石油化工大型罐区中控制阀的安全应用与研究

李柯萱，施华峰，任 泓

（1. 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001； 2. 中国寰球工程公司辽宁分公司，辽宁 抚顺 113006）

石油化工大型罐区中控制阀的安全应用与研究

李柯萱1，施华峰1，任 泓2

（1. 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001； 2. 中国寰球工程公司辽宁分公司，辽宁 抚顺 113006）

控制阀是石油化工罐区中的主要元件之一，它的安全性能是衡量阀门质量优劣的重要指标，阀门检验标准中对阀门的安全等级有明确的规定。通过对控制阀的类型与结构分析，并在工程设计中充分考虑其使用工况，使控制阀在石油化工大型罐区中尤其在安全方面能够合理的进行选型及应用，力求选用的阀门满足安全、合理和经济的原则。

控制阀；密封等级；防火；API607

控制阀是控制系统的终端,主要对输油、输气管线起开启和关闭作用。 一旦其发生故障，对生产过程的影响非常大。阀门出现故障原因可归纳为以下几点：

(1) 用户对阀门结构、安装调试等技术要求不了解。有些用户按照自己的工作习惯对阀门进行测试而未能严格按照国际或国家标准进行测试从而出现问题。

(2) 用户使用调整不当或出现问题未及时发现并排除造成阀门损坏。一些用户使用方法不当造成阀门损坏或者改变阀门原有装配状态后未能准确调整复原，阀门工作一定时间之后便发生损坏。

(3) 阀门选型失误。选型的失误往往有两种情况，阀门选型人员的工作失误和用户提供错误信息。

(4) 阀门长期工作导致部分零件疲劳损坏。这种损坏是任何设备都不可避免的正常损坏。

由此控制阀在石油化工大型罐区中运行的安全性备受关注。本文主要对石油化工罐区设计中阀门的结构和类型进行分析和阐述，使相关人员对其有更加深入的理解，从而降低误操作带来的损失。

1 大型罐区中的阀门

在石油化工大型罐区中，要求线路切断阀——控制阀具有可靠的开关，紧急切断，密封好，泄漏量小和防火等性能。球阀、蝶阀和闸阀是应用于储罐中控制入口进出料最广泛的阀门。

它们作为控制系统的终端设备，为生产流程的安全运行起着不可估量的作用。尤其在化工生产装置中，随着装置高负荷运行，阀门的腐蚀、冲刷、磨损、振动、内漏等问题不断发生，导致阀门的使用寿命缩短、工作可靠性下降、进而引起工艺系统和装置的生产效率大幅度下降，严重时甚至导致全线停车[1]。

因此，需要设计和操作人员对影响阀门安全的诸因素：阀门结构型式、泄漏量、防火以及执行机构的型式等有更深层和更系统的认识。

1.1 球阀

球阀的启闭件为一球体，结构如图1所示。

图1 球阀结构图Fig. 1 Structure of ball valves

球体与其相连的连杆在动力作用下做直线运动，通过拔叉和滑块球体绕阀体中心线作旋转来实现开启和关闭动作，使其具有可靠的开关作用。球阀的结构形式分为浮动球式和固定球式，连接形式分为法兰连接、焊接连接及螺纹连接。

球阀的特点如下：

(1)结构紧凑，重量轻，体积小，开关操作迅速、容易；(2)带有二次防火密封结构的全密封型，密封方式采用具有双线密封阀座的双密封结构；(3)阀体对称，能很好地承受来自管道的温度应力；(4)介质流向可以任意，流量特性为快开特性；(5)流阻小，球阀开孔尺寸与管径相同，特别适用于二位式开关控制，像紧急切断、顺序控制等场合。选用阀门的口径通常与工艺管道的直径相同[2]。

1.2 蝶阀

蝶阀的启闭件为一蝶形阀板，具有切断作用。蝶阀按结构分为三种型式，中心对置蝶阀是阀板以阀杆为中心对称布置，这种阀门的结构一般是单根阀杆，通常口径小于500 mm，弹性阀座将阀体盖住，介质不与阀体直接接触，有较好的防腐性能。单偏心蝶阀是阀杆与阀板有一个方向的偏心，一般为较大口径的蝶阀，阀杆大都采用两节结构。双（三）偏心蝶阀是阀杆与阀板有两（三）个方向的偏心。由于蝶阀具有自清洁作用，因此可广泛使用于有悬浮颗粒物和浓浊浆状的流体，它特别适用于大口径、大流量、低压差的场合。

按使用要求可分为常温蝶阀（-20～45 ℃）、高温蝶阀（450 ℃、600～850 ℃）、低温蝶阀（-200～-40℃）、高压蝶阀（PN32 MPa）。普通蝶阀结构主要由阀体、阀板、传动件及执行器构成，如图2所示。用圆盘形阀板往复回转90°来开启、关闭。突出的特点是体积小、重量轻、安装尺寸小。蝶阀适合大口径、大流量，要求开启、关闭速度快，且具有良好的流体控制特性，不干净介质场合。由于结构和密封材料的限制，蝶阀不宜用于特别高的压力、压差条件下。

图2 蝶阀结构图Fig. 2 Structure of butterfly valves

1.3 闸阀

闸阀可以满足生产过程中自动快速排放和紧急切断的操作要求，适用于生产过程和设备的安全保护系统及一般的两位控制和开关操作场合。闸阀分为楔形闸阀和平行板闸阀两种，结构如图3图4所示。

图3 楔形闸阀结构Fig. 3 Structure of wedge gate valves

图4 平行板闸阀结构Fig. 4 Structure of parallel plate gate valves

从图中可以看到楔形闸阀的阀芯是一个楔形块，如图3（11）所示，当阀门关闭时执行机构推动阀杆使楔形块压紧阀座。为了保证密封，需要执行机构消耗较大的力将阀芯与阀座砸紧。这样会发出较大的切断力，使管线产生振动，噪音大。如果长时间关闭阀门还可能导致阀芯与阀座之间锈死而难以开启。针对楔形闸阀的不足，工业中更多采用平行板闸阀，它在结构上采用对阀芯安装了一对平行阀板的方法。当阀门关闭时，阀芯被平行板夹紧来保证密封性能；当阀门开启时,先将平行板分开,然后阀芯再离开阀座。这样可使执行机构更省力,减少了噪音和振动的产生。

2 控制阀设计

2.1 执行机构

控制阀由阀体和执行机构两部分组成，因此执行机构的选择也是十分重要的。执行机构分为电动和气动两种，电动执行机构一般由电机、蜗轮蜗杆减速机构、电源部分、伺服放大部分、位置反馈以及显示控制面板等部分组成。电能通过电机和传动部分，带动阀杆或风门连杆做直线运动或转动。伺服放大部分以及位置反馈实现了精确调整、准确定位的控制作用[3]。显示部分是为了实现良好的人机对话和控制作用。

考虑到石油化工大型罐区中的介质具有易燃易爆的特性，因此较常采用气动执行机构，它具有结构简单、动作速度快、维修方便和价格便宜等优点。气动活塞执行机构按动作方式可分为单作用和双作用两种如图5所示，在结构上又分为单弹簧薄膜式和多弹簧薄膜式两种[4]。单作用式气动执行机构中薄膜与弹簧连接，利用通入到薄膜气室的信号压力使弹簧发生形变，从而控制阀芯动作。双作用执行机构是利用薄膜两端气室的压力差来控制阀芯动作。

图5 执行机构单作用和双作用图示Fig. 5 Actuators single function and dual action figure

2.2 阀门密封

阀的密封按ANSI标准共分为六级，在罐区设计中一般选择IV、V、VI级。阀门工作时，需要其具有良好的密封性，对于阀门的密封有两种：硬密封和软密封。所谓硬密封即阀板密封面和阀体密封面配对为金属材料。这种结构的阀门结构简单，使用寿命长，耐高温，但是如果要做到完全密封对工艺要求非常高，而且完全密封后，由于阀体与阀座接触紧密，容易锈死，不利开启。软密封是阀座采用具有弹性的材料，这种结构有利于完全密封，不易使流体流入阀间，对阀门起到保洁的作用。但软密封不适合用于含有颗粒的流体，因为较硬的颗粒会滞留在阀座上，损伤弹性材料影响阀门密封等级。而且，在防火性能上软密封相对硬密封较差。

球阀的软、硬密封选用主要依据工艺介质、温度及压力，一般对于含有固体颗粒或具有磨损性或温度高于200 ℃的介质最好选用硬密封，口径大于50 mm；压差较大还要考虑其阀门力矩大小，力矩较大时应选用固定密封球阀。但无论软密封还是硬密封，球阀的密封等级都可达到Ⅵ级。

中心对置蝶阀密封性能较好，能达到ANSI-B104Ⅵ级或零泄漏，但启闭所需的扭矩较大；单偏心蝶阀的密封性能比中心对称蝶阀差一些；启闭所需的扭矩较中心对称蝶阀小；双（三）偏心蝶阀的密封面呈正圆台形。其阀座有弹性体阀座和金属阀座两种，弹性体阀座的密封等级可达ANSI-B104的Ⅵ级或零泄漏，金属阀座常由金属薄板加工而成，密封等级一般为Ⅳ级。火灾安全型的双偏心蝶阀的阀座是由弹性体阀座加上金属薄板的阀座复合而成。正常情况下由弹性体阀座密封，可达ANSI-B104的Ⅵ级密封；火灾时，由于弹性体阀座烧毁，靠金属阀座密封，此时阀门的密封降到ANSI-B104的Ⅳ级。

闸阀的硬密封采用金属材料,密封性能相对较差,尽管有制造商宣称可以作到零泄漏。软密封的优点是密封性能好,缺点是容易老化、磨损、使用寿命短。硬密封使用寿命长，但是密封性相对比软密封差。这两种密封可以相互补充的,就密封性而言软密封相对较好,但是现在硬密封的密封性也能够满足相应的要求。

2.3 阀门电缆

阀门电缆分为动力电缆和控制电缆，它也是阀门安全运行的一个重要保障，它保证了控制阀能准确的接收来自控制室的信号，为了避免阀门电缆在火灾中燃烧，可以采用阻燃型防火电缆或采用埋地方式并尽量采取水平铺设形式，这样可有效保护阀门控制电缆的安全，确保在紧急状况下控制阀能关得严、打得开。

3 阀门防火

阀的防火设计，美国API607[5]防火标准中对于如何进行阀门的火灾测试有非常详尽的描述，对于测试后的评判标准也有明确的规定。在石油化工罐区中压力一般控制在4.0 MPa，当火灾发生时，阀所在的着火区域很快就会处于高温燃烧下，能否在30 min内依然保证严密关断及操作效果，成为阀门防火设计的关键所在。API607规定，在燃烧测试阶段，对于上游密封或双向密封且压力等级小于class600或者对于其他压力等级小于class900的阀门，尺寸为<=10寸的阀门，其允许最大泄漏量为100 mL/min,对于尺寸为>10寸的阀门，允许的最大泄露量为1 000 mL/min。因此，石油化工罐区中阀门的设计选型应尽可能考虑阀门的防火性能，以确保火灾事故状态下罐区的安全。

Safety-application and Research of Control Valves in Large Petrochemical Tank Farm

LI Ke-xuan1， SHI Hua-feng1， REN hong2
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；
2. HQCEC Liaoning Branch, Liaoning Fushun 113001，China）

Control valves are main component in oil chemical tank farm. Safety performance of the valves is an important index of quality. The security level in inspection standards for valve has specific provision. In this paper, through analyzing types and structures of control valves and considering its operating conditions in engineering design, suitable control valves were selected and used in petrochemical industry large tank farm in terms of security, reasonable and economic principles.

Control valves; Sealed class; Fire prevention; API607

TP 21

A

1671-0460（2012）02-0203-03

2012-01-11

李柯萱（1985-），女，辽宁抚顺人，硕士研究生，2009年毕业于辽宁石油化工大学测控技术与仪器专业，研究方向：智能仪表的测量与控制。E-m ail：likexuan1124@126.com。