紧急切断阀选型设计与在SIS系统中的应用

近年来，中国对化工油品罐区(以下简称罐区)安全生产的要求不断提高，安全仪表系统(SIS)作为一种重要的保护措施在罐区中的应用越来越广泛。为了确保安全生产，对罐区进行系统的危险及风险分析，识别出罐区可能存在的重大风险和隐患，根据风险分析结果，完善安全保护措施，降低事故发生的概率，提高罐区的总体安全水平。作为SIS安全联锁的最终执行元件，紧急切断阀的合理选型及安全运行至关重要。笔者依据某罐区改造项目，研究和总结了紧急切断阀的选型设计及安全联锁方案，探讨了其在罐区中的实际应用问题。

1、罐区紧急切断阀和SIS的设置依据
罐区紧急切断阀安装于储罐进出口管道上，遇到紧急情况时能够通过SIS联锁或手动控制快速切断，避免事故范围扩大，减少事故损失。

原国家安全生产监督管理总局第121号文《化工和危险化学品生产经营单位重大生产安全事故隐患判定标准(试行)》中将“构成一级、二级重大危险源的危险化学品罐区未实现紧急切断功能；涉及毒性气体、液化气体、剧毒液体的一级、二级重大危险源的危险化学品罐区未配备独立的安全仪表系统”判定为重大生产安全事故隐患。

罐区紧急切断阀与SIS的设置相辅相成，通过设置紧急切断阀构建安全联锁保护系统，可实现紧急停车功能，有效维护罐区安全。
依据GB/T50770-2013《石油化工安全仪表系统设计规范》和IEC61511-1-2003 Functional Safety-Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector的规定，对罐区工艺过程进行过程危险和风险分析(HAZOP分析等)，确定保护层需求，提出需设置报警和联锁的安全仪表功能(SIF)回路，通过保护层分析(LOPA)等方法确定各SIF回路的安全完整性等级(SIL)，最终来配置SIS。对于未进行危险及风险分析和SIL等级评估的罐区，则应满足原国家安全生产监督管理总局文件及相关规定，对涉及毒性气体、液化气体、剧毒液体的一级或二级重大危险源的罐区应配备独立的SIS，SIL等级应按SIL2考虑。

2、罐区紧急切断阀的选型设计
紧急切断阀与普通开关阀的主要功能区别在于紧急切断阀在发生事故时仍能执行动作且响应快速，因此在选型时对于紧急切断阀的配置要求更高。笔者在设计过程中除了依据SH/T 3005-2016《石油化工自动化仪表选型设计规范》，还重点参考了《液化烃球罐紧急切断阀选型设计规定》(中国石化建[2011]518号文)，该规定对于紧急切断阀的技术性能、阀门材质、执行机构选型、检验与测试等都做了比较详细的规定。

2.1 阀体的选择
球阀、闸阀和蝶阀均可用作罐区紧急切断阀。球阀结构简单、密封性好，但大口径球阀价格较高，因此一般用于DN200及以下管道或要求管道全通径的场合；蝶阀密封性能较差、价格便宜，但对于加工精度更高的三偏心高性能蝶阀，密封性能提高，造价也相应更高，总体性价比不高；闸阀密封性能好，启闭省力，适用于大口径管道，因此闸阀是罐区常用的阀门，储罐进出口通常选用双闸板闸阀，单闸板闸阀具有调节流量的性能，一般用于供料泵出口管道。

2.2 阀门执行机构的选择
《液化烃球罐紧急切断阀选型设计规定》中规定: 当罐区有可靠的仪表空气系统时，应选用气动紧急切断阀；当罐区无仪表空气系统、但有负荷分级为一级负荷的电力电源系统时，应选用电液执行机构或电动执行机构驱动的紧急切断阀。在实际应用中，电动控制阀响应动作慢，且不能实现故障安全状态，因此不建议作为紧急切断阀使用，在无仪表气源的情况下优先选用电液控制阀。当切断阀的执行机构为气动型时，首选故障安全型单作用气缸执行机构；若采用气动双作用气缸执行机构时应配储气罐；若必须采用电动型执行机构时，其电源应采用负荷分级为一级负荷中特别重要的电力电源供电。

2.3 关断时间
关断时间是紧急切断阀的重要指标之一，文献中规定: 紧急切断阀的最大行程时间不应超过10s，而《液化烃球罐紧急切断阀选型设计规定》中要求为“1s/英寸阀门通径”。阀门口径越大对关断时间越不利，实际应用中应结合工艺要求选择合适的关断时间。对于气动执行机构来说，关断时间还与气缸大小、气源管路尺寸等因素有关。阀门厂家一般会根据实际工况进行核算，采取加大气缸、增大气源管径或加装气控阀等措施满足紧急切断阀对关断时间的要求。

2.4 防火设计
紧急切断阀是否进行防火设计应根据工艺需求，《罐区隐患整改攻坚战指导意见》(集团工单安风[2016]39号文)中指出: 需设置独立SIS的储罐，其进出口管道上的罐根阀-紧急切断阀要采取防火措施，应具有手动操作功能。笔者认为罐区紧急切断阀的防火设计是非常有必要的，原因是: 罐区储存的介质具有易燃易爆的特性，发生火灾事故的可能性极高，一旦发生火灾事故危害性极强，而紧急切断阀通常处于火灾危险区域中，只有采取必要的防火保护措施才能保证其在发生火灾的时候仍能发挥有效作用，确保罐区安全。结合文献及《液化烃球罐紧急切断阀选型设计规定》(中国石化建[2011]518号文)，可采取的防火措施主要有以下几点：

①紧急切断阀的阀体、阀座、阀内件、阀盖与填料的选用皆应符合API-607-2016《转1/4周阀门和非金属阀座阀门的耐火试验》或API 6FA-1999《阀门耐火试验规范》。文献一般用于旋转90°的阀门，如球阀、旋塞阀、蝶阀等，主要针对软阀座阀门的耐火试验；文献是通用标准，可以用于硬密封阀门，设计中根据实际需要选择。

②用于紧急切断阀的执行机构及其附件应有防火保护措施，首选安装防火保护罩。防火保护罩应符合UL1709-2007《结构钢用保护材料的快速升温燃烧试验用标准》，能够在1093℃的温度下，抵抗烃类火灾30min。

③对于气动执行机构，若从经济角度考虑不便安装防火保护罩时，可以选择在气缸上加装易熔塞。当发生火灾时由于温度急剧升高，气缸温度达到或超过易熔塞的熔点时，易熔塞熔化将气缸内的压力泄放掉，使另一侧气缸内的弹簧或储气罐内的压缩空气推动活塞将阀门自动关闭。

④在罐区防火堤外应设置紧急切断阀的现场操作开关，其接点信号直接送至气动执行机构的电磁阀或电液、电动执行机构的紧急停车系统(ESD)动作端子或相应的SIS，用于在紧急情况下现场手动开关紧急切断阀。

⑤用于紧急切断阀及现场操作开关的电缆应采取防火保护措施或采用防火电缆，保护控制信号的传输在发生火灾初期不会立即中断，确保发生火灾时能及时切断紧急切断阀。

3、罐区紧急切断阀的应用
昌晖仪表首先对工艺过程进行HAZOP分析，确定是否采用SIS作为SIF的保护层，然后利用LOPA分析方法确定各SIF回路的SIL等级，最后采用紧急切断阀与储罐液位仪表相结合构建安全联锁保护系统，实现罐区的安全监测与自动控制。

紧急切断阀应具有自动和手动关闭功能，手动关闭功能包括控制室遥控关闭和现场手动关闭。当液位高高或低低报警时通过SIS完成联锁紧急切断功能，及时切断储罐进出口管道上的进出口阀门，避免溢油冒罐或抽瘪储罐的情况发生；同时，在操作站设置紧急切断阀的远程控制开关，或在SIS辅操台上设置紧急关阀按钮，便于操作人员在发生火灾或安全联锁失效等突发状况时能够远程手动切断阀门；另外，安装于火灾危险区域外的现场操作开关可以使现场人员在第一时间发现异常后及时切断阀门，防止事故升级。

3.1 设计改造方案
以某苯罐区的改造设计为例。改造前工艺流程如图1所示，该苯罐设置了1台雷达液位计和1台高高液位开关，罐进出口阀门为手动阀门。此时若储罐发生溢油或火灾事故，无法实现自动或远程手动切断储罐进出口阀门，人工操作易产生时间滞后，而且会给操作人员带来危险，进而造成不可估量的损失。

改造时昌晖仪表通过采用HAZOP分析和LOPA分析，确定苯罐应设置SIS保护层，各SIF回路的SIL等级应不低于SIL2，有两种设计方案可选：方案一采用“1oo1”的逻辑结构，为储罐增设1台低低液位开关及进出口紧急切断阀，并将高高、低低液位开关和进出口紧急切断阀的检测及控制信号接入独立设置的SIS，当储罐高高、低低液位报警时联锁切断进、出口紧急切断阀；方案二采用“2oo2”的逻辑结构，是对方案一的优化，如图2所示，为储罐再增设1台过程级雷达液位计，与高高、低低液位开关分别组成“2oo2”安全联锁切断进、出口紧急切断阀的方案。方案二大幅提高了系统的可靠性和安全性，并可以有效地避免因液位开关故障而引起紧急切断阀误动作。通过优化比对，该项目采用方案二。


图1 苯储罐改造前工艺流程示意



图2 苯储罐改造后工艺流程示意

3.2 紧急切断阀选型说明
3.2.1 执行机构
该罐区中已设有仪表净化风线，因此紧急切断阀选用气动执行机构，单作用气缸满足气源故障关(FC)的要求。

3.2.2 阀体及阀内件
该储罐的进出口管道口径为DN200，球阀或闸阀皆可以满足使用要求，但从节省投资的角度考虑，闸阀更加经济实用，因此设计选用了双闸板闸阀，允许泄漏等级不低于ANSIB16.104 Class V级，满足了罐区密闭性高的要求。对阀门材质的选择则应满足紧急切断阀的防火设计要求，密封面采用硬密封，耐火设计应符合API 6FA，主要部件材质选型见表1所列。

表1 双闸板闸阀材质

图3 高高液位安全联锁逻辑示意

图4 低低液位安全联锁逻辑示意