火灾安全型切断球阀的选型及相关设计.pdf

第 4 7卷第 3 期 2 0 1 1年 6月 石油化工自动化 AUT0M AT1 0N I N PETRO- CHEM I CAL I NDUSTRY Vo 1 ． 4 7。No ． 3 J u n e ，2 0 1 1 火灾安全 型切断球 阀的选型及 相关设计 任振寰 中 国天 辰 工 程 有 限公 司北 京 分 公 司 ， 北 京1 0 0 0 2 9 摘要 控制阀作为最终执行元件， 其安全性历来是关注的焦点。仅仅关注阀门调节品质， 并考虑其准确性、 可靠性是远远 不够的， 同时还要考虑管道及 阀门等部件的泄漏问题 ， 从而 避免因为外部 火灾而 引起 管道或设备 内部物料 的燃烧 。在该前 提 下 ， F i r e S a f e ， 火灾安全型阀门， F u s i b l e L i n k等概念被相继引入。针对火灾安 全型软密封切断球 阀， 介绍了其火 灾安全功能 和 防静电功能 ， 以及球 阀本体选择的注意事项 ， 并探讨 了提高球阀火灾 安全性 的方法 ， 值得广大工程人员借鉴和参考 。 关键 词 火灾安全 ； 火灾安全阀 ； 切断球 阀 中圈分类号 T P 2 1 4 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 1 0 3 0 0 1 4 0 3 S e l e c t i o n a n d En g i ne e r i ng o n Fi r e S a f e S hu t of f Ba l i Va l v e Ra n Zhe n hu a n Ch i n a Ti a n c h e n En g i n e r i n g Co r p o r a t i o n Be i j i n g Br a n c h， B e i j i n g， 1 0 0 0 2 9 ， Ch i n a Ab s t r a c t Co nt r o l v a l v e，a s t he t e r mi na l e l e me n t o f wh o l e c on t r o l l o o p，i t s s e c ur i t y i s a l wa y s r e g a r de d a s c r i t i c a l p o i nt ． I t ’ S n ot e no ug h t h a t o nl y f oc us on qu a l i t y，a c c ur a c y a nd r e l i a bi l i t y o f v a l v e c o n t r ol ，i t s hou l d a l s o p a y a t t e nt i o n t o l e a k a ge o f p i pe s a n d v a l v e s t o a v o i d i nt e r na l s t r e a m bu r ni n g c a u s e d b y o ut s i d e f i r e s ou r c e ． Und e r t h i s c i r c u m s t a n c e，c o nc e p t s s uc h a s，f i r e s a f e ， f i r e s a f e v a l v e，f us i b l e l i nk e t c ． a r e i nt r od uc e d s e q u e nt l y ．The f un c t i on o f f i r e s a f e a nd An t i s t a t i c f o r f i r e s a f e s o f t s e a l i n g s hu t o f f v a l v e i s s p e c i f i e d，b a l l v a l v e b o d y s e l e c t i o n a s we l l a s t h e me t h o d t O i mp r o v e f i r e s a f e t y l e v e l o f b a l l v a l v e a r e a s l o pr e s e nt e d，wh i c h i S wo r t h o f r e f e r e nc e ． Ke y wo r d s f i r e s a f e；f i r e s a f e v a l v e；s hu t of f ba l l v a l v e 0 引 言 近年来， 国内厂矿企业事故时有发生， 生产的安 全问题作为一个越来越突 出的问题 ， 亟待重视 和妥善 解决。在生产过程 中不断细化相关 的安 全操作规程 、 规范并大力贯 彻执行 ， 可 以有效地 减少事 故和 损失 ， 但如果能从另一个角度 设计方 面人手 ， 在源头上 提高安全系数 ， 无疑会将 整个工 厂的安全等级带上一 个新的台阶。在化工和石化设计 中， 对 于一般 的单座 调节阀和自力式调节阀， 通常对其泄漏等级要求不高 一般为 Ⅳ 级 ， 而对于切断球阀， 其泄漏等级要求则 较为严格， 一般是 V级或 Ⅵ 级 。笔者结合项 目中的 一 些 实践经验探讨火灾安全型软密封切 断球 阀 以下 简称球 阀 的特性及相关设计要点 。 1 相关 概念 1 ． 1 由“ 安 全工 程” 引出的 F i r e S a f e “ 安全工程 ” 作为术 语最早 出现 在化工 工程 中， 由于 2 O世纪 7 O ～8 O年 代化学 工业 事故频 出 ， 相 继 发 生 了 F| i x b o r o u g h爆 炸和 北海 油 田 P i p e r Al p h a 平台爆炸等后果严重的工业事故， 使得安全工程作 为 控制 生产 中人 为 因素 和 对 工业 事 故 评估 的重 要 环节逐 渐被 人们 所 重 视 ， 并 且 随着 时 间 的 推 移 ， 安 全工程 逐渐延 伸 到所有 的工 程相 关领域 。 F i r e S a f e ， 即火 灾 安 全 ， 是 “ 安全 工程 ” 的一 个 分 支 ， 主要从 火灾 层面延 伸“ 安 全 工程” 的概念 。在 化 工 、 石 化等 厂矿 生产 区域 中 ， 一旦 发生火 灾 ， 如果 装 置 中的阀 门等设 备 能够 及 时切 断 可 燃 物料 的通 路 或在发 生火 情时保 证 管道及 阀 门不泄漏 ， 将最 大 程度 地减 少火 灾造成 的危 害 ， 将 损失 降到 最小 。 1 ． 2球 阀的火 灾安全 功 能和 防静 电功能 安装在管线或设备上的球阀在设计 中的火灾安 全功能 ， 是指一旦 失火 ， 其外 漏 和 内漏 均不 能超过相 关规定L l ] 的泄漏标准 ； 同时由于阀门为软密封结构 ， 其 球体部分是通过非金属材料夹持形成密封的， 在其动作 时可能产生静电， 因而球体必须与阀本体导通， 在电源 电压不超过 1 2 V的防静电电路 中， 电阻值小于 1 O Q 。 收稿 日期2 0 1 1 0 41 4 修改稿 。 作者简介 任振寰 1 9 7 g 一 ， 男， 毕业予北 京化 工大学测控技 术与仪器 专业， 现工作于中国天辰工程有限公 司北京分公 司， 主要 从事石油化 工等相关行业的 自控和仪表设计工 作， 任工程师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 任振寰．火灾安全型切断球 阀的选 型及 相关 设计 1 5 2火 灾安 全要 求场 所 的球 阀选型 及 相关 设计 2． 1 设计 要求 及 防火结构 的介绍 规 范 S H3 0 5 9 ～ 2 O O 1 石 油化 工 管 道 设 计 器 材 选用 通则 中第 7 ． 2 ． 2中规 定 ， 用 于工 艺 物 料 和 极 度 、 高度 危害 介质 和可 燃 介 质 管 道 的 球 阀 、 旋 塞 阀 及其 他通 用结 构 的 特 种 阀 门 ， 应 有 防 火 、 防 静 电结 构 。这里 只对 球 阀防火 结 构做 简单 介绍 ， 无论 是 浮 动球 阀还 是 固定球 阀 ， 阀座 的耐 火结 构原 理 是一 样 的 。即在 阀座 密封 面完 全失 去作 用 时 如 发生 火 灾 时 ， 非 金属 阀座 熔 化 ， 阀 座 金 属 面 能 与球 体 接 触 ， 达 到 暂 时 密封 。对 于浮 动 球 阀 ， 靠 介 质 的压 力 ， 使 阀座与球体接触 ； 对 固定球 阀， 主要靠弹性 阀座的 弹力 ， 使 阀座 与球 体接 触 而达 到 密封 。当然 阀座 上 的金 属密封 面只是起暂 时的密封作 用 。虽然密 封要 求不是太严格 ， 但仍有一定的加工要求 ， 即应加工成 球 面或斜面 。如做 成球 面时 ， 其 曲率 半径 要 与 球体 一 致 ， 密封 面的棱角应倒 圆 ， 以免 在装拆 时损 坏球体 表 面 ， 密 封面 的光 洁 度不 得 低 于 V 6 。 目前 有些 厂 家 的产 品 ， 比如 T Y C O旗下 的 K T M 球 阀， 可 以在 软 密封失效 的时候 ， 由阀体 本身 的金属 面进行 密封 ， 其 效果可达 到泄漏等级 V 级的要求 。 2 ． 2球 阀本体 的选 择 并 不 是 所 有 的 球 阀 都 可 以 用 于 有 火 灾 安 全 要 求 的特 殊 场 所 ， 阀体 本 身 应 该 有 一 定 的 要 求 。 对 于 火 灾 安 全 型 球 阀 ， 目前 尚 无 统 一 的 检 测 方 法 ， 很 多 工 业 学 会 、 石 油 公 司 、 保 险 公 司 、 阀 门制 造 厂 家 ， 以及 英 国 、 美 国 的有 关 机 构 都 规 定 了各 自的测 试 方 法 。 表 1列 举 了 其 中 一 些 组 织 或 机 构 进行 阀 门 的 火 灾 安 全 试 验 的 标 准 程 序 。 其 目 的是通 过 相 应 的 防火 测 试 以保 证 球 阀满 足 以下要 求 内部泄漏量最小 ； 外部泄漏量最小； 有连续 的 操作 性 。 表 1 相 关 标 准 Fi r e s a f e v a l v e试 验 规 格 对 比 注 1 ． 1 P s i 6 ． 8 9 k P a ； 2 ． 华 氏度 一摄 氏度 1 ． 8 3 2 ； 3 ． 以上 阀门泄漏量 ， 均针 对 1 i n口径阀门。 目前广 泛被 阀门 生 产 厂 家用 作 测 试 标 准 的是 美 国 石 油 学 会 的 AP I 6 0 7 和 英 国 国 家 标 准 B S 6 7 5 5 2 原 理 使 燃 烧 试 验 用 阀 门 处 于 关 闭 状 态 ， 充满 加 压 的水 ， 使 阀 门持 续 燃 烧 3 0 rai n ， 期 间 需保 持 阀 门周 围环 境 温 度 达 到 7 6 0 ～ 9 8 0℃ ， 并 确 定在 这段时 问 内通 过 阀 门并排 到 大气 中 的泄漏 量 。 当 阀门从 燃烧试 验 的温 度 冷却 下来 后 ， 对 阀 门进行 静水压试验 以评定 阀门壳体 以及 阀座 的耐压 能力 。 最初美 国 品牌 火 灾 安全 型球 阀多 采 用 A P I 标 准进行测试 和取得认 证 ， 而对 于欧洲 品牌 ， 则多 是依 照 B S标 准进行测试并 取得认证 ， 但随着厂 家之间 的 合 并及重组 ， 越来越多 的公司 同时拥有 这两项 认证 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 石油化工 自动化 第 4 7 卷 如 F L OWS E R VE， N E L E S ， T YC O等 。在进行 阀门 的选择时 ， 应注 明需满足 的火灾安 全认证 ， 以免最终 采 购的阀 门无法满 足相 应的火灾安 全要 求 。 2 ． 3 提高 球阀火 灾安 全性 的措施 除了球阀本身应考虑选择火灾安全型之外 ， 在 进 行工 程设计 时 ， 也 可 以通过 其他措 施尽 量提 高安 全 等级 。 对 于 控 制 阀 ， 根 据 故 障位 置 分 类 ， 其 形 式 有 F o 故 障 开 ， F C 故 障 关 ， F L 故 障 时保 位 ， F I 故障时任意位置 。而火灾作为一种事故或紧急 情 况 ， 在其 发 生时 应 将 阀 门置 于 危 害最 小 的状 态 。 通 常来说 ， 火灾 安全 型 阀门在失 火或 其他 紧急情 况 时应 置 于 关 闭 位 置 ， 即 选 择 F C式 阀 。该 文 针 对 F C式 阀进 行讨 论 。 2 ． 3 ． 1 通过供气管线 的特殊设计来 提高火灾安全性 对于角行程的气动执行机构 ， 其提供旋转扭矩 的动力源是推动活塞的压缩空气 ， 而压缩空气则是 通过气动管线传递到执行机构上的， 因此可以通过 切断气 路 的方 法 达 到 关 闭球 阀 的 目的 。通 常在 国 内项 目中 ， 设 计人 员 一 般 会 采 用 直 径 为 1 0 ， 始 或 j ＆ 6的紫铜管或不锈钢管作为气动管线。上述两种 材质的气动管线， 坚固耐用， 美观且便于敷设， 因此 得 到广 泛使用 。但 在生产 区域 发生 火灾 时 ， 如果 由 于某些原 因无法通过联锁及时切断气路 ， 压缩空气 将维持阀门在开启状态 ， 因而有可能产 生更大危 险 。在笔者曾经参与的项 目中， 业主对火灾安保提 出了更加 完备 的方案 ， 即用 可熔 断供气 管线 替代金 属材 质的气 动管 线 。具 体 到项 目中 ， 选 用 了 Ny l o n 气 动管线 ， 因为 其熔 点 多 在 3 0 0℃ 以下 ， 所 以在火 灾发生时 ， 气动管线将被熔断， 从而切断气路 ， 使球 阀 回到安 全位置 。但 在设 计 中应 注 意 的是 ， Ny l o n 的柔韧 性虽 然好 ， 但 不 易敷 设 ， 且 不如 金 属 管线 坚 固， 尤其容易在施工中受损 如被 切断等 ， 导致无 法正常操作。因此 ， 在设计中可使用镀锌钢管对其 进行穿管保护， 只在近球阀本体处以及可能引发火 情的地方 如泵， 电机等设备旁 露出 Ny l o n管， 这样 一 来 既保证了正 常操 作 ， 又增加 了架 设 时 的可操 作 性。对于较长距离的气动管线预置还可以采用穿管 敷设 于电缆桥架 内的方法 ， 以达到美观实用 的效果 。 2 ． 3 ． 2 通 过对 执行 机构 加装特 殊 附件来提 高火 灾 安全 性 火灾 安 全 理 念 的 引 入 ， 除 采 用 以上 的 Ny l o n 管线用作气动管路外 ， 亦可选用一些国外公司生产 的名为 F u s i b l e L i n k的产品作为执行机构的附件 。 这 种 被 称 为 F u s i b l e L i n k 的 附 件 是 由 熔 点 在 1 3 5～5 0 0 。 F 间的金 属可 熔 断 物 制作 而成 的 ， 有 几 种 不 同形 式 。 a 可熔 断 的 金 属塞 状 物 ， 将 其 安装 在 执 行 机 构 的气 缸 上 。 当 阀 门周 围 发 生 火 情 时 ， 温 度 将 升 高 ， 从而 达 到 F u s i b l e L i n k的熔 点 ， 金属塞 熔化 ， 气 缸 失气 ， 从而使 阀门 自动切 换 至关 闭位 置 。 b F u s i b l e L i n k为一 个可 熔断 金属 连接 片 ， 该 类 型一般 用于 手 动 开关 阀 的火 灾 自动 回位 。手 动 开关 阀一般属于管道专业的设计范畴， 但对于部分 手 动开关 阀 ， 因其 需要 配备 阀 位 开关 ， 所 以 同样 被 划归 自控专业设计范 围。这种 F u s i b l e L i n k通常 安装 在 阀 门顶部 ， 当 通过 手 柄 开启 阀 门 ， 阀杆 带 动 顶部 的连 杆并 通 过 F u s i b l e L i n k进行 保 位 。当周 围发 生火 情时 ， 温 度将 逐渐 升高 至 F u s i b l e L i n k的 熔点 ， 此 时 F u s i b l e L i n k熔化 ， 从而 失去保 位 功能 ， 阀 门在顶部 连杆 的驱动 下 回到关 闭状态 。 上述供气管线特殊设计和加装 F u s i b l e l i n k附 件的方法都可以在一定程度上提高生产装置 自身 的安全 系数 ， 以降低 发 生 火情 时可 能 带来 的损 失 ， 工程设计人员可以根据具体的情况选用其中之一 或 二者 配合使 用 。 3 结束 语 随着人们安全生产意识的不 断增 强， 涉及整个工 艺过程的各个组成部分， 诸如设备、 管道、 仪表及阀门 的火灾安全理念都将被逐步强化。作为自控专业的 设计人员应在设计过程 中不 断汲 取先进 的设计 理念 ， 采用先进 的产品技术 ， 同时对现有 的设计 方法进行有 效的优化和 改 良， 从 而最 大限度 地提 高安全性 ， 为生 产人员 的安保工作提供最直接 、 最行之有效 的帮助 。 参考文献 [1 ] Ame r i c a n P e t r o l e u m I n s t i t u t e ． AP I 6 0 7 4 F i r e Te s t F o r S o f t S e a t e d Qu a r t e Tu r n Va l v e s [ S ] ． 1 9 9 3 ． [2] B r k i s h S t a n d a r d I n s t it u t i o n ． B s 6 7 5 5 2 T e s t i t N o f V a l v e s - P a r t 2 S p e c i f i fi o n f o r F i r e T y p e t e s t i n g R e q u i r e me n t s C S 3 ．1 9 8 7 ． [3] 住房和 城 乡 建 设 部 ， 国 家 质 量 监 督 检 验 防 疫 总 局． GB S O 1 6 0 2 ∞8石油化工企业设计防火 规范E s ] ． 北京 中 国计划 出版社 ， 2 0 0 9 ． [4] 国家经济 贸易委员会． S H3 0 5 9 -- 2 0 0 1 石油 化工管道设计器 材选用通则I s ] ． 北京 中国石化工程建设公司 ， 2 0 0 2 ． [5 ] Ame r i c a n P e t r o l e u m I n s t i t u t e ． AP I 6 F A一 3 S p e c i fi c a t i o n f o r F i r e Te s t F o r Va l v e s [ S ] ． 1 9 9 9 ． [6 ] 国家石油和化学工业局． HG／ T 2 0 5 0 7 --2 0 0 0自动化 仪表选 型规定I s ] ． 北京 全国化工工程建设标准编辑 中心， 2 0 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