔離場(chǎng)所時(shí)，除閥體需要耐火設計外，其執行機構也需要設計成火災安全型或耐火型（或叫防火型）。
火災安全型執行機構在正常工況下可以遠程控制，但在火災發(fā)生時(shí)，如果該閥處于火災區，其執行機構可能會(huì )被損壞，這類(lèi)執行機構通常采用彈簧復位型。具體做法有：連接開(kāi)閥氣源的供風(fēng)管一般采用耐日照的易熔斷線(xiàn)路，繞在執行機構周?chē)?。發(fā)生火災時(shí)，氣路管路熔斷切斷氣源使閥門(mén)回到關(guān)閉狀態(tài)。另外一種做法是，在執行機構上加易熔塞，當火災發(fā)生時(shí)，易熔塞熔化，氣缸失氣閥門(mén)關(guān)閉。易熔塞一般采用耐溫135-500°F（57-260℃）間金屬制作而成(中石化設計意見(jiàn)建議是250 ℃)。
耐火型執行機構本身就具有耐火性能。一種做法是：執行機構的外殼采用耐火材料或耐火涂料覆蓋，該材料在環(huán)境溫度急劇上升時(shí)，體積能急速膨脹，形成對熱浪的阻隔。根據UL1709的要求其耐火（1093℃(2000°F)）時(shí)間不小于30分鐘。選用這種執行機構時(shí)，閥門(mén)配套附件，如電纜、氣源供風(fēng)管線(xiàn)等，均采用耐火型，以到達整體防火設計的要求。
電動(dòng)閥由于做不到FC，所以只能選用耐火型電動(dòng)執行機構。
石化裝置SIL等級，根據IEC61508和IEC61511的規定：
安全完整性等級由低到高為SIL1~SIL4；
過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域的安全完整性等級應為SIL1~SIL3，石化裝置就屬過(guò)程工業(yè)。
切斷閥配置方案，根據GB50770的規定：
SIL等級故障裕度（HFT）：GB50770的規定是根據IEC61511中規定的硬件故障裕度演變過(guò)來(lái)的。
注意：當產(chǎn)品符合經(jīng)驗使用原則時(shí)，HFT可減1。GB50770考慮到了該情況。
注：M取N硬件故障裕度=M-N；如：3取2硬件故障裕度為1。
電磁閥的冗余配置：
當要求高安全性時(shí)，電磁閥應按照“二取一”的方式配置，如下圖：
當要求高可用性時(shí)，電磁閥應按照“二取二”的方式配置，如下圖：