高丽华

[摘    要]中石化石家庄炼化分公司新区建设期间，首次遇到國家对液化烃（球罐）根部阀做防火要求，当时设计为进口阀门，费用高，采购周期长，不满足采购需求，为降低采购费用，缩短采购周期，达到液化烃（球罐）根部防火阀设计要求，依据设计技术参数，针对大口径阀门采用国产一体式电液执行机构及阀门，经过自动复位设计，使执行机构具有故障安全性能，并且执行机构采用进口防火罩保护，阀门经过整体防火设计达到了安全完整性等级要求。当火灾发生时，阀门可以自动快速切断介质，保证罐区安全。

[关键词]罐根阀;球阀;防火罩;电液执行机构

[中图分类号]TE65 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）08–0–02

[Abstract]During the construction of the new area of our company， we encountered the national fire protection requirements for the root valve of liquefied hydrocarbon （spherical tank） for the first time. At that time， it was designed as an imported valve. The cost was high and the procurement cycle was long. It did not meet the procurement requirements. In order to reduce procurement costs and shorten procurement Cycle， meet the design requirements of the fire damper at the root of liquefied hydrocarbon （spherical tank）. Based on the design technical parameters， this article adopts domestic integrated electro-hydraulic actuators and valves for large-diameter valves. After automatic reset design， the actuators have fail-safe performance， and The actuator adopts imported fire protection cover， and the valve meets the requirements of safety integrity level through the overall fire protection design. When a fire occurs， the valve can automatically and quickly cut off the medium to ensure the safety of the tank area.

[Keywords]tank root valve;ball valve;fire shield;electro-hydraulic actuator

球罐作为一种特殊的压力容器，被广泛用于存储液化石油气、液化天然气、液态丙烯、液态丁烯、液氧、液氮等介质。由于球罐储存的介质大多易燃、易爆、有毒。因此，储罐区一直是石油化工企业防火防爆的重点。

本设计方案以电液联动防火紧急切断阀为主题，以进口防火罩为辅题，设计开发适应易燃、易爆液体与气体罐区有防火要求的球罐紧急切断，提高防火措施，达到安全完整性等级（SIL）要求，保证罐区安全。

1 设计方案

1.1 方案依据

随着《中国石油化工集团公司液化烃球罐区安全技术管理暂行规定》的出台，对球罐根阀设计要求做了规定，要求其密封结构应采用耐火结构并符合ANSI/API STD 6FA或607标准;对快速切断时间也做了相关规定，要求DN50≤5 s，DN65～350≤10 s[1];执行元件包括电磁阀、切断阀均应满足安全完整性等级SIL3要求。

同时，中国石化工建文件《液化烃球罐区注水系统设计规定》和《液化烃球罐紧急切断阀选型设计规定》中也指出，液化烃球罐紧急切断阀应符合ANSI/APISTD6FA或607标准，全行程关断时间不应超过1S/英寸阀门通径;执行机构及其附件应有防火措施，首选安装防火保护罩，防火保护罩应符合UL1709标准，能够在1 093 ℃下，抵抗烃类火灾30min[2-3]。

为满足标准要求、防火要求以及解决气动执行机构体积大问题，本项目采用自带液压油站及控制系统的机电液一体化，智能型单作用执行机构，驱动防火球阀，电液动执行机构由防火罩包覆，组成完整的防火型控制球阀。这样可以减小防火阀的整体面积和重量，同时降低成本，更有利于老罐区的改造。

1.2 防火球阀的设计

采用固定球双浮动阀座结构，阀门满足API STD 6FA/607防火要求，阀杆设计为防飞出结构，阀门带防静电装置。阀门火烧后，阀座预紧弹簧能够补偿阀座密封圈烧掉后的间隙，使阀门具有一定的密封性，同时阀杆台阶处也能形成金属对金属的密封，确保阀门满足API STD 6FA/607防火标准的要求。阀杆轴套处采用硬化处理，球体表面及阀座密封面均采用喷涂硬质合金处理，保证耐磨性。双阀座采用轴向浮动原理，使得阀门在火灾情况下亦能开关灵活。

1.3 执行机构的设计

由于罐区部分阀门口径较大，若采用气动单作用执行机构，执行机构存在体积大、重量重、价格高等缺点，同时增加了防火罩的面积，从而加大了球罐根部阀总投资。借鉴过去催化系统联锁气动快速切断阀组合经验，同时结合国外紧急切断球阀防火先进技术，针对不同的问题及这几年来执行机构技术发展情况研发出自带液压站的智能型机电液一体化单作用执行机构，以解决气动执行机构体积大、重量重的缺点，同时减少了防火罩的面积，便于安装，降低了球罐根部阀的成本，同时解决无气源罐区重设空压站的投资，有利于老罐区的改造。

传统的电液动执行机构并不具备故障安全复位的功能。对于火灾时防火罩内温度超过80 ℃±5 ℃时阀门快速切断和温度低于80 ℃时只需机构正常动作的研究。借鉴气动执行机构，易容塞原理泄放气压弹簧复位的技术基础上，研究采用防火液压放泄阀及开发热敏感元件，通过易熔元件受热熔化而泄放油缸压力提高泄压的灵敏度，复位采用了RISE压缩弹簧，达到快速复位的目的。当火灾发生时，由于防火罩的保护，使得罩内温度30min内维持在80 ℃以下，确保执行机构可以正常动作，使得装置可以采取倒灌注水等紧急措施，以减小火灾面积。

电液动执行机构由手操机构、液压集成系统、电子控制系统、油箱及油缸五大部件合理组合，集传统气动执行机构、电动执行机构优点于一身，具有输出扭矩大、控制速度快、控制精度高、故障安全复位等功能。

具体设计思路如下。

（1）设计选用弹簧复位的单作用电液联动执行机构，阀门在液压系统故障时的位置是故障关。

（2）执行机构选型时是按阀门承受的最大压差进行选型计算。选型的开启力矩和阀门开启力矩参数计算如下：如DN300球阀，ΔP=2 MPa时，阀门开启力矩为3 700 N·m。而电液执行机构在油缸输入压力P=12 MPa时，开启力矩为9 000 N·m，弹簧复位关闭力矩为6 000 N·m。按最大开启力矩的1.5倍计算执行机构需要的输出力矩为5 550 N·m，选型已满足设计要求。

（3）阀门的联锁位置和液压系统故障位置是一致的，电液执行机构在全开时具有自锁保位功能，可持续放置48 h，执行机构不会自然完全关闭。

（4）电液执行机构具有过载保护、电机过热保护、限位保护及断电、断信号保护，并具故障记录、设置阀门开度、设定参数和查询等功能。电液执行机构配置就地手操机构、就地/远程控制等功能。

（5）电液执行机构的配置有非浸入式红外线设定和组态功能的遥控器，并在就地LCD面板上配置，阀位显示、油压显示和油温显示，且设有观察诊断执行机构的运行参数及故障报警等功能。

2 球罐根部防火紧急切断阀执行机构控制原理

2.1 单作用电液联动执行机构紧急切换原理

当外界发生火灾，环境温度超过80 ℃时，液压系统中的防火液压放泄阀动作，并将油缸的压力泄放，此时在弹簧力的作用下使执行机构快速动作，实现控制阀门的快速关闭或开启，时间3～10 s。

2.2 双作用电液联动执行机构紧急切换原理

当外界發生火灾时，环境温度超过80 ℃时，液压系统中两只防火液压放泄阀同时打开，并将蓄能器压力输入B端油缸，此时A端油缸压力泄放，实现控制阀快速关闭或开启，时间2～10 s。

2.3 防火液压放泄阀结构及原理

在自动灭火用玻璃球与导杆限位由弹簧力的作用下，将阀芯推到阀座密封面上达到密封，此时是关闭状态。当环境温度超过玻璃球控制温度时，玻璃球破碎，在液压系统压力作用下将阀芯向上推脱离阀座，油液达到快速泄放的目的。

3 防火罩的选择

（1）防火罩的耐火性是最主要的，要求其结构和材质符合UL1709标准，能够在1 093 ℃下，抵抗烃类火灾30 min。

（2）针对工况要求，采用被动防火系统，防火罩外壳采用ANSI304不锈钢板包覆陶瓷做为外壳，不锈钢板厚度为0.8～1.2 mm，内部陶瓷隔热层厚度为50 mm，在一段时间内有效抵抗火烧，同时，有效隔热，使罩内温度在一段时间内控制在80 ℃以内。

（3）外壳面板之间设有膨胀密封条，当火灾发生时，膨胀密封条受热膨胀，使整个防火罩完全密封，杜绝火焰侵入，有效保护内部执行机构及其附件。

（4）在防火罩面板上还设有通风隔栅，以保证内部执行机构的散热，当火灾时，通风隔栅内部的密封条膨胀，实现密封。同时，在防火面板上设有安全检测门，可通过安全检测门对内部执行机构或控制附件进行检查、维护或手动操作。

（5）防火罩与阀门连接处的密封是关键，由于阀杆是活动件，既要保证阀杆转动不受密封件影响，又能确保此处的密封。为此，在支架位置设置左右对称两片柔性防火保护层，防火保护层由矿物纤维制成，外表覆盖一层特殊的工艺面料，通用能够抵抗烃类火灾火焰产生的高温。

4 气动执行机构与电液联动执行机构的优劣

4.1 气动执行机构

气动执行机构稳定性差：其原因动力源是气网，控制压力变化较大。特别是单作用执行机构采用弹簧复位反作用力很大，气源压力下降到受控压力时，会引起阀门关闭现象，难以保证设计规定条款。

动作速度慢：因气源压力低只有0.5 MPa，相对说气缸有效面积和行程要增大，那气缸容积同上增大引起进气和排气困难，降低运行速度。如Φ600 mm气缸的推力按0.5 MPa推力只有141 300 N。

4.2 电液联动执行机构

自备动力源，无外界影响，动作稳定可靠。液压系统带有液压锁，阀全开时自动将压力闭锁油缸内，如压力下降时泵自动开启，能保证设计规定条款。

智能化程度高：具有各种保护功能，安全可靠，并带有记忆功能，可以查询运行情况。

特别是防火保护，采用本质安全型结构。它具有体积小、重量轻、动作灵敏、速度快、节能等优点。

5 结束语

本项目目的在于设计出一种适应易燃易爆液体与气体罐区有防火要求的球罐底部紧急切断，以提高防火措施，达到安全完整性等级（SIL）要求，保证罐区安全。借鉴国外先进方法，采用智能型电液动单作用执行机构驱动防火球阀，实现了快速切断及阀门防火的目的，执行机构采用满足UL1709标准要求的刚性防火保护罩保护，实现在火灾情况下30min内有效保护执行机构的目的，从而保证火灾发生后一段时间内控制室能继续正常控制阀门，将储罐内介质输送及消防水引入储罐，以减少火灾面积、防止事故扩大的目的。当阀门故障无法操作时，防火罩内温度升至80 ℃以上时，又可以利用快速泄放阀功能使其自动复位达到切断的目的。

产品自投入开车以来，运行稳定，动作可靠，未出现任何异常情况。该产品不仅用于球罐根部紧急切断，也可适用于易燃易爆场合，具有很好的推广前景，同时具有良好的社会和经济效益。

参考文献

[1] 韩继明.由一起事故谈液化烃装卸环节风险防控措施[J].安全、健康和环境，2021，21（3）：14-17.

[2] 许亮.液化烃装车发运保障措施[J].现代盐化工，2020，47（6）：110-111.

[3] 杜娟，刘艳，韩青飞，等.浅析大型液化烃球罐紧急切断阀的设置及选型[J].天然气与石油，2020，38（6）：41-46.