慕小軍（上海亨斯邁聚氨酯有限公司，上海 2011507）

地面火炬用爆破針型閥的選型要求

慕小軍（上海亨斯邁聚氨酯有限公司，上海 2011507）

隨著世界各國(guó)用戶對(duì)于環(huán)保、安全以及與居民友好性重視程度的不斷提高，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的企業(yè)開始采用地面火炬。地面火炬的分級(jí)運(yùn)行是通過(guò)分級(jí)控制閥實(shí)現(xiàn)的。為保證分級(jí)控制閥失效時(shí)火炬系統(tǒng)仍然能夠安全地處理火炬氣，分級(jí)控制閥設(shè)置爆破針型閥作為旁路受到越來(lái)越多用戶的青睞。然而對(duì)于國(guó)內(nèi)用戶而言，爆破針型閥是一種較新的泄壓裝置，選型經(jīng)驗(yàn)欠缺，一些用戶在采購(gòu)階段甚至未能提出爆破針型閥的關(guān)鍵技術(shù)要求，造成合同執(zhí)行和貨物驗(yàn)收沒(méi)有技術(shù)依據(jù)。作者將對(duì)爆破針型閥選型時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵技術(shù)條件和應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行討論，供相關(guān)用戶在選擇時(shí)參考。

地面火炬；針形閥；爆破；泄放

火炬系統(tǒng)是煉油廠、石化廠、天然氣處理廠以及其它會(huì)產(chǎn)生可燃?xì)怏w的化工廠中必不可少的安全與環(huán)保設(shè)施，其可靠運(yùn)行對(duì)于這些工廠的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。按照燃燒器是否遠(yuǎn)離地面，火炬可以分為地面火炬和高架火炬。相對(duì)于高架火炬，地面火炬具有在整個(gè)處理能力范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)無(wú)煙燃燒、安全防護(hù)距離及占地面積較小、檢修較方便以及可以避免在火炬燃燒時(shí)造成周邊居民不必要的恐慌等優(yōu)點(diǎn)。地面火炬采取分級(jí)運(yùn)行的方式使得火炬氣在火炬頭出口處始終有足夠的速度和能量，由此保證火炬氣能夠引射足夠的空氣并形成低輻射的無(wú)煙燃燒。

為保證分級(jí)控制閥失效時(shí)火炬系統(tǒng)仍然能夠安全地處理火炬氣，分級(jí)控制閥必須設(shè)置爆破片或者爆破針型閥作為旁路，旁路的功能是在火炬系統(tǒng)內(nèi)壓力超過(guò)了設(shè)定值時(shí)自動(dòng)開啟以將火炬氣泄放至火炬頭燃燒［1，2］。

較爆破片而言，爆破針型閥具有①爆破精度高；②復(fù)位簡(jiǎn)單、無(wú)需拆卸管道，③時(shí)間短且無(wú)介質(zhì)流失；④無(wú)需定期更換；⑤易于判斷是否發(fā)生爆破；⑥可靠性可在線檢查；⑦長(zhǎng)期運(yùn)行成本低等明顯優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)新建地面火炬均采用爆破針型閥作為旁路。

1 爆破針型閥的工作原理

美國(guó)國(guó)家委員會(huì)2007年夏季簡(jiǎn)報(bào)介紹了兩種類型的爆破針型閥［3］。第一種爆破針型閥的閥瓣承受的介質(zhì)壓力通過(guò)與其一體的閥桿直接地加載在爆破針上，在爆破針失穩(wěn)時(shí)，閥瓣與閥座脫離進(jìn)而達(dá)到泄壓的目的，本文稱之為直接式爆破針型閥，如圖1所示。

圖1 直接式爆破針型閥

第二種爆破針型閥基于偏心蝶閥設(shè)計(jì)，偏心設(shè)計(jì)使得閥桿兩側(cè)蝶板所承受的介質(zhì)壓力大小不同，進(jìn)而產(chǎn)生了作用在閥桿上的扭矩。此扭矩通過(guò)如圖2所示的一系列杠桿機(jī)構(gòu)間接地加載于爆破針上。當(dāng)爆破針發(fā)生壓桿失穩(wěn)時(shí)，偏心蝶閥會(huì)開啟而達(dá)到泄壓的目的。本文稱之為間接式爆破針型閥，如圖2所示。

圖2 間接式爆破針型閥及其泄壓觸發(fā)機(jī)構(gòu)

除了上述兩種類型的爆破針型閥，有的廠家還基于直接式爆破針型閥設(shè)計(jì)了先導(dǎo)式爆破針型閥。先導(dǎo)式爆破針型閥具有反應(yīng)更加靈敏、動(dòng)作精度更高、適用于整定壓力超低工況等特點(diǎn)，是很多工況的理想選擇。

2 爆破針型閥選型要求

爆破針型閥主要由開關(guān)閥和泄壓觸發(fā)機(jī)構(gòu)兩部分組成［4］。當(dāng)系統(tǒng)壓力低于閥門的爆破壓力時(shí)，開關(guān)閥處于密封狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到閥門的爆破壓力時(shí)，泄壓觸發(fā)機(jī)構(gòu)中的爆破針會(huì)失穩(wěn)彎曲進(jìn)而觸發(fā)開關(guān)閥的開啟，從而達(dá)到泄壓的目的。

在爆破針型閥選型過(guò)程中，應(yīng)考慮爆破針型閥所處的工況條件對(duì)于開關(guān)閥和泄壓觸發(fā)機(jī)構(gòu)兩部分的要求，以保證爆破針型閥作為一個(gè)整體可以長(zhǎng)周期可靠運(yùn)行。地面火炬項(xiàng)目用爆破針型閥所處的工況有以下特點(diǎn)：

2.1 室外安裝且無(wú)頂棚；

2.2 火炬氣為易燃易爆氣體，有的火炬氣有一定的腐蝕性；

2.3 火炬氣來(lái)自工廠內(nèi)不同生產(chǎn)裝置或者壓力儲(chǔ)罐，不同來(lái)源的火炬氣在組分和溫度等方面差異很大；

2.4 爆破針型閥設(shè)定壓力通常很低。

針對(duì)以上爆破針型閥的工況特點(diǎn)，對(duì)爆破針型閥選型時(shí)應(yīng)提出的關(guān)鍵技術(shù)條件和應(yīng)注意的問(wèn)題如下：

3 爆破針型閥的泄壓觸發(fā)機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)其工作的外部環(huán)境

作為泄壓觸發(fā)機(jī)構(gòu)的心臟，爆破針的材料性能對(duì)環(huán)境溫度的敏感程度應(yīng)經(jīng)過(guò)測(cè)試，并且在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程應(yīng)充分考慮環(huán)境溫度變化對(duì)于爆破精度的影響，包括不同季節(jié)的溫度變化、環(huán)境中的灰塵、風(fēng)沙以及冰雪等。

此外，爆破針及其夾持機(jī)構(gòu)不應(yīng)對(duì)于環(huán)境中的灰塵敏感，以保證閥門的可靠性不受灰塵的影響。直接式爆破針型閥僅有一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，除非異物體積特別大，幾乎不存在因異物卡塞而失效的可能。

為了將蝶閥的扭矩轉(zhuǎn)化為作用在爆破針上的直線推力，間接式爆破針型閥采用了極為復(fù)雜的泄壓觸發(fā)機(jī)構(gòu)，此泄壓觸發(fā)機(jī)構(gòu)共涉及十幾個(gè)形狀不規(guī)則的部件，這些部件需精確配合才能保證閥門的準(zhǔn)確泄壓。任意一個(gè)部件受到異物的卡塞或者積累過(guò)多的灰塵，都會(huì)降低閥門的精度，甚至造成閥門失效。因此，直接式爆破針型閥的泄壓觸發(fā)機(jī)構(gòu)較間接式爆破針型閥更加穩(wěn)健，更加適宜室外安裝且無(wú)頂棚的工作環(huán)境。

3.1 爆破針型閥的選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足所應(yīng)用工況。

爆破針型閥的選材和設(shè)計(jì)既應(yīng)考慮閥門工作的外部環(huán)境（例如，極端環(huán)境溫度、有無(wú)鹽霧氣氛），又應(yīng)考慮閥門內(nèi)部的介質(zhì)條件（例如，介質(zhì)的溫度、腐蝕性）。

以超低溫地面火炬用爆破針型閥為例，除了滿足ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第1冊(cè)UG 138篇對(duì)于爆破針型閥設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試的最低要求之外，其設(shè)計(jì)、選材和制造還應(yīng)參考低溫閥相關(guān)國(guó)內(nèi)及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。與其它應(yīng)用于超低溫環(huán)境的閥門相同，爆破針型閥必須設(shè)置長(zhǎng)頸結(jié)構(gòu)，以使閥桿填料和泄壓觸發(fā)機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離超低溫介質(zhì)，進(jìn)而防止閥體/閥桿內(nèi)的超低溫介質(zhì)會(huì)損壞填料和泄壓觸發(fā)機(jī)構(gòu)的功能，并且閥門應(yīng)采用奧氏體不銹鋼或者更優(yōu)的材料。

3.2 爆破針型閥必須擁有良好的密封性能。

SH 3009-2013規(guī)定“由于地面火炬燃燒器安裝在地面上，各分級(jí)管道上的控制閥和旁路上的爆破針閥一旦發(fā)生泄漏，火炬氣將聚集在地面火炬設(shè)施周圍，可能引發(fā)安全事故，因此控制閥和爆破針閥的密封性能一定要好”。

爆破針型閥至少有兩處動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，一處是閥座與閥瓣之間的密封，另一處是閥桿與閥蓋之間的密封。這兩處動(dòng)密封是爆破針型閥設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)也是難點(diǎn)，地面火炬用爆破針型閥更是如此。原因是，地面火炬用爆破針型閥的整定壓力通常較低，且受到火炬上游裝置最大允許背壓及火炬氣管道直徑等工藝條件的限制很難提高。

壓力很低意味著動(dòng)力（即介質(zhì)壓力在閥瓣上產(chǎn)生的推力或扭矩）十分有限。爆破針型閥精度的主要決定因素是相關(guān)摩擦力與介質(zhì)動(dòng)力相比較所占的比例，為了在動(dòng)力較低的情況下保證爆破精度，廠家會(huì)竭盡所能的降低密封副之間的摩擦力，即降低密封之間的接觸壓力或者接觸寬度，這意味著在一定程度上犧牲密封性能。

較直接式爆破針型閥而言，間接式爆破針型閥應(yīng)用于低壓工況時(shí)設(shè)計(jì)更為困難。原因是，旋轉(zhuǎn)型爆破針型閥通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)向爆破針傳遞的是介質(zhì)動(dòng)力（壓力在閥桿兩側(cè)的蝶板面積上產(chǎn)生的力的差值）克服密封副之間摩擦力后的剩余力，杠桿機(jī)構(gòu)不能改變摩擦力與介質(zhì)動(dòng)力相比較的比例，即杠桿機(jī)構(gòu)不能提高其精度，而且杠桿機(jī)構(gòu)各元件之間的摩擦力還會(huì)進(jìn)一步降低其精度。介質(zhì)壓力被部分地、間接地傳遞的本質(zhì)決定了間接式爆破針型閥的精度更加難以控制，結(jié)果是間接式爆破針型閥所選用的密封元件遠(yuǎn)細(xì)于直線型爆破針型閥。

間接式爆破針型閥的設(shè)計(jì)原理決定了其密封系統(tǒng)更為脆弱，密封性能很難保證。國(guó)外某項(xiàng)目曾發(fā)生由于間接式爆破針型閥內(nèi)漏而造成的回火爆炸事故。事故調(diào)查結(jié)論顯示，爆破針型閥在密封元件未出現(xiàn)明顯磨損的情況下發(fā)生了泄漏，原因是密封元件過(guò)細(xì)，難以保證長(zhǎng)期可靠密封。并且在事故調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)被測(cè)間接式爆破針型閥同時(shí)也存在外漏問(wèn)題［5］。

3.3 爆破針型閥應(yīng)考慮火災(zāi)工況。

如上文所述，由于爆破針型閥的設(shè)定壓力很低，其兩處動(dòng)密封均不可能采用金屬密封，因而爆破針型閥本身很難做到防火設(shè)計(jì)（即在火災(zāi)工況下兩處動(dòng)密封不失效）。為最大程度地減少火災(zāi)造成的危害，將損失降到最小，一種可行的方案是采用易熔金屬材料作為爆破針夾持螺母，夾持螺母會(huì)在火災(zāi)發(fā)生時(shí)熔化，若管道內(nèi)存在一定壓力的火炬氣，爆破針型閥會(huì)自動(dòng)開啟，火炬氣泄放至火炬頭處燃燒，避免了火炬氣在分級(jí)區(qū)域助燃或爆炸，也就是閥門自動(dòng)調(diào)整至了危害最小的狀態(tài)。

3.4 爆破針型閥需要進(jìn)行殼體壓力、閥座密封和動(dòng)作性能試驗(yàn)后方能出廠

對(duì)于閥座密封試驗(yàn)，如果沒(méi)有特殊要求，廠家通常選取的試驗(yàn)壓力為整定壓力的90%［7］?？紤]到地面火炬項(xiàng)目整定壓力通常較低，以及閥座密封性能對(duì)于火炬系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要性，可要求廠家適當(dāng)提高試驗(yàn)壓力和保壓時(shí)間。

對(duì)于動(dòng)作性能試驗(yàn)，廠家通常使用常溫介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)。若實(shí)際工況下介質(zhì)溫度與常溫差距很大，例如介質(zhì)為超低溫，則應(yīng)考慮要求廠家抽取一定數(shù)量的閥門使用超低溫介質(zhì)進(jìn)行動(dòng)作性能試驗(yàn)，以保證閥門在實(shí)際使用中的動(dòng)作性能。軟密封材料的膨脹系數(shù)較金屬材料大得多，其低溫時(shí)的收縮量會(huì)比與之配合的金屬部件大得多，它們之間的配合狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，僅進(jìn)行常溫下進(jìn)行的動(dòng)作性能試驗(yàn)結(jié)果并不能說(shuō)明閥門在超低溫狀態(tài)下的性能，因此，需要使用超低溫介質(zhì)進(jìn)行動(dòng)作性能試驗(yàn)。

3.5 爆破針型閥需要選擇合適的爆破精度。

爆破針型閥精度的提高在一定程度上有利于降低整個(gè)地面火炬的投資。分級(jí)壓力對(duì)于地面火炬項(xiàng)目是十分珍貴的資源，因?yàn)榉旨?jí)壓力的提高意味著燃燒器數(shù)量和所需級(jí)數(shù)的降低，意味著投資成本的降低。分級(jí)壓力的提高受制于分級(jí)管道前總管最高允許背壓和分級(jí)旁路泄壓裝置的性能兩個(gè)因素。分級(jí)管道前總管的最高允許背壓由火炬上游裝置邊界處的最大允許背壓以及火炬氣管網(wǎng)的設(shè)計(jì)共同決定，在不增加投資的情況下很難提高。

提高分級(jí)壓力的可能途徑是采用精度更高的爆破針型閥。假設(shè)，分級(jí)管道前總管最高允許背壓為P，爆破針型閥的整定壓力為P set，爆破精度為±x%，分級(jí)壓力為P staging，則這些壓力應(yīng)滿足：

3.5.1 P＞Pset×（1+x%），即總管最高允許背壓應(yīng)嚴(yán)格高于爆破針型閥可能爆破壓力的最高值，否則上游裝置可能會(huì)損壞；

3.5.2 Pstaging＜P set×（1-x%）＜P（1-x%）/（1+x%）=P［2/（1+x%）-1］，即分級(jí)壓力應(yīng)低于爆破針型閥可能爆破壓力的最低值，否則可能會(huì)造成泄壓裝置的頻繁誤報(bào)，給最終用戶帶來(lái)額外麻煩及成本。

這些壓力之間的關(guān)系如圖3所示：

圖3 地面火炬各關(guān)鍵壓力間的關(guān)系圖

顯然，火炬氣總管的最高允許背壓一定的情況下，所采用的爆破針型閥精度越高，分級(jí)壓力會(huì)越高，越有利于減少燃燒器的數(shù)量和火炬級(jí)數(shù)并進(jìn)而降低整個(gè)地面火炬的總投資。

值得注意的是，ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第1冊(cè)對(duì)于爆破針型閥的精度要求為：當(dāng)爆破針型閥的整定壓力高于300kPa時(shí)，精度為±5%；當(dāng)爆破針型閥的整定壓力低于300kPa時(shí)，精度為±15kPa［6］。這一要求是針對(duì)所有行業(yè)壓力容器與壓力管道的最低要求，并沒(méi)有顧及地面火炬的特殊性。地面火炬爆破針型閥的整定壓力通常較低，僅僅滿足ASME的要求，并不能滿足地面火炬的需求。因此，在采購(gòu)階段應(yīng)對(duì)爆破針型閥的精度提出明確要求。

4 結(jié)語(yǔ)

地面火炬的工況條件十分特殊，ASME標(biāo)準(zhǔn)作為一個(gè)通用性標(biāo)準(zhǔn)并不能全方位地覆蓋對(duì)于地面火炬用爆破針型閥的要求，地面火炬用戶和設(shè)計(jì)方應(yīng)按照實(shí)際工況要求提出對(duì)于爆破針型閥的具體要求，作為合同執(zhí)行和貨物驗(yàn)收的技術(shù)依據(jù)，以保證設(shè)備的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

［1］API Std 537，F(xiàn)lare Details for General Refineryand Petro?chemical Service，2008.

［2］SH 3009，石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，2013.

［3］Joseph F.Ball.New Pressure Relief Device Designs，Na?tional Board Bulletin，2007（Summer）.

［4］API RP 520，煉油廠壓力泄放裝置的定徑、選擇和安裝，2001.

［5］R.Allen.Incident Report for Flare Flashback Explosion In?cident.2012.http：//free.yudu.com/item/details/2381993/Flash?back-Explosion-Investigation-Report.

［6］ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第1冊(cè)，2010.

［7］API Std 527，Seat Tightness of Pressure Relief Valves，1991.