杨超

摘 要：火炬系統是石化厂的最后一道安全防线，而作为旁路使用的爆破针型阀则是地面火炬系统最后的安全保障，应选用“失效安全型”产品。本文气动爆破针型阀在地面火炬中的适用性进行了讨论，结论是气动爆破针型阀不是“失效安全型”产品，违反了API 537和SH 3009标准的基本要求，不能用作分级阀旁路使用。

关键词：地面火炬；火炬系统；爆破针型阀

1 地面火炬及其优势简介

火炬系统是用来处理石油化工厂、炼油厂、化工厂及其其它工厂或装置无法回收和再加工的可燃和可燃有毒气体及蒸汽的特殊燃烧设施，是保证工厂安全生产、减少环境污染的一项重要措施。

按照燃烧器是否远离地面，火炬可以分为地面火炬和高架火炬。与高架火炬相比较，地面火炬的主要优势如下表所示：

近年来，随着石油化工行业用户对于环保、安全以及与居民友好性重视程度的不断提高，国内越来越多的企业开始采用地面火炬。

2 地面火炬的分级运行

地面火炬之所以能够实现在整个处理能力范围内（0-100%的处理能力）的无烟燃烧是因为其采取了分级运行的方式，分级运行的方式可以保证火炬气在燃烧器出口处始终有足够的速度和能量，由此保证火炬气在燃烧器处能够引射足够的空气并形成低辐射的无烟燃烧。

地面火炬的分级运行是通过分级控制阀实现的。分级控制阀通常采用气动的高性能蝶阀，这些蝶阀由分级控制系统控制，当火炬气流量持续升高一定程度时，相应的分级控制阀会自动开启，该级的燃烧器会投入使用，火炬气得以燃烧。

不难看出，分级控制阀实现启闭需要电子元器件的感知、控制系统的计算分析和动力气源的驱动，其正常工作依赖电源和动力气源的供应，所以不是“失效安全型”设计。为保证分级控制阀未能开启时火炬系统仍然能够安全地处理火炬气，分级控制阀必须设置“失效安全型”的非重闭式泄压装置（爆破片或者爆破针型阀）作为旁路，旁路的功能是是在主路不能完成泄放任务而导致火炬系统内压力超过设定值时自动开启以将火炬气泄放至燃烧器焚毁。通常此旁路采用完全自力式的且不依赖电力和动力气源的爆破针型阀或者爆破片。

与爆破片相比较，爆破针型阀具有动作精度高、复位安全简单迅速、无需定期更换、可靠性可在线检查、长期使用成本低等优势。因此，爆破针型阀受到越来越多用户的青睐，近年来多数新建地面火炬均采用爆破针型阀作为旁路。

3 气动爆破针型阀及其潜在问题

国内某液化天然气（LNG）项目设置了两套封闭式地面火炬，用于事故工况下排放气的安全泄放。

经调研，市场上主要存在直线开启和旋转开启两大类爆破针型阀。直线式爆破针型阀应用于地面火炬项目有着明显的局限性，主要表现在以下几个方面：其一，较大口径的直线式爆破针型阀在阀门开启时，阀瓣对于阀盖的冲击力很高，国外某些项目中曾出现阀瓣冲破阀盖的问题；其二，自阀门开启至复位完成，在阀瓣的重力作用下，阀杆始终处于悬臂梁状态，且在阀门完成复位之前，也就是阀瓣进入阀座之前，整个阀杆系统的受力状态是最为糟糕的，阀杆的倾斜程度是最大的，极易出现阀座对于阀瓣密封环的咬伤的现象，甚至出现复位困难的问题；其三，直线式爆破针型作为旁路使用时阀杆、阀瓣等部件的受力状态决定了其低压时精度很难保证。因此该项目决定采用旋转开启的爆破针型阀。

在爆破针型阀的选型过程中，遇到了一类由仪表空气作为动力源驱动的旋转开启爆破针型阀。这类爆破针型阀主要由气动蝶阀与爆破针先导阀等部件组成，如图1所示。爆破针先导阀是一个两位多通道换向阀，其可以控制仪表风通过不同的流道进出气动执行机构。压力连通管线将先导阀与蝶阀的上游相连接，使先导阀承受来自开关阀上游的压力，并经阀杆将载荷传递至爆破针。

正常工况下，管线内压力P小于设定压力Pcr，施加在爆破针上的轴向压缩载荷F小于爆破针的失稳临界载荷Fcr，爆破针保持稳定。非正常工况下，管线内压力P达到设定压力Pcr，其施加在爆破针上的轴向压缩载荷F将达到爆破针的失稳临界载荷Fcr，导致爆破针发生失稳进而丧失承载能力，管线内介质压力将推动先导阀活塞而改变其仪表风通道，激发执行机构动作，开启阀门。

这类爆破针型阀与普通的气动蝶阀的根本区别在于将由电磁控制的两位多通道换向阀改为由爆破针控制的两位多通道换向阀，其动作不仅由爆破针的失稳决定，更由仪表空气这一动力源决定。也就是说，该类爆破针型阀不是一个自我封闭的系统，其泄压功能不能够自我独立完成，相当于为气动蝶阀设置了可靠性差不多的旁路，这与常见的泄压装置（例如弹簧式安全阀、爆破片等）存在本质区别。在接触到该类爆破针型阀之后，项目相关人员对于该类爆破针型阀可否作为分级阀旁路使用产生了疑问。

火炬系统是工厂的最后一道安全防线，而作为旁路使用的爆破针型阀则是地面火炬系统最后的安全保障，为避免作出错误的选择而影响全厂安全，项目相关人员向国内相关专家进行了咨询，这其中包括“SH 3009-石油化工可燃性气体排放系统设计规范”的标准主编单位（中国石化工程建设公司）和标准日常管理单位（中国石化洛阳石化工程公司）的专家，这些专家均不认可带气动爆破针型阀可以作为火炬旁路使用，原因如下：

第一，火炬系统用旁路必须是“失效安全型”，这既是制订SH 3009标准时的基本出发点，也是API 537等国际标准的要求。而带仪表风的爆破针型阀依赖于外界动力源，其功能不能完全由其自身完成，外界动力源失效时，这一类爆破针型阀就不能起到保护作用，也就是说，这一类爆破针型阀不是“失效安全型”。

第二，气动阀供气出现故障而导致阀门不能如期动作是石化厂常见的问题。供气出现故障既可能是由于压缩机故障和气源总管泄漏等系统性原因而导致，也可能由于某些分支管路老化泄漏、异物堵塞、结冰堵塞、过滤器堵塞等多方面的局部因素造成。为每一个阀门配备一个空气储罐可以部分地解决系统性供气故障的问题，但是解决不了局部因素造成的仪表空气供气故障。

而且即便配备了空气储罐，也不能保证储罐内一定储存了合格压力的仪表空气，同时储罐的压力状态很难实时准确监控，更谈不上实时干预。因此，配备空气储罐，只能将仪表风的可靠性提高一些，并不能改变气动爆破针型阀不是“失效安全型”这一事实。

第三，气动爆破针型阀的开启速度很难做到比分级阀更高，也就是说，即便爆破针已经失稳弯曲，阀体本身也还需要数秒时间才能开启，不利于系统的紧急泄压而带来安全隐患，而且还可能造成各级的爆破针型阀均陆续开启，带来无谓的复位及更换爆破针的成本。

基于专家的上述意见，项目人员决定不将气动爆破针型阀作为分级阀旁路的可接受方案。

4 结论

火炬系统是石化厂的最后一道安全防线，在其设计过程中必须将可能发生的所有异常情况都考虑到，以保证整个工厂的安全。而作为旁路使用的爆破针型阀则是地面火炬系统最后的安全保障，应选用“失效安全型”产品。气动爆破针型阀不是“失效安全型”产品，违反了API 537和SH 3009标准的基本要求，不能用作分级阀旁路使用。

参考文献：

[1]曾波.封闭式地面火炬在LNG接收站的应用[J].广州化工，2015（13）：158-160.

[2]SH 3009.石油化工可燃性气体排放系统设计规范[S].中华人民共和国工业和信息化部，2013.