武荊苗

(北京燕山玉龍石化工程股份有限公司，北京 102500)

近年來，石化罐區(qū)屢屢發(fā)生重特大事故，造成了嚴重的人身傷害、經濟損失和自然環(huán)境污染，石化罐區(qū)安全生產的嚴峻形勢引起了政府監(jiān)管部門的重點關注。然而搭建及完善安全管理構架、全面貫徹落實過程安全理念是一項長期工作，與此相比，大范圍推廣安全儀表系統(SIS)成為了降低安全風險的一種立竿見影的有力手段。緊急切斷閥作為SIS執(zhí)行器，是在發(fā)生火災、爆炸等緊急情況時，隔離火災險情、減少泄漏危害的最后保障，因此，罐區(qū)緊急切斷閥的設計在安全工程中有著舉足輕重的作用。

1 設計要求

石化行業(yè)規(guī)范中，緊急切斷閥泛指應急狀態(tài)下手動、自動快速關閉的閥門，中石化相關企業(yè)規(guī)范中，同樣強調了事故和異常狀態(tài)下緊急切斷閥要發(fā)揮快速緊密切斷作用。由此可見，石化罐區(qū)的緊急切斷閥常用于危險狀況下，快速地、緊密地把易燃爆的物料與火源分開，將事故風險限制在一定的范圍內。

一般來講，罐區(qū)安全工程首先應由儲運、安全、環(huán)保、自控、設備等多專業(yè)組成的分析小組進行危險與可操作分析(HAZOP)，得到實現各個安全儀表功能(SIF)的安全儀表回路對應的安全完整性等級(SIL)，緊急切斷閥作為SIF的執(zhí)行元件，它的選型及配置也應符合相應的SIL等級要求。有時，安全工程的開展也可不經過危險及風險分析和SIL等級評估，業(yè)主有權依據應急管理部一系列圍繞危險化學品重點設施的相關政令，來確定SIL等級[1]，如《關于加強化工安全儀表系統管理的指導意見》(原安監(jiān)總管三 [2014] 116號文)要求一級或二級重大危險源罐區(qū)設計獨立的SIS[2]。

石油化工企業(yè)各類罐區(qū)的罐體結構、儲存介質的性質不同，需要實現的安全功能也不盡相同。例如某油品罐區(qū)設有6座儲罐，罐體為內浮頂常壓儲罐，單罐罐容為5×103m3，儲運物料為航空煤油，火災危險性分類為乙A類。持續(xù)進料造成液位超高，導致油品罐超壓損壞泄漏、滿罐溢出，最終油品泄漏，遇點火源發(fā)生火險或爆炸。因此，儲運專業(yè)依據罐區(qū)規(guī)范和《危險化學品重大危險源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》(安監(jiān)總局令第40號)，要求實現高高液位聯鎖關閉進料線緊急切斷閥的安全功能[3]。

2 緊急切斷閥的設計

SIF回路各個子系統中，緊急切斷閥是執(zhí)行器子系統中首先需要明確的內容。上文中提及的 “冒罐關閥”安全功能，在石化罐區(qū)尤為常見，該類罐區(qū)緊急切斷閥必須考慮隔離火源的安全設計。緊急切斷閥選型和配置時，多以中國石化集團公司的管理規(guī)定、石化行業(yè)選型規(guī)范及防火規(guī)范等為設計依據。下文將結合實例，分別探討各類型罐區(qū)中緊急切斷閥主要部件和防火隔離技術。

2.1 閥 體

在閥體選擇上，優(yōu)先選用角行程的閥門，其轉動速度快，易于及時動作[4]。

全通徑球閥因為結構簡單，密封性能良好，支持雙向流，安裝靈活等特點，適用于輕質潔凈油品的小口徑(不大于DN200)管線。對于原油類黏度較大的物料、管線口徑大于DN200，或壓差較大的時候，兼顧經濟性，可考慮閘閥。而涉及到瀝青等黏度大的介質，一般選擇V型球閥。蝶閥的耐磨性能相對遜色，筆者不推薦應用于緊急切斷閥的安全設計。但是，在口徑極大、黏度極大且必需進一步節(jié)約成本的特殊情況下，也可考慮，需要特殊注意的是，SIF回路的SIL等級驗證時，可能面臨諸如必須縮短執(zhí)行器子系統的檢測測試的時間間隔、 SIF回路投入使用后需要頻繁地檢修和維護等問題。

緊急切斷閥的閥體至少應為鑄鋼材質，閥座與閥芯間應為硬密封，閥桿填料選擇耐高溫材料，連接方式選擇法蘭連接或焊接，不可選用對夾式。緊急切斷閥的閥座泄漏等級應至少達到ANSI等級V或API 598標準，根據儲運專業(yè)的要求，氣源故障狀態(tài)下安全閥位為關位置。

2．2 執(zhí)行機構

執(zhí)行機構的選型中關斷時間是一個重要的參數，SH/T 3184—2017《石油化工罐區(qū)自動化系統設計規(guī)范》[5]要求關斷時間不大于10 s，石化企業(yè)對液態(tài)烴球罐有特殊限定： 閥門的關斷時間(以秒計)等同或小于閥門通徑。閥門廠家應根據現場氣源壓力、關斷時間、閥體形式等計算出合理的執(zhí)行機構尺寸。

緊急切斷閥的執(zhí)行機構，優(yōu)先選用單作用氣缸帶彈簧返回型執(zhí)行機構，執(zhí)行機構彈簧材質至少為帶原廠耐腐蝕涂層的碳鋼。在具體的工程項目中，受老舊罐區(qū)的現場條件限制，部分罐區(qū)存在現場安裝空間不足、公用工程配套不完備等情況，緊急切斷閥的執(zhí)行機構不得不選用雙作用氣缸或電動執(zhí)行機構。

2.2.1 單作用執(zhí)行機構

液化烴飽和蒸汽壓高、爆炸極限范圍寬且易聚集靜電，一旦泄漏，會很快與空氣形成爆炸性混合物，有較高可能發(fā)生火災和爆炸危險。液化烴球罐緊急切斷閥在聯鎖觸發(fā)后必須迅速動作，其全行程關斷時間(以秒計)等同或小于閥門通徑。在SH/T 3184—2017中要求液化烴罐區(qū)緊急切斷閥應采用氣動執(zhí)行機構。如某液化烴球罐區(qū)介質為液化石油氣，其進料管為DN100，采用常規(guī)的單作用帶彈簧返回型氣動執(zhí)行機構即可滿足要求。

2.2.2 雙作用執(zhí)行機構

口徑較大的管線實現緊急切斷功能，如某原油罐區(qū)儲罐的進料管為DN700，選用單作用帶彈簧返回式氣缸的執(zhí)行機構體積碩大，現有的空間不能滿足，同時質量過大，對管線形成了較大的切向力，預埋隱患。考慮到該類情況，執(zhí)行機構也可采用體積較小的雙作用執(zhí)行機構，并在氣源管路上游配備壓力式儲氣罐。儲氣罐的設置保證了事故狀態(tài)下，閥門處于故障安全的位置。閥門廠家根據關斷時間、氣缸大小和氣源管線尺寸及壓力等實際工況參數進行核算，儲氣罐容積最終確定為0.5 m3，儲備風量滿足執(zhí)行機構動作兩個行程所需，以滿足關斷時間的要求。

2.2.3 電動執(zhí)行機構

部分罐區(qū)因地理位置遠離裝置區(qū)，缺少完備的公用工程配套，罐區(qū)現場無可靠的儀表空氣系統，在進行進料線開關閥的選型設計時，只能選擇動作時間較長的電動執(zhí)行機構。以某原油罐區(qū)為例，罐區(qū)下設4座大型儲罐，單座罐容達1×106m3，儲罐進料管為DN500，根據儲運專業(yè)的流程分析及核算，液位每增高10 mm，進料時間約為20 min，因此在高高液位聯鎖切斷進料的安全儀表回路中，對于緊急切斷閥關閥動作的響應時間要求，并不嚴苛。在這種情況下，電動型執(zhí)行機構的電源供應必須配備應急電源(如UPS，EPS，應急發(fā)電機組等)。同時，電源電纜和關閥信號電纜都選用耐火電纜，并且采取埋地的敷設方式，以保障在火災險情發(fā)生時，控制信號可以正常傳輸，使得緊急切斷閥及時觸發(fā)關斷動作。

2．3 防火及防靜電

緊急切斷閥的安全設計，必須考慮石化罐區(qū)失火風險，下文列舉一些緊急切斷閥關鍵的防火保護措施，以降低SIF執(zhí)行器的失效概率，確保火災隔離性能。

2.3.1 耐火測試

耐火測試指在閥門受火過程和受火后，對其承壓、密封和操作性能進行的測試。石化罐區(qū)緊急切斷閥必須采用經過測試并且得到防火認證的產品。一般來說，針對石化罐區(qū)的緊急切斷閥，當其閥座采用軟密封，且閥芯采用球型、蝶型等旋轉90°的角行程閥門，需要API 607防火認證；當緊急切斷閥的閥座采用硬密封，則適用API 6FA來評估其防火性能。

2.3.2 現場操作柱

在儲罐圍堰外且與緊急切斷閥距離大于15 m處設計現場操作柱(僅一個關閥按鈕)，用于在緊急情況下，現場操作人員在火災危險區(qū)外手動關閉閥門，現場操作柱的干節(jié)點信號傳輸至相應的SIS。

2.3.3 易熔塞

氣缸上加裝易熔塞，熔點為250 ℃，當溫度不小于250 ℃時易熔塞熔化，氣缸壓力被釋放，閥門失氣，回歸故障安全位置(FC)使得閥門關閉[2]。

2.3.4 防火罩

防火罩暴露在1 093 ℃火焰中，可以保護緊急切斷閥內部執(zhí)行機構正常工作不小于30 min，符合SH/T 3005—2016《石油化工自動化儀表造型設計規(guī)范》中采用的UL1709防火標準[6]，為此，防火罩不應使用類似魔術貼等連接方式。防火罩應具有抗風化、防紫外線、防雷、耐冷、耐化學物質和酸性物質特性，且不存在有害物質，完全沒有石棉衍生物。防火罩必須具有散熱設施；防火罩必須在執(zhí)行機構對應位置設置必要的操作檢查門，方便執(zhí)行機構在被保護后能夠檢查和操作；防火罩應考慮用于電纜進、出線的電氣結構。防火罩各項功能經權威認證機構認證，出具批準證書。

2.3.5 防靜電

聯合罐區(qū)隱患治理涉及的介質多為易燃易爆危險品，緊急切斷閥需設計防靜電設施，可以避免緊急切斷閥閥芯動作時，金屬部件摩擦產生靜電，引燃或引爆介質。

2．4 SIL等級

以某油品罐區(qū)為例，工藝專業(yè)要求實現液位超限隨即切斷進料的SIF，該SIF的定級為SIL2。SIF包含傳感器子系統、邏輯控制器子系統和執(zhí)行器子系統，各個子系統的平均失效概率(PFDavg)，都需要帶入SIL驗證計算后，使得SIF整體滿足SIL2的要求。

2.4.1 傳感器子系統

SIF的傳感器子系統，由液位計構成。有“1oo1”“1oo2”“2oo2”“2oo3”等多種邏輯控制方式可供選擇，該油品罐區(qū)進料線上游多涉及煉油廠、管道局的核心裝置和設備，采用“1oo1”“1oo2”邏輯時，若聯鎖誤動作，容易致使上游裝置停車，經濟和人員的風險成本過高，系統可用性較低。而采用“2oo2”邏輯，必須2臺液位計都高高液位報警后，才能觸發(fā)聯鎖，若其中1臺液位計故障，則直接導致安全聯鎖回路整體失效，可靠性較差，影響控制回路的安全。儲罐高高液位聯鎖流程如圖1所示。

圖1 儲罐高高液位聯鎖流程示意

采用“2oo3”的表決結構，如圖2所示，可使得系統可靠性與可用性兩全其美。在“2oo3”結構投入使用后，若其中的一個液位計需要維護而被旁路時，“2oo3”表決機制自動降級為“1oo2”，聯鎖誤報警的風險較高，可用性降低。此時操作人員應有其他措施保持對液位變化的檢測和指示，避免危害的發(fā)生。圖1中儲罐3臺液位儀表均符合IEC 61508/61511要求且得到SIL2等級認證要求。

圖2 傳感器采用“2oo3”功能邏輯示意

2.4.2 邏輯控制器子系統

SIF的邏輯控制器子系統的SIL等級為SIL3。

2.4.3 執(zhí)行器子系統

SIF的執(zhí)行器子系統由閥體、執(zhí)行機構、電磁閥和繼電器構成，其中閥體、執(zhí)行機構和電磁閥包含在緊急切斷閥的安全設計范圍內，緊急切斷閥要求閥門整體達到SIL2認證。在SIL1的SIF回路執(zhí)行器子系統中，考慮經濟性與供貨周期等工程原因，閥體、執(zhí)行機構以及電磁閥也可以分別經過認證滿足IEC 61508規(guī)定的SIL2級。

SIF執(zhí)行器子系統的SIL等級取決于其PFDavg，它是依據各個環(huán)節(jié)的平均無故障時間(MTTF)累計計算后得出的，而執(zhí)行器子系統環(huán)節(jié)最多，是SIF回路中SIL等級最薄弱的環(huán)節(jié)。

為解決該問題，安全設計中可以采用“1oo2”的表決結構，冗余配置緊急切斷閥，也可以縮短緊急切斷閥的檢測測試時間，或者在選型時盡量采用帶有整體功能安全認證的閥門，盡量縮減執(zhí)行器子系統的PFDavg。除了上述方法以外，因為緊急切斷閥由電磁閥、執(zhí)行器和閥體共同組成，一般來說，電磁閥的可靠性是較低的，常見的失效原因是線圈燒毀，并引發(fā)誤關停。因此在整個系統中，電磁閥可能是最關鍵的儀表設備，除了在電磁閥選型時需要注意防腐、防水、耐低溫的設計，還可采用“1oo2”冗余配置的電磁閥來提高閥門的可靠性，經計算軟件驗證，如此配置可使得執(zhí)行器子系統的SIL等級限制結構約束從SIL1提升到SIL2[7]。

3 結束語

石化罐區(qū)安全設計中，緊急切斷閥是直面火災爆炸風險的急先鋒，必須在選型、防火技術和后期維護使用等的各個階段遵守各類嚴苛而詳盡的安全規(guī)范。筆者從設計人員的角度，結合取得良好效果的安全工程實踐，從設計和應用方面討論了緊急切斷閥的相關問題，為罐區(qū)緊急切斷閥的工程設計，提供了參考。