罐区紧急切断阀的安全设计

武荆苗

(北京燕山玉龙石化工程股份有限公司，北京 102500)

近年来，石化罐区屡屡发生重特大事故，造成了严重的人身伤害、经济损失和自然环境污染，石化罐区安全生产的严峻形势引起了政府监管部门的重点关注。然而搭建及完善安全管理构架、全面贯彻落实过程安全理念是一项长期工作，与此相比，大范围推广安全仪表系统(SIS)成为了降低安全风险的一种立竿见影的有力手段。紧急切断阀作为SIS执行器，是在发生火灾、爆炸等紧急情况时，隔离火灾险情、减少泄漏危害的最后保障，因此，罐区紧急切断阀的设计在安全工程中有着举足轻重的作用。

1 设计要求

石化行业规范中，紧急切断阀泛指应急状态下手动、自动快速关闭的阀门，中石化相关企业规范中，同样强调了事故和异常状态下紧急切断阀要发挥快速紧密切断作用。由此可见，石化罐区的紧急切断阀常用于危险状况下，快速地、紧密地把易燃爆的物料与火源分开，将事故风险限制在一定的范围内。

一般来讲，罐区安全工程首先应由储运、安全、环保、自控、设备等多专业组成的分析小组进行危险与可操作分析(HAZOP)，得到实现各个安全仪表功能(SIF)的安全仪表回路对应的安全完整性等级(SIL)，紧急切断阀作为SIF的执行元件，它的选型及配置也应符合相应的SIL等级要求。有时，安全工程的开展也可不经过危险及风险分析和SIL等级评估，业主有权依据应急管理部一系列围绕危险化学品重点设施的相关政令，来确定SIL等级[1]，如《关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》(原安监总管三 [2014] 116号文)要求一级或二级重大危险源罐区设计独立的SIS[2]。

石油化工企业各类罐区的罐体结构、储存介质的性质不同，需要实现的安全功能也不尽相同。例如某油品罐区设有6座储罐，罐体为内浮顶常压储罐，单罐罐容为5×103m3，储运物料为航空煤油，火灾危险性分类为乙A类。持续进料造成液位超高，导致油品罐超压损坏泄漏、满罐溢出，最终油品泄漏，遇点火源发生火险或爆炸。因此，储运专业依据罐区规范和《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》(安监总局令第40号)，要求实现高高液位联锁关闭进料线紧急切断阀的安全功能[3]。

2 紧急切断阀的设计

SIF回路各个子系统中，紧急切断阀是执行器子系统中首先需要明确的内容。上文中提及的 “冒罐关阀”安全功能，在石化罐区尤为常见，该类罐区紧急切断阀必须考虑隔离火源的安全设计。紧急切断阀选型和配置时，多以中国石化集团公司的管理规定、石化行业选型规范及防火规范等为设计依据。下文将结合实例，分别探讨各类型罐区中紧急切断阀主要部件和防火隔离技术。

2.1 阀 体

在阀体选择上，优先选用角行程的阀门，其转动速度快，易于及时动作[4]。

全通径球阀因为结构简单，密封性能良好，支持双向流，安装灵活等特点，适用于轻质洁净油品的小口径(不大于DN200)管线。对于原油类黏度较大的物料、管线口径大于DN200，或压差较大的时候，兼顾经济性，可考虑闸阀。而涉及到沥青等黏度大的介质，一般选择V型球阀。蝶阀的耐磨性能相对逊色，笔者不推荐应用于紧急切断阀的安全设计。但是，在口径极大、黏度极大且必需进一步节约成本的特殊情况下，也可考虑，需要特殊注意的是，SIF回路的SIL等级验证时，可能面临诸如必须缩短执行器子系统的检测测试的时间间隔、 SIF回路投入使用后需要频繁地检修和维护等问题。

紧急切断阀的阀体至少应为铸钢材质，阀座与阀芯间应为硬密封，阀杆填料选择耐高温材料，连接方式选择法兰连接或焊接，不可选用对夹式。紧急切断阀的阀座泄漏等级应至少达到ANSI等级V或API 598标准，根据储运专业的要求，气源故障状态下安全阀位为关位置。

2．2 执行机构

执行机构的选型中关断时间是一个重要的参数，SH/T 3184—2017《石油化工罐区自动化系统设计规范》[5]要求关断时间不大于10 s，石化企业对液态烃球罐有特殊限定： 阀门的关断时间(以秒计)等同或小于阀门通径。阀门厂家应根据现场气源压力、关断时间、阀体形式等计算出合理的执行机构尺寸。

紧急切断阀的执行机构，优先选用单作用气缸带弹簧返回型执行机构，执行机构弹簧材质至少为带原厂耐腐蚀涂层的碳钢。在具体的工程项目中，受老旧罐区的现场条件限制，部分罐区存在现场安装空间不足、公用工程配套不完备等情况，紧急切断阀的执行机构不得不选用双作用气缸或电动执行机构。

2.2.1 单作用执行机构

液化烃饱和蒸汽压高、爆炸极限范围宽且易聚集静电，一旦泄漏，会很快与空气形成爆炸性混合物，有较高可能发生火灾和爆炸危险。液化烃球罐紧急切断阀在联锁触发后必须迅速动作，其全行程关断时间(以秒计)等同或小于阀门通径。在SH/T 3184—2017中要求液化烃罐区紧急切断阀应采用气动执行机构。如某液化烃球罐区介质为液化石油气，其进料管为DN100，采用常规的单作用带弹簧返回型气动执行机构即可满足要求。

2.2.2 双作用执行机构

口径较大的管线实现紧急切断功能，如某原油罐区储罐的进料管为DN700，选用单作用带弹簧返回式气缸的执行机构体积硕大，现有的空间不能满足，同时质量过大，对管线形成了较大的切向力，预埋隐患。考虑到该类情况，执行机构也可采用体积较小的双作用执行机构，并在气源管路上游配备压力式储气罐。储气罐的设置保证了事故状态下，阀门处于故障安全的位置。阀门厂家根据关断时间、气缸大小和气源管线尺寸及压力等实际工况参数进行核算，储气罐容积最终确定为0.5 m3，储备风量满足执行机构动作两个行程所需，以满足关断时间的要求。

2.2.3 电动执行机构

部分罐区因地理位置远离装置区，缺少完备的公用工程配套，罐区现场无可靠的仪表空气系统，在进行进料线开关阀的选型设计时，只能选择动作时间较长的电动执行机构。以某原油罐区为例，罐区下设4座大型储罐，单座罐容达1×106m3，储罐进料管为DN500，根据储运专业的流程分析及核算，液位每增高10 mm，进料时间约为20 min，因此在高高液位联锁切断进料的安全仪表回路中，对于紧急切断阀关阀动作的响应时间要求，并不严苛。在这种情况下，电动型执行机构的电源供应必须配备应急电源(如UPS，EPS，应急发电机组等)。同时，电源电缆和关阀信号电缆都选用耐火电缆，并且采取埋地的敷设方式，以保障在火灾险情发生时，控制信号可以正常传输，使得紧急切断阀及时触发关断动作。

2．3 防火及防静电

紧急切断阀的安全设计，必须考虑石化罐区失火风险，下文列举一些紧急切断阀关键的防火保护措施，以降低SIF执行器的失效概率，确保火灾隔离性能。

2.3.1 耐火测试

耐火测试指在阀门受火过程和受火后，对其承压、密封和操作性能进行的测试。石化罐区紧急切断阀必须采用经过测试并且得到防火认证的产品。一般来说，针对石化罐区的紧急切断阀，当其阀座采用软密封，且阀芯采用球型、蝶型等旋转90°的角行程阀门，需要API 607防火认证；当紧急切断阀的阀座采用硬密封，则适用API 6FA来评估其防火性能。

2.3.2 现场操作柱

在储罐围堰外且与紧急切断阀距离大于15 m处设计现场操作柱(仅一个关阀按钮)，用于在紧急情况下，现场操作人员在火灾危险区外手动关闭阀门，现场操作柱的干节点信号传输至相应的SIS。

2.3.3 易熔塞

气缸上加装易熔塞，熔点为250 ℃，当温度不小于250 ℃时易熔塞熔化，气缸压力被释放，阀门失气，回归故障安全位置(FC)使得阀门关闭[2]。

2.3.4 防火罩

防火罩暴露在1 093 ℃火焰中，可以保护紧急切断阀内部执行机构正常工作不小于30 min，符合SH/T 3005—2016《石油化工自动化仪表造型设计规范》中采用的UL1709防火标准[6]，为此，防火罩不应使用类似魔术贴等连接方式。防火罩应具有抗风化、防紫外线、防雷、耐冷、耐化学物质和酸性物质特性，且不存在有害物质，完全没有石棉衍生物。防火罩必须具有散热设施；防火罩必须在执行机构对应位置设置必要的操作检查门，方便执行机构在被保护后能够检查和操作；防火罩应考虑用于电缆进、出线的电气结构。防火罩各项功能经权威认证机构认证，出具批准证书。

2.3.5 防静电

联合罐区隐患治理涉及的介质多为易燃易爆危险品，紧急切断阀需设计防静电设施，可以避免紧急切断阀阀芯动作时，金属部件摩擦产生静电，引燃或引爆介质。

2．4 SIL等级

以某油品罐区为例，工艺专业要求实现液位超限随即切断进料的SIF，该SIF的定级为SIL2。SIF包含传感器子系统、逻辑控制器子系统和执行器子系统，各个子系统的平均失效概率(PFDavg)，都需要带入SIL验证计算后，使得SIF整体满足SIL2的要求。

2.4.1 传感器子系统

SIF的传感器子系统，由液位计构成。有“1oo1”“1oo2”“2oo2”“2oo3”等多种逻辑控制方式可供选择，该油品罐区进料线上游多涉及炼油厂、管道局的核心装置和设备，采用“1oo1”“1oo2”逻辑时，若联锁误动作，容易致使上游装置停车，经济和人员的风险成本过高，系统可用性较低。而采用“2oo2”逻辑，必须2台液位计都高高液位报警后，才能触发联锁，若其中1台液位计故障，则直接导致安全联锁回路整体失效，可靠性较差，影响控制回路的安全。储罐高高液位联锁流程如图1所示。

图1 储罐高高液位联锁流程示意

采用“2oo3”的表决结构，如图2所示，可使得系统可靠性与可用性两全其美。在“2oo3”结构投入使用后，若其中的一个液位计需要维护而被旁路时，“2oo3”表决机制自动降级为“1oo2”，联锁误报警的风险较高，可用性降低。此时操作人员应有其他措施保持对液位变化的检测和指示，避免危害的发生。图1中储罐3台液位仪表均符合IEC 61508/61511要求且得到SIL2等级认证要求。

图2 传感器采用“2oo3”功能逻辑示意

2.4.2 逻辑控制器子系统

SIF的逻辑控制器子系统的SIL等级为SIL3。

2.4.3 执行器子系统

SIF的执行器子系统由阀体、执行机构、电磁阀和继电器构成，其中阀体、执行机构和电磁阀包含在紧急切断阀的安全设计范围内，紧急切断阀要求阀门整体达到SIL2认证。在SIL1的SIF回路执行器子系统中，考虑经济性与供货周期等工程原因，阀体、执行机构以及电磁阀也可以分别经过认证满足IEC 61508规定的SIL2级。

SIF执行器子系统的SIL等级取决于其PFDavg，它是依据各个环节的平均无故障时间(MTTF)累计计算后得出的，而执行器子系统环节最多，是SIF回路中SIL等级最薄弱的环节。

为解决该问题，安全设计中可以采用“1oo2”的表决结构，冗余配置紧急切断阀，也可以缩短紧急切断阀的检测测试时间，或者在选型时尽量采用带有整体功能安全认证的阀门，尽量缩减执行器子系统的PFDavg。除了上述方法以外，因为紧急切断阀由电磁阀、执行器和阀体共同组成，一般来说，电磁阀的可靠性是较低的，常见的失效原因是线圈烧毁，并引发误关停。因此在整个系统中，电磁阀可能是最关键的仪表设备，除了在电磁阀选型时需要注意防腐、防水、耐低温的设计，还可采用“1oo2”冗余配置的电磁阀来提高阀门的可靠性，经计算软件验证，如此配置可使得执行器子系统的SIL等级限制结构约束从SIL1提升到SIL2[7]。

3 结束语

石化罐区安全设计中，紧急切断阀是直面火灾爆炸风险的急先锋，必须在选型、防火技术和后期维护使用等的各个阶段遵守各类严苛而详尽的安全规范。笔者从设计人员的角度，结合取得良好效果的安全工程实践，从设计和应用方面讨论了紧急切断阀的相关问题，为罐区紧急切断阀的工程设计，提供了参考。