中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司北京分公司

SIS閥執(zhí)行機構(gòu)的選型

王書惠中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司北京分公司

當油氣田或管道站場發(fā)生火災(zāi)或者是大面積泄漏時，采用緊急切斷閥進行切斷，切斷有毒、可燃介質(zhì)向外面泄放；需要時，啟用緊急放空閥，將有毒、可燃介質(zhì)直接泄放到火炬或者放空立管。根據(jù)API 553—2012規(guī)范的基本技術(shù)要求，結(jié)合近幾年國內(nèi)外油氣田及天然氣、成品油、原油輸送管道應(yīng)用的經(jīng)驗教訓(xùn)，探討緊急切斷閥、緊急放空閥執(zhí)行機構(gòu)在設(shè)計選型時容易模糊的技術(shù)問題，例如：防火、手輪、開關(guān)時間、復(fù)位、電磁閥配置、診斷等，確保緊急切斷閥、緊急放空閥執(zhí)行機構(gòu)技術(shù)要求和設(shè)計選型正確。

執(zhí)行機構(gòu)；SIS閥；ESDV；BDV；防火；復(fù)位；診斷

緊急切斷閥、緊急放空閥作為安全儀表系統(tǒng)的執(zhí)行設(shè)備，在石油天然氣行業(yè)中的應(yīng)用越來越多。當油氣田或管道站場發(fā)生火災(zāi)或者是大面積泄漏時，采用緊急切斷閥進行切斷，切斷有毒、可燃介質(zhì)向外面泄放；需要時，啟用緊急放空閥，將有毒、可燃介質(zhì)直接泄放到火炬或者放空立管。

根據(jù)API553—2012規(guī)范的基本技術(shù)要求，結(jié)合近幾年國內(nèi)外油氣田及天然氣、成品油、原油輸送管道應(yīng)用的經(jīng)驗教訓(xùn)，探討緊急切斷閥、緊急放空閥執(zhí)行機構(gòu)在設(shè)計選型時容易模糊的技術(shù)問題，例如：防火、手輪、開關(guān)時間、復(fù)位、電磁閥配置、診斷等，確保緊急切斷閥、緊急放空閥執(zhí)行機構(gòu)技術(shù)要求和設(shè)計選型正確。

緊急切斷閥、緊急放空閥閥體部分如何選型這里不進行討論。緊急切斷閥（ESDV）、緊急放空閥（BDV）由安全儀表系統(tǒng)（SIS系統(tǒng)）控制，統(tǒng)稱為SIS閥(包括ESDV和BDV)。

縮寫及名詞解釋：SIS為安全儀表系統(tǒng)（Safety Instrumented System）；ESDV為緊急切斷閥（Emergency Shutdown Valve）；BDV為緊急放空閥（Blowdown Valve）；PST為部分行程測試（Partial Stroke Testing）；HMI為人機界面（Human Machine Interface）。

1 執(zhí)行機構(gòu)的主要類型

按照API553—2012規(guī)范，SIS閥的執(zhí)行機構(gòu)一般情況下選擇氣動執(zhí)行機構(gòu)、電液執(zhí)行機構(gòu)、電動執(zhí)行機構(gòu)。

具體工程中采用哪種形式的執(zhí)行機構(gòu)，選型原則是：有氣源（空氣或者氮氣等）時，SIS閥最優(yōu)采用氣動執(zhí)行機構(gòu)；無氣源時，SIS閥優(yōu)先考慮采用電液執(zhí)行機構(gòu)；通常不推薦電動執(zhí)行機構(gòu)作為SIS閥的執(zhí)行機構(gòu)，在既無氣源又需要考慮價格因素且通過業(yè)主批準時，可以采用電動執(zhí)行機構(gòu)，但是需要額外的條件進行限制。

2 執(zhí)行機構(gòu)的通用技術(shù)要求

2.1防火

在執(zhí)行機構(gòu)的選型中，防火要求最為模糊。

按照API553—2012規(guī)范，SIS閥（軟密封）防火測試要求符合API607；SIS閥（金屬密封）防火測試要求符合API608、API6FA。

2.2手輪

SIS閥一般獨立設(shè)置，不參與過程控制，不應(yīng)配置手輪，因為手輪可能會阻止SIS閥返回到安全狀態(tài)。

如果設(shè)計中要求某些過程控制閥除了具有過程控制閥的功能之外，還要求具有SIS閥的功能，配置手輪必須通過正式的批準和授權(quán)。

2.3閥位指示

SIS閥必須配置閥位就地指示。在工程應(yīng)用中，SIS閥除了就地顯示閥位之外，也配套位置開關(guān)，SIS閥閥位在控制室HMI上進行顯示。

2.4開關(guān)時間

在不損壞閥體和產(chǎn)生水擊時，執(zhí)行機構(gòu)的速度越快越好。一般推薦達到安全狀態(tài)是5～10 s。對于液體管道，需要考慮減緩管道的水擊效應(yīng)，因此關(guān)閥時間需要慎重考慮，需要與工藝計算相結(jié)合。

2.5扭矩

SIS閥的執(zhí)行機構(gòu)扭矩需要考慮20%～40%的余量，以克服對未知扭矩的需求。

3 氣動執(zhí)行機構(gòu)

對于角行程的SIS閥（例如球閥、旋塞閥等），最優(yōu)選擇是采用氣動執(zhí)行機構(gòu)。

氣動執(zhí)行機構(gòu)的故障安全是指發(fā)生儀表氣源故障時ESDV關(guān)閉或者BDV打開。

3.1防火要求

根據(jù)API553—2012規(guī)范防火的具體要求，SIS閥執(zhí)行機構(gòu)本體及外部所有配件（主要包括氣源、關(guān)鍵的電氣接線、就地控制盤等）必須能夠承受1 093℃的高溫，內(nèi)部所有配件和接線能夠承受93℃的高溫，且至少持續(xù)30min。關(guān)鍵的電氣接線定義為：可能阻礙執(zhí)行機構(gòu)到達安全位置的接線（主要包括執(zhí)行機構(gòu)控制回路的變壓器、一次或者二次接線）。

SIS閥設(shè)計時除了要求執(zhí)行機構(gòu)達到上面的防火要求之外，執(zhí)行機構(gòu)的外部供電電纜及控制電纜統(tǒng)一要求為耐火電纜，這樣才能保證執(zhí)行機構(gòu)在30min能夠順利完成開閥或者關(guān)閥的動作；同時，執(zhí)行機構(gòu)也要求能夠承受火災(zāi)中消防水的沖擊，防雨、防曬。

3.2復(fù)位

執(zhí)行機構(gòu)采用故障安全式，并且一直保持在安全位置。當所有運行的條件重新滿足要求時，經(jīng)過SIS命令控制之后的閥門，不能直接打開或者關(guān)閉，必須經(jīng)人工現(xiàn)場復(fù)位之后才能打開或者關(guān)閉，即人工復(fù)位。人工復(fù)位按鈕可以是在現(xiàn)場設(shè)置的HMI盤上的復(fù)位按鈕，也可以是SIS閥電磁閥自帶的復(fù)位按鈕（復(fù)位手柄或者按鈕）。

按照API 553—2012規(guī)范，推薦SIS閥是失電動作。SIS閥的電磁閥，斷電時電磁閥不允許強制或者重置到正常位置。如果SIS閥采用得電動作，電磁閥推薦采用診斷回路，定期、頻繁地進行測試。

3.3電磁閥配置

（1）1OOX配置電磁閥。SIS系統(tǒng)設(shè)計為故障安全型時，這種配置具有高安全性，同時也具有較高虛假停車的可能性。工程中根據(jù)工藝的需要，一般會選擇1OO2。任何1個電磁閥失電，那么SIS閥都會打開或者關(guān)閉。

（2）2OOX配置電磁閥。SIS系統(tǒng)設(shè)計為故障安全型時，這種配置具有高可靠性，降低了虛假停車的可能性，同時也降低了SIS的安全性。工程中根據(jù)工藝的需要，一般會選擇2OO2、2OO3。任何1個電磁閥出現(xiàn)問題失電，SIS閥不會動作，只有2個電磁閥及以上出現(xiàn)問題時，SIS閥才會動作。

3.4診斷測試

（1）PST功能測試。目前，ESDV閥的PST功能主要有3種方式實現(xiàn)：配套數(shù)字閥門定位器；配套閥門位置開關(guān)；機械開關(guān)。無論采用哪種方式，只要ESDV接到緊急切斷命令就能立即執(zhí)行關(guān)閥命令，無論此時ESDV是否正在進行PST測試。ESDV閥配套PST功能，在確保SIS系統(tǒng)安全運行的情況下，ESDV能夠在一定范圍內(nèi)保證閥關(guān)閉5%或者10%的開度，之后再次返回到全開狀態(tài)。PST功能克服了ESDV長期處于開狀態(tài)，產(chǎn)生機械故障（SIS未得到信息）時一旦需要關(guān)閥而不能關(guān)閉的情況。

（2）旁通閥測試。SIS閥配套旁路閥，實現(xiàn)SIS閥在線的、全行程的測試和維護。典型的SIS是由多個手動切斷閥和1個旁通閥（或者是1個盲板）組成。旁通閥在不使用時，必須處于關(guān)閉狀態(tài)，打上鉛封或者是鎖上。SIS旁通閥帶有顏色標識、鎖扣、鎖栓，防止有人不小心誤操作打開。旁通閥符合API 607（軟密封）、API608（金屬密封）、API 6FA的防火安全要求。旁通閥與SIS閥要求具有同樣的或者更高級別的密封。旁通閥不能用于旁通不安全的工藝過程，不能用于工藝裝置投產(chǎn)時的旁路。

4 電液與電動執(zhí)行機構(gòu)

沒有儀表風(fēng)時，SIS閥執(zhí)行機構(gòu)推薦采用單作用的電液執(zhí)行機構(gòu)。其他技術(shù)要求與氣動執(zhí)行機構(gòu)一致。

通常不推薦電動執(zhí)行機構(gòu)作為SIS閥的執(zhí)行機構(gòu)，因為電動執(zhí)行機構(gòu)在失去電源時，只能是故障保位的。在一些工程中，在既無氣源又需要考慮價格因素且通過業(yè)主批準時，可以采用電動執(zhí)行機構(gòu)作為SIS閥的執(zhí)行機構(gòu)，但是需要滿足下面的要求：

（1）防火要求。電動執(zhí)行機構(gòu)必須是防火選型，滿足防火要求。

（2）供電要求。必須有備用電源進行供電。備用電源可以是電池、UPS電源、分開獨立的供電回路等。

（3）旁路要求。無論SIS閥處于什么控制形式（就地、遠控），只要電動執(zhí)行機構(gòu)接到安全儀表系統(tǒng)的命令都能執(zhí)行緊急關(guān)或者開的命令。電動執(zhí)行機構(gòu)緊急關(guān)或者開的命令，要求能旁路本體的保護回路，如過扭矩保護、控制回路熔斷器保護、熱過載保護、電機繞組熱過載保護回路等。

（欄目主持 關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.1.033