地面火炬用爆破针型阀的选型要求

慕小军（上海亨斯迈聚氨酯有限公司，上海 2011507）

地面火炬用爆破针型阀的选型要求

慕小军（上海亨斯迈聚氨酯有限公司，上海 2011507）

随着世界各国用户对于环保、安全以及与居民友好性重视程度的不断提高，国内外越来越多的企业开始采用地面火炬。地面火炬的分级运行是通过分级控制阀实现的。为保证分级控制阀失效时火炬系统仍然能够安全地处理火炬气，分级控制阀设置爆破针型阀作为旁路受到越来越多用户的青睐。然而对于国内用户而言，爆破针型阀是一种较新的泄压装置，选型经验欠缺，一些用户在采购阶段甚至未能提出爆破针型阀的关键技术要求，造成合同执行和货物验收没有技术依据。作者将对爆破针型阀选型时应考虑的关键技术条件和应注意的问题进行讨论，供相关用户在选择时参考。

地面火炬；针形阀；爆破；泄放

火炬系统是炼油厂、石化厂、天然气处理厂以及其它会产生可燃气体的化工厂中必不可少的安全与环保设施，其可靠运行对于这些工厂的安全生产至关重要。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。相对于高架火炬，地面火炬具有在整个处理能力范围内均可实现无烟燃烧、安全防护距离及占地面积较小、检修较方便以及可以避免在火炬燃烧时造成周边居民不必要的恐慌等优点。地面火炬采取分级运行的方式使得火炬气在火炬头出口处始终有足够的速度和能量，由此保证火炬气能够引射足够的空气并形成低辐射的无烟燃烧。

为保证分级控制阀失效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爆破片或者爆破针型阀作为旁路，旁路的功能是在火炬系统内压力超过了设定值时自动开启以将火炬气泄放至火炬头燃烧［1，2］。

较爆破片而言，爆破针型阀具有①爆破精度高；②复位简单、无需拆卸管道，③时间短且无介质流失；④无需定期更换；⑤易于判断是否发生爆破；⑥可靠性可在线检查；⑦长期运行成本低等明显优势。近年来，国内外大多数新建地面火炬均采用爆破针型阀作为旁路。

1 爆破针型阀的工作原理

美国国家委员会2007年夏季简报介绍了两种类型的爆破针型阀［3］。第一种爆破针型阀的阀瓣承受的介质压力通过与其一体的阀杆直接地加载在爆破针上，在爆破针失稳时，阀瓣与阀座脱离进而达到泄压的目的，本文称之为直接式爆破针型阀，如图1所示。

图1 直接式爆破针型阀

第二种爆破针型阀基于偏心蝶阀设计，偏心设计使得阀杆两侧蝶板所承受的介质压力大小不同，进而产生了作用在阀杆上的扭矩。此扭矩通过如图2所示的一系列杠杆机构间接地加载于爆破针上。当爆破针发生压杆失稳时，偏心蝶阀会开启而达到泄压的目的。本文称之为间接式爆破针型阀，如图2所示。

图2 间接式爆破针型阀及其泄压触发机构

除了上述两种类型的爆破针型阀，有的厂家还基于直接式爆破针型阀设计了先导式爆破针型阀。先导式爆破针型阀具有反应更加灵敏、动作精度更高、适用于整定压力超低工况等特点，是很多工况的理想选择。

2 爆破针型阀选型要求

爆破针型阀主要由开关阀和泄压触发机构两部分组成［4］。当系统压力低于阀门的爆破压力时，开关阀处于密封状态；当系统压力达到阀门的爆破压力时，泄压触发机构中的爆破针会失稳弯曲进而触发开关阀的开启，从而达到泄压的目的。

在爆破针型阀选型过程中，应考虑爆破针型阀所处的工况条件对于开关阀和泄压触发机构两部分的要求，以保证爆破针型阀作为一个整体可以长周期可靠运行。地面火炬项目用爆破针型阀所处的工况有以下特点：

2.1 室外安装且无顶棚；

2.2 火炬气为易燃易爆气体，有的火炬气有一定的腐蚀性；

2.3 火炬气来自工厂内不同生产装置或者压力储罐，不同来源的火炬气在组分和温度等方面差异很大；

2.4 爆破针型阀设定压力通常很低。

针对以上爆破针型阀的工况特点，对爆破针型阀选型时应提出的关键技术条件和应注意的问题如下：

3 爆破针型阀的泄压触发机构必须适应其工作的外部环境

作为泄压触发机构的心脏，爆破针的材料性能对环境温度的敏感程度应经过测试，并且在产品设计过程应充分考虑环境温度变化对于爆破精度的影响，包括不同季节的温度变化、环境中的灰尘、风沙以及冰雪等。

此外，爆破针及其夹持机构不应对于环境中的灰尘敏感，以保证阀门的可靠性不受灰尘的影响。直接式爆破针型阀仅有一个运动部件，除非异物体积特别大，几乎不存在因异物卡塞而失效的可能。

为了将蝶阀的扭矩转化为作用在爆破针上的直线推力，间接式爆破针型阀采用了极为复杂的泄压触发机构，此泄压触发机构共涉及十几个形状不规则的部件，这些部件需精确配合才能保证阀门的准确泄压。任意一个部件受到异物的卡塞或者积累过多的灰尘，都会降低阀门的精度，甚至造成阀门失效。因此，直接式爆破针型阀的泄压触发机构较间接式爆破针型阀更加稳健，更加适宜室外安装且无顶棚的工作环境。

3.1 爆破针型阀的选材及结构设计应满足所应用工况。

爆破针型阀的选材和设计既应考虑阀门工作的外部环境（例如，极端环境温度、有无盐雾气氛），又应考虑阀门内部的介质条件（例如，介质的温度、腐蚀性）。

以超低温地面火炬用爆破针型阀为例，除了满足ASME锅炉及压力容器规范第Ⅷ卷第1册UG 138篇对于爆破针型阀设计、制造和测试的最低要求之外，其设计、选材和制造还应参考低温阀相关国内及国际标准。与其它应用于超低温环境的阀门相同，爆破针型阀必须设置长颈结构，以使阀杆填料和泄压触发机构远离超低温介质，进而防止阀体/阀杆内的超低温介质会损坏填料和泄压触发机构的功能，并且阀门应采用奥氏体不锈钢或者更优的材料。

3.2 爆破针型阀必须拥有良好的密封性能。

SH 3009-2013规定“由于地面火炬燃烧器安装在地面上，各分级管道上的控制阀和旁路上的爆破针阀一旦发生泄漏，火炬气将聚集在地面火炬设施周围，可能引发安全事故，因此控制阀和爆破针阀的密封性能一定要好”。

爆破针型阀至少有两处动密封结构，一处是阀座与阀瓣之间的密封，另一处是阀杆与阀盖之间的密封。这两处动密封是爆破针型阀设计的关键点也是难点，地面火炬用爆破针型阀更是如此。原因是，地面火炬用爆破针型阀的整定压力通常较低，且受到火炬上游装置最大允许背压及火炬气管道直径等工艺条件的限制很难提高。

压力很低意味着动力（即介质压力在阀瓣上产生的推力或扭矩）十分有限。爆破针型阀精度的主要决定因素是相关摩擦力与介质动力相比较所占的比例，为了在动力较低的情况下保证爆破精度，厂家会竭尽所能的降低密封副之间的摩擦力，即降低密封之间的接触压力或者接触宽度，这意味着在一定程度上牺牲密封性能。

较直接式爆破针型阀而言，间接式爆破针型阀应用于低压工况时设计更为困难。原因是，旋转型爆破针型阀通过杠杆机构向爆破针传递的是介质动力（压力在阀杆两侧的蝶板面积上产生的力的差值）克服密封副之间摩擦力后的剩余力，杠杆机构不能改变摩擦力与介质动力相比较的比例，即杠杆机构不能提高其精度，而且杠杆机构各元件之间的摩擦力还会进一步降低其精度。介质压力被部分地、间接地传递的本质决定了间接式爆破针型阀的精度更加难以控制，结果是间接式爆破针型阀所选用的密封元件远细于直线型爆破针型阀。

间接式爆破针型阀的设计原理决定了其密封系统更为脆弱，密封性能很难保证。国外某项目曾发生由于间接式爆破针型阀内漏而造成的回火爆炸事故。事故调查结论显示，爆破针型阀在密封元件未出现明显磨损的情况下发生了泄漏，原因是密封元件过细，难以保证长期可靠密封。并且在事故调查过程中发现被测间接式爆破针型阀同时也存在外漏问题［5］。

3.3 爆破针型阀应考虑火灾工况。

如上文所述，由于爆破针型阀的设定压力很低，其两处动密封均不可能采用金属密封，因而爆破针型阀本身很难做到防火设计（即在火灾工况下两处动密封不失效）。为最大程度地减少火灾造成的危害，将损失降到最小，一种可行的方案是采用易熔金属材料作为爆破针夹持螺母，夹持螺母会在火灾发生时熔化，若管道内存在一定压力的火炬气，爆破针型阀会自动开启，火炬气泄放至火炬头处燃烧，避免了火炬气在分级区域助燃或爆炸，也就是阀门自动调整至了危害最小的状态。

3.4 爆破针型阀需要进行壳体压力、阀座密封和动作性能试验后方能出厂

对于阀座密封试验，如果没有特殊要求，厂家通常选取的试验压力为整定压力的90%［7］。考虑到地面火炬项目整定压力通常较低，以及阀座密封性能对于火炬系统可靠运行的重要性，可要求厂家适当提高试验压力和保压时间。

对于动作性能试验，厂家通常使用常温介质进行试验。若实际工况下介质温度与常温差距很大，例如介质为超低温，则应考虑要求厂家抽取一定数量的阀门使用超低温介质进行动作性能试验，以保证阀门在实际使用中的动作性能。软密封材料的膨胀系数较金属材料大得多，其低温时的收缩量会比与之配合的金属部件大得多，它们之间的配合状态会发生改变，仅进行常温下进行的动作性能试验结果并不能说明阀门在超低温状态下的性能，因此，需要使用超低温介质进行动作性能试验。

3.5 爆破针型阀需要选择合适的爆破精度。

爆破针型阀精度的提高在一定程度上有利于降低整个地面火炬的投资。分级压力对于地面火炬项目是十分珍贵的资源，因为分级压力的提高意味着燃烧器数量和所需级数的降低，意味着投资成本的降低。分级压力的提高受制于分级管道前总管最高允许背压和分级旁路泄压装置的性能两个因素。分级管道前总管的最高允许背压由火炬上游装置边界处的最大允许背压以及火炬气管网的设计共同决定，在不增加投资的情况下很难提高。

提高分级压力的可能途径是采用精度更高的爆破针型阀。假设，分级管道前总管最高允许背压为P，爆破针型阀的整定压力为P set，爆破精度为±x%，分级压力为P staging，则这些压力应满足：

3.5.1 P＞Pset×（1+x%），即总管最高允许背压应严格高于爆破针型阀可能爆破压力的最高值，否则上游装置可能会损坏；

3.5.2 Pstaging＜P set×（1-x%）＜P（1-x%）/（1+x%）=P［2/（1+x%）-1］，即分级压力应低于爆破针型阀可能爆破压力的最低值，否则可能会造成泄压装置的频繁误报，给最终用户带来额外麻烦及成本。

这些压力之间的关系如图3所示：

图3 地面火炬各关键压力间的关系图

显然，火炬气总管的最高允许背压一定的情况下，所采用的爆破针型阀精度越高，分级压力会越高，越有利于减少燃烧器的数量和火炬级数并进而降低整个地面火炬的总投资。

值得注意的是，ASME锅炉及压力容器规范第Ⅷ卷第1册对于爆破针型阀的精度要求为：当爆破针型阀的整定压力高于300kPa时，精度为±5%；当爆破针型阀的整定压力低于300kPa时，精度为±15kPa［6］。这一要求是针对所有行业压力容器与压力管道的最低要求，并没有顾及地面火炬的特殊性。地面火炬爆破针型阀的整定压力通常较低，仅仅满足ASME的要求，并不能满足地面火炬的需求。因此，在采购阶段应对爆破针型阀的精度提出明确要求。

4 结语

地面火炬的工况条件十分特殊，ASME标准作为一个通用性标准并不能全方位地覆盖对于地面火炬用爆破针型阀的要求，地面火炬用户和设计方应按照实际工况要求提出对于爆破针型阀的具体要求，作为合同执行和货物验收的技术依据，以保证设备的长期可靠运行。

［1］API Std 537，Flare Details for General Refineryand Petro⁃chemical Service，2008.

［2］SH 3009，石油化工可燃性气体排放系统设计规范，2013.

［3］Joseph F.Ball.New Pressure Relief Device Designs，Na⁃tional Board Bulletin，2007（Summer）.

［4］API RP 520，炼油厂压力泄放装置的定径、选择和安装，2001.

［5］R.Allen.Incident Report for Flare Flashback Explosion In⁃cident.2012.http：//free.yudu.com/item/details/2381993/Flash⁃back-Explosion-Investigation-Report.

［6］ASME锅炉及压力容器规范第Ⅷ卷第1册，2010.

［7］API Std 527，Seat Tightness of Pressure Relief Valves，1991.