石油化工油品儲罐罐根控制閥工程設計
發布時間：
2023-08-25 09:21
油品儲罐是石油化工生產的重要設備，用于存儲液態烴類物料。油品儲罐所存物料具有易燃、易爆或有毒的特點，因此，油品罐區一般都是重大危險源。近年來，油品儲罐是政府重點監管的設施，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) 運行參數超過安全運行限值時聯鎖停車，罐區發生火災時聯鎖停車，聯動消防。
在上述監控措施中，檢測、指示、報警是基本措施，聯鎖停車是關鍵措施。聯鎖停車是新的法規法令、標準規范中特別強調的措施，也是安全檢查的重點。聯鎖停車主要是關閉儲罐進料或出料，或同時關閉進料和出料。根據安全分析，及時遠程關閉進料、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。
罐根控制閥包括進料閥和出料閥。因石油化工油品儲罐不會同時進料和出料，因此進料閥、出料閥常常合用1臺控制閥。罐根控制閥主要有如下用途：液位高高時聯鎖切斷進料，液位低低時聯鎖切斷出料。罐區發生泄漏、火災等嚴重事故時同時切斷進料和出料。
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。在執行過程中，技術人員之間理解不一致，導致設計方案五花八門。設計院與業主之間、企業與安全管理行政部門之間爭議不斷，給設計、施工、生產、安全監管人員造成許多煩惱，這無疑會影響罐根控制閥的安全可靠性、運行可用性、投資經濟性。
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，筆者進行了多方面的研究、探索、實踐，在此分享粗淺認識，供參考、批評、指正。
1 設計策略
在開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：
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。針對閥門的用途，理清可用性需求。當罐根控制閥作為下游裝置的進料控制閥或上游裝置的出料控制閥時，一旦關閉，將造成與之相連的裝置停車，這種用途的罐根控制閥必須高度重視其可用性。要落實在執行機構的選型、動力源的保障、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，需要對閥門采取防火措施。發生火災時，在有限的時間內仍能夠遠程遙控閥門關閉。
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：關閉嚴密，泄漏量小；閥門質量小，減少對罐體的影響；閥門體積小，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。
閘閥為直行程閥，具有技術成熟、運行可靠、價格便宜、關閉嚴密的特點；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，關閥所需時間長。
閘閥按閘板數量和切斷方式分為單閘板和雙閘板閘閥。單閘板閘閥結構簡單、體積小、質量小，但所需要的開啟力大。雙閘板閘閥關閉嚴密性更好，所需開啟力小，但結構更復雜，體積更大，質量更大。
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閉嚴密，但是制造加工難度大，價格貴。
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，或工藝介質含固體顆粒、殘渣或介質易結晶、易凝固的管道。
球閥為角行程閥，具有體積小、行程小、關閉時間短、關閉嚴密、運行可靠的特點，且所需安裝空間小，所需安裝、維護設施簡單。但制造加工難度大，價格高，尤其是大口徑球閥，價格昂貴。
蝶閥為角行程閥，蝶閥集中了閘閥、球閥的優點，克服了閘閥、球閥的劣勢。但是，看似簡單的蝶閥，所需制造加工技術水平很高，否則，可能會因閥板振動大，導致控制閥故障率高，可用性低；可能會關閉不嚴密，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。但隨著制造技術水平的提高，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如下：
1) 儲存汽油、煤油、柴油等無特殊腐蝕、無固體雜質、高黏度介質的儲罐，罐根控制閥宜選用普通型單閘板閘閥。閥門口徑小于DN 150時，宜選用單閘板楔式閘閥；閥門口徑不小于DN 150時，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的儲罐，罐根控制閥宜選用雙閘板閘閥，避免介質對閥板與閥座間密封環溶解損壞，導致閥門內漏。
3) 儲存高毒液體介質的儲罐，罐根控制閥宜選用雙閘板閘閥，提高關閉嚴密性、可靠性。
4) 儲存原油、渣油、污油等可能含固體雜質或高黏度介質的儲罐，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、氨等介質的壓力罐，筆者建議罐根控制閥宜采用球閥。
3 執行機構類別選擇
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、本企業集團標準針對該閥的相關規定。例如：AQ 3053—2015《立式圓筒形鋼制焊接儲罐安全技術規程》規定：立式鋼制儲罐罐根控制閥可選用的執行機構有氣動執行機構、電動執行機構、電液執行機構。《中國石油化工集團公司液化烴球罐區安全技術管理暫行規定》(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執行機構、電動執行機構、電液執行機構，優先選用氣動執行機構。
氣動執行機構技術成熟，維修簡單，價格較低，可以實現故障安全模式。但是，它的尺寸、質量、配管配線工程量都大。
電動執行機構技術比較成熟，尺寸小，質量小，價格較高，配管配線工程量小。目前主流產品尚不能實現故障安全模式，只有少數廠商可提供帶預儲能的故障安全型產品，且多限制在小口徑、小行程、直行程類閥門。可靠性有待進一步驗證。
電液執行機構技術復雜，可實現故障安全模式，價格高，目前多為進口產品。
根據上述分析，罐根控制閥選擇意見如下：如果用以承擔聯鎖保護安全功能，應優先選用氣動執行機構；如果不承擔聯鎖保護安全功能，可選用氣動執行機構，也可選用電動執行機構。
4 罐根控制閥故障模式選擇與實現方式
罐根控制閥的故障模式應根據閥門的用途、功能選擇，通過綜合措施實現。
因電動閥基本用于非故障安全模式，電液閥、電動閥實現故障模式的工程設計簡單，而氣動閥實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閥故障模式的實現。
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(FC)。
實現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，配事故風罐。
根據目前的制造水平，綜合可靠性、可用性、經濟性因素，筆者建議：口徑小于DN300的閥門選用單作用式彈簧復位單氣缸執行機構；口徑不小于DN300的閥門選用雙作用式雙氣缸執行機構，配事故風罐。
4.2 執行非安全功能的罐根控制閥
該類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料罐，或上游裝置的儲料罐，罐根控制閥宜配事故風罐，既可保證供風中斷時閥門能可靠保位，又能保證發生事故時能遙控關閥，同時提高了生產可用性和安全可靠性。
5 氣動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“兩位四通”電磁閥，或1個“兩位五通”電磁閥，或2個“兩位三通”電磁閥。
2) 選用單電控電磁閥。
3) 正常時電磁閥帶電，控制閥打開；聯鎖時電磁閥失電，控制閥關閉；氣源中斷時控制閥關閉。
4) 閥門宜配套帶控訊箱。從控訊箱至控制室的電纜有多種配線方案。例如：配置2個電磁閥時，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。其他配置配線可以此類推。配線方案結合業主要求、所選控制閥、控制系統的需求決定。從控訊箱至現場遙控開關電纜采用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“兩位四通”電磁閥，或1個“兩位五通”電磁閥，或2個“兩位三通”電磁閥。
2) 選用單電控電磁閥。
3) 正常時電磁閥不帶電，控制閥打開；聯鎖時電磁閥帶電，控制閥關閉；氣源中斷時控制閥保位。
4) 控訊箱、現場遙控開關、電纜配線方案同上，不再贅述。
6 防火要求和措施
6.1 要求
以前，國內標準規范、法規法令基本沒有要求儀表設備防火問題。近年來，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，防火問題成了爭議性大的熱點話題，其中罐根控制閥是否要求防火就是熱點中之焦點。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極端：一個是認為有必要防火，或為了減少爭議，不惜投資，全部防火；另一個是認為沒必要，全部不防火，以上兩點都不符合工程設計原則。
筆者認為，關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，本行業的標準規范要求，本企業集團的要求，并選擇嚴格的條款執行。例如：
AQ3053—2015中，關于立式鋼制儲罐罐根控制閥防火要求：當執行機構為電動型時，其電源電纜、信號電纜和執行機構應作防火保護。《中國石油化工集團公司液化烴球罐區安全技術管理暫行規定》(中石化安〔2010〕635號)，關于液化烴球罐罐根控制閥防火要求：當執行機構為電動型時，其電源電纜、信號電纜和執行機構應作防火保護。氣動執行機構安裝易熔塞，發生火災時自動關閉。閥門密封填料選用耐火型。《液化烴球罐緊急切斷閥選型設計規定》(中國石化〔2011〕建518號)，關于液化烴球罐罐根控制閥防火要求：各類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，抵抗烴類火災30 min。氣動閥的氣動控制管路或氣缸要安裝易熔塞。閥門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。《罐區隱患整改攻堅戰指導意見》(中石化安〔2016〕39號)，關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，在滿足以上要求的基礎上，設計單位和業主應根據存儲介質性質、介質儲量、閥門動作原理等進一步進行風險評估。根據風險、投資、業主安全理念來綜合比較，確定除了標準已要求的，其他場景下的罐根控制閥是否需要進行防火設計。例如：有的標準要求電動閥應該防火，對其他閥沒要求。筆者認為，在這種應用場景下，雙作用式雙氣缸氣動閥同樣也需要作防火保護。因為兩者都存在火災時閥門執行機構失效從而無法遙控關閉閥門的問題。
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。這無疑給防火效果帶來不確定性，給安全生產帶來隱患，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，本行業的標準規范要求，本企業集團的要求，并選擇嚴格的條款執行。在該基礎上要從本質上認識防火措施。防火措施源自安全、穩定、長周期生產目標對罐根控制閥的功能和性能需求。主要功能、性能需求：當發生事故后，閥門處于火災區域時，在有限的時間內，能夠遠程關閉罐根閥，或罐根閥因受熱而自動關閉；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) 閥體材質至少為鑄鋼。
3) 閥體整體應符合API 607：2016或API 6FA：2018耐火實驗標準。
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、電液執行機構應加防火罩；動力電纜、控制電纜選用耐火電纜，或作耐火保護；電動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，配事故風罐。控制信號電纜采用耐火電纜，或做耐火保護。有的規定要求該型氣動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。筆者認為無需再加裝易熔塞，這是由雙作用式雙氣缸氣動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。火災時易熔塞熔化，執行機構失氣，閥門在彈簧彈力作用下自行關閉。易熔塞熔點溫度宜為250 ℃。一些規定要求該型氣動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，僅僅為了實現火災安全型的目的，對該型氣動執行機構只需要加裝易熔塞即可，沒有必要再加防火罩，因為已經實現了關閥的目的。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。選用其他密封填料需滿足API607：2016或API6FA：2018的要求。
2) 工藝介質為苯、液氨等高毒性物質或物料中wH2S≥1×10-3時，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，采用波紋管密封；口徑大于DN 80的閥門，采用雙層密封填料。
7.2 手輪與閥位開關
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關，包括全開位置開關和全關位置開關；在控制室操作站應設置關閥超時報警，以確保閥門按命令真正關閉。
7.3 現場遙控開關
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閉和現場遙控關閉的功能。在罐區防火堤外巡檢入口處，設現場遙控開關。遙控開關宜輸出兩對觸點，其中一對接至閥門控訊箱，直接控制閥門關閉；另一對接至控制室進行報警、記錄、聯鎖控制。建議該遙控開關在罐根控制閥規格書/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，正確配線，準確實現所要求的功能。
8 結束語
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、安裝等相關標準。筆者認為，對罐根控制閥的技術要求，目前國內還處于不斷認識、不斷完善、不斷統一的過程。隨著經濟的發展，安全理念的提高，制造技術的進步，對罐根控制閥的技術要求也會變化，設計方案也會不斷改進。
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