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罐根阀、紧急切断阀、金属软管、工艺操作阀该如何布置

2021/9/9 11:02:06 人评论 次浏览 分类:控制阀  文章地址:/tech/3964.html

目前很多企业存在罐根阀、紧急切断阀、金属软管、工艺操作阀混用,安装不规范等问题,关于这几类阀门的布置也一直存在很多误区和争议,罐根阀可以当作紧急切断阀吗?是不是紧急切断阀一定放在罐根呢?金属软管和紧急切断阀哪个在前哪个在后呢?工艺操作阀是否可以同时兼做紧急切断阀呢?等等等等,那么本文结合个人多年工作经验,和大家一起探讨下罐根阀、紧急切断阀、金属软管、工艺操作阀应该如何布置,并就此类阀门的选型规则进行分享,帮助我们走出误区,答疑解惑。

现在很多设计单位和企业都比较困惑的是,在储罐罐根的进出口管道中,关于罐根阀、紧急切断阀、金属软管(大拉杆)等相互之间的布置,到底有没有一定的布置顺序呢?今天我就来探讨一下罐根管道的阀门布置问题。在对该问题进行深入探讨之前,需要明白各种阀门和金属软管的主要功能,读懂了这些就能大大有助于理解文中后续部分的思路。


1、罐根阀
罐根阀,顾名思义就是安装在罐根的第一道阀门,这里的罐根阀并非说的是阀门类型,而是根据位置衍生出来的一种专用叫法,即不管是什么类型的阀门(包括紧急切断阀),只要安装位置处于罐根,都可以称为罐根阀。

罐根阀

罐根阀由于是紧挨着罐壁法兰的第一道阀门,其主要功能在于实现罐设备本体和连接管道的物理隔离,并且这种隔离一般是在非突发性事故状态下,为了检修或者其他目的而进行的主动性隔离,其在储罐正常运行中是保持长时间开启状态,只有在罐本体检修、管线维修或者需要隔离物料时,罐根阀才进行关闭操作。


2、紧急切断阀
紧急切断阀,这里的紧急切断主要就是指联锁报警或事故状态下,对储罐进出口管线的物料进行的一个紧急切断操作。

紧急切断阀

目的有两个,其一是维持储罐本体的物料在一个极限范围之内,其二是当罐区周边发生火灾时或管道泄露时,及时隔离储罐与外界的连通,保护储罐免受外界的不利影响。所以关于紧急切断阀,我们需要知道他的两个特性,第一,非正常状态下才启动,也就是说,在储罐正常进出物料中,紧急切断阀是保持开度状态的。第二,紧急快速切断,换句话说,该阀只能用于完全切断,不能用于调节。工艺操作需要调节的话,只能再另外安装一个供调节用的阀门。


3、金属软管
金属软管,罐区采用金属软管,其本质是柔性设计的替代产物,在《GB50160-2018石油化工企业设计防火标准》第6.2.25条中,明确提出了储罐的进出口管道应采用柔性连接。在条文说明中,其主要的目的是为了解决储罐和管道的不均匀沉降问题,也就是说,金属软管的使用纯粹是不得已而为之的策略,是为了解决储罐和管道的不均匀沉降问题,避免因沉降位移差而造成局部应力过大,破坏管道和设备的完整性。

金属软管

但同时其付出的代价就是管道结构的不连续,在一定程度上削弱了管道的整体强度,增加的两个法兰接口也成了两个潜在的泄漏危险源。所以,关于金属软管的使用,其本质目的就是以牺牲部分强度为代价来换取不均匀沉降造成的位移补偿。


4、工艺操作阀
工艺操作阀,之所以再额外增加这个工艺操作阀,也是企业罐区现场作业流程中不可缺少的一环,这个工艺操作阀可以是手动的,也可以是远传遥控的,其主要作用就是在储罐进出物料的日常运行中,需要频繁的开关操作进行物料的输送和切断。

工艺操作阀

关于工艺操作阀能不能兼做紧急切断阀呢?这个要根据具体问题具体分析,因为牵涉到重大危险源、SIS系统、以及SIL评估和SIL定级等,本文不再展开讨论。


明白了以上几个部件的作用和特性,我们就可以继续进入正题环节,我们按照从罐根开始向外扩展的顺序来一一解析。


如果我们把罐根阀设计为常开的闸阀,有朋友就问了,如果我把紧急切断阀放在罐根呢,因为紧急切断阀也是保持常开状态的,所以放在罐根貌似也没问题吧?


这个问题我们可以从反面去探讨,紧急切断阀一般都是联锁机构,如果构成重大危险源的话,还要进入SIS系统,另外这种紧急切断阀都带有执行机构,如电动、气动或液动等,并且还要具有FC(故障关)功能。带着这么多功能附件的紧急切断阀,其本身的故障率也就大大增加了,所以一旦发生故障,由于紧靠罐根的缘故,是无法下线检修的,除非清罐。但是如果发生故障的紧急切断阀恰好位于物料出口管道的话,清罐也无法实现,因为倒料的管道被堵死了。所以带联锁功能的紧急切断阀是不建议设置在罐根的。因为这并不是一个最优方案,紧急切断阀完全可以不必放在罐根,而且在满足安全要求的情况下,能避免出现上述不必要的问题。


扩展知识

罐根阀的选型,最基本的选型原则就是稳定可靠故障率低,罐根阀的状态通常为常开,也就是说当一个阀门保持常开状态时(周期可达几年),依然可以保持功能完整,具备随时关闭的能力。

我们以常用的三种阀门类型:闸阀、蝶阀和球阀做对比:


阀门类型   密封性                                             闭合行程阻力  启闭时间   可靠性

闸阀         优良,密封面受介质的冲刷和侵蚀小  最小                省力          较高

蝶阀         较差                                                  较大               迅速          一般
球阀         差                                                     较大               迅速           一般


闸阀相对于蝶阀和球阀来说,密封性能优良,闸板在闭合行程中阻力最小,并且闸板的升降是通过螺纹丝杠的机械式助力机构来实现的,相比较而言,蝶阀的阀瓣和球阀的阀球在长期保位后,存在锈蚀被卡塞的可能,阻力较大。虽然闸板也存在阻力,但闸板的行程是上下直线运动,摩擦接触面积较小,而蝶阀和球阀的闭合件做的是旋转运动,摩擦接触面积较大,可靠性大大降低,闸板阀门也有它的劣势,那就是关闭行程的时间太长,尤其是管径较大的阀门,一般都是配置了带蜗杆的助力机构,整个行程下来非常耗时。综合比较而言,在罐根布置常开的阀门时,采用闸板阀门具有一定的比较优势。


我们接着讨论金属软管的问题,金属软管的主要目的是解决储罐和连接管道的不均匀沉降问题,所以金属软管的布置只要不离罐根太远,就能达到其功能目的。但是关于金属软管布置最多的问题不是软管本身的问题,而是当它和紧急切断阀同时存在时,相对位置该如何布置的问题。换句话说,金属软管应当布置在紧急切断阀之前还是之后?


紧急切断阀顾名思义,就是在紧急情况下用来切断储罐物料进出的阀门,这里的切断还有一层隔离的意思,目的是当外界周边发生紧急情况时(比如火灾),彻底阻断并庇护储罐这个重大危险源,以防止火灾波及储罐,造成更严重的二次事故。所以遵循这个原则,我们完全可以肯定一点,就是从紧急切断阀直至罐根之间是不允许存在分支管线的,并且中间法兰数量尽可能的少,因为多一道法兰,也就多一道潜在的泄露源。而金属软管一般采用法兰连接,命中注定会增加两道法兰口的,所以如果把金属软管放在紧急切断阀之前,无疑增加了两个潜在的泄露源。

使用金属软管则增加了两个潜在的泄露源

将金属软管放在紧急切断阀之前,除了增加了两个潜在的泄露源之外,还有一个更为严重的隐患问题,那就是在事故下结构完整性的问题,典型的就是周围的流淌火带来的危险因素。这个要从金属软管本身的结构说起了,金属软管一般内层采用波纹管,外层采用钢丝网套组成,在常温下保持一定的强度没有问题,但是一旦处于火灾的烘烤之下,这种结构并不耐火,持续高温下,其强度和结构完整性大大降低,直至泄露失效。


事故案例

在2008年西南某省的一个储罐发生大火,其罐根的金属软管在高温的炙烤下,直接断裂了,如下图:

储罐火灾中烧断的金属软管

所以,将金属软管放在紧急切断阀之前个人建议是不可取的,存在一定的安全隐患。


通过以上所述,基本明确了罐根阀、紧急切断阀和金属软管的布置顺序,即储罐罐口法兰→罐根阀→紧急切断阀→金属软管。


那么还有一个工艺操作阀,工艺操作阀只要满足工艺要求就行了,其位置通常位于金属软管之后,因为如果布置在金属软管之前的话,那么金属软管的位置就离罐壁比较远了,这样的话,解决不均匀沉降的功能就弱化了。


最后一个问题,就是金属软管和大拉杆该怎么选择的问题,其实这个问题的本质就是力学上的一个挠度问题。


我们知道罐根管道出入口的柔性设计,如果采用金属软管的话,就是一个弯曲挠度的问题。挠度是和软管的直径和长度有关,在长度一定的情况下,直径小的金属软管,容易弯曲,随着直径的增加,挠度趋于下降,达到一定极限值后,几乎变成刚性的管了。所以罐根软管的选型设计,根据管道直径尺寸和要求的沉降值来进行设计,并且参照《SH/T3412-2017石油化工管道用金属软管选用、检验及验收》《GB/T14525-2010 波纹金属软管通用技术条件》来进行选型验证,如果罐区现场的安装距离无法满足金属软管长度的话,只能选择大拉杆来安装。


大拉杆和金属软管典型应用

某外企工程公司通常的做法是DN350以上的采用大拉杆,DN300以下的采用金属软管,这样能大大节省占地面积。

以上内容源自个人在工作中的一些经验总结,仅供大家参考,欢迎评论区一起探讨交流,如有不足之处,欢迎指正!

作者:闫长岭(青岛丽东化工有限公司高级工程师)

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