气动爆破针阀应用于地面火炬中的问题和安全隐患

李强

摘 要：作为旁路使用的爆破针阀是地面火炬系统及其上游装置的最后安全保障。其可靠性影响的不仅是局部的安全，更会影响全厂所有产生火炬气的装置的安全。气动爆破针阀的动作依赖于外界公用工程条件，其功能能否完成取决于外界条件，不是“失效安全型”，不满足API 537和SH 3009标准的基本要求。此外，实际应用中发现，由于气动爆破针阀多处使用了O形环和润滑脂，O形环与金属件的“粘连”以及润滑脂的燥化，都会造成实际爆破压力的上升，这是采用爆破针型换向阀的必然结果。因此，不应选择气动爆破针阀作为分级阀旁路使用。

关键词：地面火炬;气动爆破针阀;安全隐患

1 引言

国内某乙烯工程设置了全厂低压火炬，用于处理该工程LLDPE装置、JPP装置、丁二烯装置、乙烯装置、汽油加氢装置、芳烃抽提装置、C5装置和低温罐区等各种工况下排放的低压火炬气。该火炬设施采用地面火炬形式，设计处理能力为（13+34+11）t/h，即用于处理低热值低压火炬气13t/h、高热值低压火炬气34t/h和低温低压火炬气11t/h。

来自丁二烯/乙烯装置与LLDPE装置低热值低压火炬气分别通过一支单独管线插入卧式水封罐，当排气压力超过水封压力时，排放气冲破水封，由出口排出通过两个分级控制阀组进入地面火炬中低热值低压专用特殊燃烧器处理。考虑排放气热值较低，在分级管线上设置有压力变送器和燃料气补充管线。燃料气管线上设置有气动调节阀，DCS远程控制伴烧燃料气补充量。为达到100%无烟燃烧效果，设置一路中压消烟蒸汽管线，管线上设置气动调节阀，通过DCS远程控制。

来自丁二烯装置、JPP/HDPE装置分别通过一支单独管线插入卧式水封罐，当排气压力超过水封压力时，排放气冲破水封，由出口排出通过四个分级控制阀组进入地面火炬中的三参数蒸汽消烟型燃烧器处理。为达到100%无烟燃烧效果，每级均设置中压消烟蒸汽管线。

来自低温罐区的火炬气通过单独管线进入全厂低压地面火炬中低温低压专用特殊燃烧器处理。管线上设置有流量变送器、并联阻火器及差压变送器。为达到100%无烟燃烧效果，特殊燃烧器设置一路中压消烟蒸汽。

火炬系统是乙烯工程的重要安全和环保设施，其可靠性影响的不仅是局部，更是全厂的安全，是石化厂的最后一道安全防线。在火炬系统的设计上，必须保证去往火炬的放空管道在任何情况下均能够保持畅通，因此，按照API 537等标准的要求，分级控制阀应设置“失效安全型”的非重闭式泄压装置（爆破片或者爆破针阀）作为旁路，旁路的动作必须不依赖其他外界条件，在分级控制阀不能完成泄放任务时自动开启以将火炬气泄放至火炬头燃烧，以保证火炬系统自身及其上游装置的安全性[1]。

与爆破片相比较，设计良好的爆破针阀具有动作精度高、复位安全简单迅速、无需定期更换、泄放时不会产生碎片、长期使用成本低等优势。在该项目前期技术交流过程中，各国际知名火炬公司均推荐使用爆破针阀作为旁路使用。

爆破针阀目前在国内地面火炬项目已得到广泛应用，但在该项目设计时，爆破针阀还是一种较新的泄压装置，在采购阶段未能提出关于爆破针阀的关键技术要求。最终，火炬总包方供应了5台气动爆破针阀。本文将对气动爆破针阀的原理进行介绍，并对这些阀门在调试和使用过程中暴露出来的问题和安全隐患进行总结，供后续项目借鉴。

2 气动爆破针阀原理

如图1所示，气动爆破针阀主要由双作用执行器、蝶阀和爆破针型两位五通换向阀组成，其与普通气动蝶阀的主要区别在于两位五通换向阀的工作原理。普通气动蝶阀使用的两位五通换向阀由电磁控制，当电磁线圈通电或断电时，该换向阀内部通道发生改变，达到控制气源按所需通道进出双作用执行器的目的。

而气动爆破针阀使用的两位五通换向阀由爆破针控制，如图2所示。当介质压力达到设定压力水平时，爆破针会失稳弯曲，换向阀内部通道发生改变，使气源按所需通道进出双作用执行器，进而开启蝶阀。

3 由于依赖仪表风而带来的安全隐患分析

爆破针阀作为地面火炬分级控制阀旁路，API 537及SH 3009标准对其基本要求是“失效安全型”[1-2]。爆破针阀是否动作，应该仅由地面火炬分级控制阀组处的压力决定，在正常工况下，分级控制阀组处的压力小于设定值，爆破针保持直线稳定，爆破针阀处于关闭状态;在非正常工况下，分级控制阀组处的压力超过设定值，爆破针失稳弯曲，爆破针阀开启泄压。同时，爆破针阀是否动作，应该仅由爆破针是否发生失稳决定，而不应依赖于任何外部公用工程条件。更为重要的是，爆破针阀的动作，绝对不能与分级控制阀依赖于相同的公用工程条件，否则，分级控制阀和爆破针阀就会同时出现故障，而将地面火炬系统和上游装置置于危险境地，很有可能导致安全事故。

对于气动爆破针阀而言，其动作不仅由分级控制阀组处的压力是否已经将爆破针压至失稳弯曲决定，也由仪表风这一公用工程条件决定。若仪表风出现故障，即使爆破针已经失稳弯曲，爆破针阀也无法开启，这样的泄压装置显然不是“失效安全型”。仪表风发生故障虽然属于特殊情况，但是并非不可能发生，必须引起足够的重视。

经与火炬总包方和气動爆破针阀厂家沟通，厂家建议在爆破针阀附近增加一个空气储罐，在储罐入口设置一个单向阀。在正常工作状态下，储气罐始终处于充气状态，当气源压力快速降低或者消失时，单向阀自动关闭，改由储罐继续给执行机构供气。此外，储罐应配置现场压力表、压力变送器（用以远传压力信号以监控储罐状态）、排污阀、安全阀和吹扫用阀门等附件。

项目及运行人员认为，增加空气储罐，只不过是没有其他更优选择情况下的无奈选择，仪表风的可靠性能够得到一定程度的提高，但不能改变气动爆破针阀不是“失效安全型”这一本质。气动爆破针阀还可能由于诸多因素失效，进而无法有效保护地面火炬及其上游设备，带来安全隐患，相关因素汇总如下表所示。

表格所述的危险因素，若在巡检过程未及时发现，表格所述的问题将变为隐性故障，导致气动爆破针阀无法按照设计要求在超压时开启，进而无法泄压，将意味着无法有效保护地面火炬系统及上游装置，严重的话将导致安全事故。因此，项目运行人员提高了对于气动爆破针阀的巡检频率，项目投产至今，平均每年能够发现并处理气动爆破针阀隐患十余处。

4 现场调试及后续运行测试中发现的爆破压力升高问题

在低压地面火炬调试阶段，业主与火炬总包方及气动爆破针阀厂家共同对气动爆破针阀进行逐个测试。根据气动爆破针阀厂家承诺的精度，实际爆破压力相对于设定压力允许的偏差为±9%。根据现场读取的爆破压力，所有5台阀门均在大大高于设定压力9%后方能爆破，其中3台阀门高于设定压力110%后爆破，另外两台阀们高于设定压力150%后爆破。

爆破针阀可以视作整个乙烯工程低压火炬气系统的最后一道安全保护设施，在特殊工况下，若爆（下转第163页）（上接第160页）破针阀不能如其动作而导致火炬气背压持续升高，会导致其上游装置（包括储罐、容器、压缩机等）无法及时泄压而引发危险。气动爆破针阀厂家就爆破压力上升分析原因如下，并相应地提供了解决方案。

在气动爆破针阀出厂前，厂家对所有的密封件（这其中包括换向阀阀芯与阀体之间的6个O形环，活塞与缸体之间的1个O形环），均涂抹了含PTFE的多用途润滑脂Slick 50。从阀门出厂到现场测试，已有近半年时间，润滑脂不可避免地会发生燥化，并且密封件的分子会由于微布朗运动（分子热运动）迁移到对偶件的表面，在一定程度上形成“粘连”现象，因此，实际爆破压力大幅度上升是可以预见的。

厂家建议，将爆破针型换向阀拆开，取下相关密封件，使用合适的清洗剂对密封件及相关部件进行彻底清洁，并充分涂敷润滑脂Slick 50。按上述程序操作后，对5台气动爆破针阀进行逐个测试，其中4台阀门在设定压力±9%的偏差内爆破，另有1台阀门在高于设定压力17%后爆破。

在地面火炬投产后约3个月后，为了掌握气动爆破针阀的实际爆破压力，运行人员再次对5台气动爆破针阀进行测试，测试结果发现其中2台阀门高于设定压力80%后爆破，2台阀门高于设定压力100%后爆破，另有1台阀门在高于设定压力130%后爆破。

项目运行人员再次联系火炬总包方和气动爆破针阀厂家。厂家认为，爆破压力上升仍然主要是由润滑脂的燥化和非金属密封环与金属件的“粘连”造成的。这是采用此种结构爆破针型换向阀的必然结果，是由自然规律决定的。由于本项目设定压力较低（多数阀门设定压力低于25kPag），因此，爆破压力上升比例更为明显。厂家建议定期活动爆破针型换向阀的阀芯，若有条件，应定期清洗密封环及相关部件，涂敷新的润滑脂。

从上述测试结果及厂家解释不难看出，由于爆破针型两位五通换向阀中多处采用了O形环密封，并且为了降低密封环与相关部件之间的摩擦力及其变动水平而使用了润滑脂，润滑脂的燥化效应和密封环金属件之间的“粘连”会造成实际爆破压力随着时间的推移而持续上升。这会导致爆破针阀不能按照设计爆破，不能有效保护地面火炬及其上游装置，对整个乙烯工程而言是一个安全隐患，并且大大增加了现场工作人员的工作量。

5 结论

众所周知，火炬系统是石化厂的最后一道安全防线，而作为旁路使用的爆破针阀则是地面火炬系统及其上游装置的最后安全保障。其可靠性影响的不仅是局部的安全，更会影响全厂所有产生火炬气的装置的安全。随着石化企业生产规模的不断扩大，工艺流程也日趋复杂，事故发生的几率和危害程度也不断增加，所有影响安全的环节都应做到本质安全，而不应存侥幸心理。

由于气动爆破针阀依赖于外界公用工程条件，其功能能否完成取决于外界条件，外界气源失效时，这一类爆破针阀完全失效，这一类爆破针阀不是“失效安全型”，不满足API 537和SH 3009标准的基本要求。更为重要的是，气动爆破针阀和分级控制阀均依赖相同的公用工程条件，极有可能出现分级控制阀和爆破针阀同时出现故障的状况，那时地面火炬系统和上游装置将处于危险境地，很有可能导致安全事故。因此，在今后的项目中不应选择气动爆破针阀作为分级阀旁路使用。

此外，实际应用中发现，由于气动爆破针阀多处使用了O形环和润滑脂，O形环与金属件的“粘连”以及润滑脂的燥化，都会造成实际爆破压力的上升，这是采用此种结构爆破针型换向阀的必然结果。因此，厂家建议定期活动爆破针型换向阀的阀芯，并应定期清洗密封环及相关部件，涂敷新的润滑脂。这是无奈之举，无法彻底解决安全隐患，并且大大增加了现场工作人员的工作量。

对于已经使用气动爆破针阀的项目，应在条件具备时使用纯机械式爆破针阀更換气动爆破针阀。在更换前，应加大巡检力度，及早发现并解决安全隐患。

参考文献：

[1] API Standard 537， Flare Details For General Refinery And Petrochemical Service，2008.

[2] SH3009-2013.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.

[3]于维国，陈雅茹.仪表风管线冻凝事故分析及解决对策[J].化工机械，2012，39（4）：515-517.