浅谈合成氨装置中的阀门防火措施

王冬，刘念，张政

(1. 中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223；2. 中国船舶重工集团公司 第七一六研究所，江苏 连云港 222000)

根据API RP 553有关紧急切断阀的定义，用于紧急切断的阀门，其设计的目的是为了阻止易燃或有毒物质不受控制的释放。防火分区是指在泄漏源半径7.6 m(300 in)最小范围内的不安全区域。如果紧急切断阀设置在防火分区内，阀门应该选用防火阀门[1]。API RP 553中定义的紧急切断阀有四种类别及对应的安装位置，见表1所列。

根据实际工程经验，平常接触的紧急切断阀一般采用D型的隔离要求，防火分区内的执行机构、控制电缆、电力管路等均应采用防火设计或者设计成火灾情况时操作不会失效，配管配线的支架也应采用防火设计。尽管API对紧急切断阀和防火分区的定义很明确，但在实际工程应用中，设计人员对紧急切断阀与防火分区之间关系的了解还仅仅停留在感性认识中，国内石油化工的设计文件中，也很少看到类似的设计和要求。因此，本文试图通过国外某项目合成氨装置中防火阀门的设计和应用，供工程设计人员参考与探讨。

表1 紧急切断阀的类别及对应的安装位置

1 阀门防火的标准

到目前为止，虽然还没有一种单一的试验或定义能够确定1台阀门是否能防火，在工业上也缺乏防火阀门的确切规定，但是很多工业学会、石油公司、保险公司、阀门制造厂家，以及英国、美国的有关机构已经规定了各种阀门的防火测试方法，常用的防火设计相关标准有API 607: 2010Firetestforquarter-turnvalveandvalvesequippedwithnonmetallicseats， API 6FA: 1993Specificationforfiretestforvalves， API 6FD: 2008Specificationforfiretestforcheckvalves， ISO 10497: 2010Testingofvalves—firetype-testingrequirements， UL 1709: 2007Rapidrisefiretestsofprotectionmaterialsforstructuralsteel， ISO 22899: 2007Determinationoftheresistancetojetfiresofpassivefireprotectionmaterials， GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》，SH/T 3005—2016《石油化工自动化仪表选型设计规范》等。其中， API 607: 2010提出了“旋转90°阀门和非金属阀座阀门的耐火试验”[2]，一般用于如球阀、旋塞阀、蝶阀等只能旋转90°的阀门，而且是针对软阀座阀门的耐火试验，不能用于金属密封的阀门。API 6FA： 1993是阀门耐火试验规范，是通用标准，可以用于软密封和硬密封阀门[3]；API 6FD： 2008是关于止回阀耐火的测试规范[4]；ISO 10497： 2010是关于手动操作阀门的耐火测试规范，提出了 “不包括除手动传动箱或其他类似的来自阀门装配的部分机械外的传动装置的耐火实验要求”[5]。

控制阀由执行机构和阀体部件两部分组成，在SH/T 3005—2016中分别对执行机构和阀体部件两部分进行了防火设计要求的说明，并提出“在工艺对调节阀有防火要求时，应选用符合API 607或API 6FA的火灾安全型调节阀”[6]，同时还提出开关阀的防火要求应符合GB 50160—2008的相关规定和工艺要求，如“液化石油气设备抽出管道应在靠近设备根部设置切断阀，容积超过50 m3的液化石油气设备与其抽出泵的防火间距小于15 m时，该切断阀应为带手动功能的遥控阀，遥控阀就地操作按钮距抽出泵的防火间距不应小于15 m”[7]。

在相关标准的试验程序中，并没有针对电动、气动、液动等执行机构提出耐火实验要求，API 607： 2010更是明确表示执行机构被排除在标准范围之外，而对于需要通过安装防火罩等方法达到防火目标的执行机构，岸上阀门的执行机构主要是符合UL 1709： 2007《烃类池火标准》，即“在1 093 ℃下，抵抗烃类火灾30 min”[8]，海上阀门的执行机构等主要是符合ISO 22899： 2007《烃类喷射火标准》，即“在1 300 ℃以及爆炸产生的超压0.29 MPa下，抵抗烃类喷射火”[9]。

工业应用在大多数情况下，阀门不会受到火灾或其他超高温条件的影响，在正常操作中，阀门的阀体和关闭部件之间的接口处，应该能够密封关闭，用户会要求阀门在正常操作时既具有良好的密封性，同时又具有防火性。很多厂家为解决该类复杂问题，研制出了各种各样的“软”“硬”密封组件，所有这两类组件着火后都能保持金属面接触的密封，其中硬密封一般采用金属或硬合金制成，本身具有耐高温性；软密封用橡皮、塑料或熔点低于370 ℃的弹性材料，软密封组件在火灾后销毁，可以凭借系统的压力、阀板的旋转力或弹簧力、自身重力等的作用保持金属面接触，但很多软阀座在燃烧后的安全性不甚理想，这时就需要选用更为严格的标准来对阀门防火性能进行测试、分析和对比。SH/T 3005—2016中提出“开关阀应选用金属密封阀座及阀内件，带防火垫片及增强型柔性石墨填料，金属密封的要求也可以通过特殊设计的软阀座实现，保证软阀座在火灾时(烧化)阀门为金属对金属密封”[6]。

阀门具有耐火性能可以理解为阀门在高温火焰中保持正常工作的能力，阀门的耐火实验是确定其耐火性能的唯一实施方法。不同制造厂家所提供的阀门只能符合1个或2个防火标准，例如洛克威尔公司提供的防火柱塞阀符合API RP 6HT的规定，沃泰克公司提供的防火法兰球阀符合API 607： 2010的规定，另一些公司提供的阀门只能符合另一些标准的规定等。耐火性能的测试不仅仅有API和ISO的规定，还有其他国家和组织的标准，例如欧洲BS标准，在工程实际应用中应加以区别对待。

2 阀门防火的措施

化工企业一般都是封闭化生产，在火灾危险性较高的化工控制系统中，阀门作为调节系统的终端执行装置，是化工管道系统的重要组成部分，接受手动或自动信号实现对化工流程的控制，具有调节压力、防止逆流、稳压稳泄等功能。当超压时，能把过剩易燃、易爆介质紧急排放出去，保证压力容器和管道系统的安全运行，防止火灾事故的发生；当火灾发生时，使用特定耐火性能的阀门可以在高温火焰中保持正常运行，避免易燃、易爆介质泄漏，保障生产设备和人身安全。因此，为阀门制订相应的防火措施，具有非常重要的意义。

虽然不同的阀门具有不同的规格，防火试验方法也不相同，但是可以通过分析阀门结构和防火安全故障产生的原因，分别针对阀体和执行机构制订具体防火措施。一般阀门的结构如图1所示。

图1 阀门结构示意

2.1 阀体的密封

从图1可以看到，阀门需要密封的位置主要如下：

1)阀盖与阀体的法兰连接密封面，一般采用垫片密封。

2)阀杆与阀体的密封，一般采用填料密封。

3)阀芯与阀体的密封，主要通过阀芯与阀体的加工精度及密封材料特性密封，如硬质合金等。

4)具有上密封结构的密封，是指阀门开启后阀芯与上密封座的密封，一般采用填料密封。

5)具有波纹管密封结构的密封，阻断了介质由波纹管和支座之间的间隙流入上阀盖的通路，起到密封作用，进而提高了阀杆与阀体间的密封效果。

6)阀体前后与管道之间法兰连接密封面，一般采用垫片密封。

因此，通过对阀门密封性能的了解，可以知道易泄漏点，从而提出不同的防漏措施，这对阀门的整体防火设计具有重大的指导意义。

2.2 阀体的防火

阀体部件是控制阀的调节部分，它直接与介质接触，由执行机构推动其发生位移而改变节流面积，达到调节的目的，与阀芯和阀座密封圈一起形成密封后能够有效承受介质压力。因此，根据阀体的性能特点可以采取以下三种防火措施：

1)在火灾时阀门内部泄漏量达到最小。在阀门正常的工作压力下，阀芯与阀体密封面处发生超过允许程度的泄漏时，容易导致介质的不断流失。此外，常用的控制阀的密封面都是金属材料对金属材料，介质的不断泄漏还会导致硬的密封材料遭到破坏，在介质带压情况下想做到零泄漏是非常困难的。因此，在发生火灾时，无论阀门的密封结构如何以及弹簧力和外加压力如何变化，首要考虑的应是保证阀芯与阀体的金属面接触，最大限度地降低阀门内部的泄漏量，从而避免可燃性介质流入大火之中。

为了尽量减少阀门在火灾时的内部泄漏，主要考虑的方法有： 定期对阀门进行检修，保证密封面的质量，提升密封面材质从而降低密封面损伤，合理选型避免阀芯和阀体的侵蚀和气蚀等。

2)在火灾时外部泄漏量达到最小。阀门的外部泄漏一般分为三种情况：

a)结合面的螺栓紧力不够或偏紧，造成结合面密封不好。解决办法： 通过调整螺栓紧力，在紧螺栓时使用对角把紧的方式，最好是边扭紧边测量各处间隙，直到达到预定的力矩为止，并使结合面各处间隙一致。

b)结合面的齿形密封垫不符合标准。例如，齿形密封垫径向有轻微沟痕，平行度差，齿形过尖或过坡等缺陷都会造成密封失效，从而使阀体结合面渗漏。在检修时把好备件质量关，采用合乎标准的齿形密封垫以避免该现象的发生。

c)结合面的平面度太差或被硬的杂质垫住造成密封失效。对由于阀体结合面的平面度太差而引起阀体结合面渗漏的，通常将阀门解体重新研磨结合面直至符合质量标准，在阀门组装时应清理结合面从而避免杂质落入。

为了尽量减少阀门在火灾时的外部泄漏，应采用能防火的阀杆密封材料，避免使用较大的垫片式阀体连接，提升各材质的耐火性能等。

3)在火灾时具有连续稳定的操作性。只有保证阀门在燃烧后仍能正常连续稳定工作，满足工艺连续正常操作的需求，才有可能避免火灾险情朝着大面积火灾、连锁性爆炸发展，也为其他灭火消防措施创造有利条件。

在火灾发生时，为了保证阀门具有稳定的操作性，仅仅是阀体部件满足防火要求还不够，需要执行机构及其配管配线采用防火设计，以达到阀门整体防火设计的要求。

2.3 执行机构的防火

执行机构使用液体、气体、电力或其他能源能够通过电机、气缸或其他装置将其转化成驱动作用。工业中最常用的是气动执行机构和电动执行机构，气动执行机构接收气动控制器或阀门定位器输出的气压信号，将其转换成相应的推杆直线位移以推动阀门动作，主要有薄膜式和活塞式两种类型。电动执行机构用电源做驱动能源，对于大尺寸阀门一般选用三相电源，对于小尺寸阀门可选用单相电源。

工业应用中，阀门通常选用弹簧式气动膜片的执行机构，在发生火灾时，膜片熔点低并能很快损坏，弹簧移动使得阀门处于安全位置；当选用活塞式往复弹簧执行机构时，如果气缸温度达到或超过易熔塞的熔点时，易熔塞熔化可以使气缸内压力卸放掉，活塞在另一侧弹簧或储气罐内压缩空气的推力作用下使阀门处于安全位置；也有少量阀门选用带弹簧复位功能的电动执行机构，在发生火灾时，阀门外部温度达到熔断部件的允许熔断极限值导致熔断部件断裂，力矩控制机构内的活动件在弹性元件的弹性力作用下相对固定件移动，从而启动执行机构的触发器驱动阀门到安全位置。

因此，只有保护好弹性结构，使它在火灾中免受火焰退火的影响，才能保证执行机构着火后仍能正常运行，保护执行机构的方法主要有三种： 用防火涂层、用洒水器或用绝热材料。

1)在执行机构上涂膨胀防火涂层，使执行机构在遇到火灾发生时能够正常运行。在一个燃烧试验中，由于涂料的保护，虽然火温高达760～927 ℃，执行机构仍能工作42 min，试验结果也表明弹簧并不受燃烧火焰的影响，活塞与连杆的密封也依然良好。但是需要注意涂层涂抹的过程中，避免封住密封部位导致维修不便，对执行机构壳体的熔点也有较高要求，不宜使用铸铝材质外壳。

目前国内普遍在室外或潮湿环境下，特别是在有烃类火灾危险的场合中使用厚重型防火涂料，该涂料存在自重大、易脱落、对机械撞击敏感、不耐化学腐蚀等缺点。传统的丙烯酸类膨胀型防火涂料耐烃类火灾和爆炸的效果较环氧基类差很多，环氧防火涂料具有极佳的封闭性，阻燃成分不会迁移到涂层面，因此能使执行机构防火性能受时间和环境的影响较小，固化后的环氧树脂，具有优良的耐化学腐蚀性、耐热性、耐酸碱性及良好的电绝缘性，用它来配制的防火涂料具有良好的附着力、防腐蚀性和机械强度[10]。

2)在执行机构顶部安装洒水机构。在火灾发生时，通过洒水机构自动喷水灭火和降温，但是因为火灾时供水系统经常遭受破坏，所以洒水器的使用存在很大的隐患，这种洒水机构还需要较大的安装空间和维护成本，无形中又增加了投资费用。

3)在执行机构外部安装绝热材料制作的防火罩。防火罩的本质是在火灾发生时控制防火罩内部执行机构的温度变化，保证执行机构在30 min内升温不超过30～40 ℃(一般环境最高温度40 ℃左右，70～80 ℃为执行机构的失效温度)。防火罩安装灵活、便于维护操作，特别适用于化工现场的阀门，其大小可以根据阀门的形状而设计，采用多层具有高热绝缘性能的矿棉或其他材质构成，外部包裹有专用的金属框架，能够有效隔离。同时，防火罩占据空间较大，并且需要专门定制，每次停运时都需要专业人员拆卸检修。

随着化工项目中防火罩的应用逐渐增多，作为一种新型防火设备，能达到化工行业的防火标准，为包括阀门在内的化工设备的安全运行提供了保障，现已成为保障企业安全可靠运行的必备设备之一。

3 阀门防火应用案例

3.1 项目介绍

某项目采用天然气制合成氨(2.050 kt/d)和尿素(3.250 kt/d)，主装置包括： 3台150 t/h燃气锅炉和发电机，配套有原水、除盐水、循环水、污水、罐区、废水汽提、空压站、火炬、原料储运等装置，环境最高温度60 ℃。

合成氨装置采用CASALE低压氨合成技术，合成氨装置主要包括以下工序： 天然气脱硫及转化、一氧化碳变换及甲烷化、二氧化碳脱除、合成气压缩、氨合成及冷冻、氢回收、氨回收、冷凝液汽提系统等，工艺流程如图2所示[11]。

图2 合成氨工艺流程示意

3.2 合成氨装置的火灾危险分析

合成氨生产工艺流程具有高温、高压、有毒、易燃并且易爆的特点，在生产过程中使用和处理的主要化学品有液氨，NH3，CO2，CO，H2，H2S，CH4等，具体火灾危险情况分析如下：

1)原料气、生产过程产物及最终产品均是易燃易爆气体，与空气混合能形成爆炸性混合气体，遭遇明火或高热能时极易导致火灾和爆炸事故的发生。

2)燃料气管线系统在向一段炉、辅助锅炉、开工加热炉、开工锅炉等工序输送燃料的过程中，燃气管线中会充满易燃易爆的气体，如果发生泄漏，容易导致火灾和爆炸事故的发生。

3)合成氨装置包括合成气压缩机、氨压缩机、二氧化碳压缩机、工艺空气压缩机以及一些大型泵设备，这些设备都带有油站，油路系统如果出现故障导致储存的油泄漏，也很容易导致火灾和爆炸事故的发生。

4)用电设备因漏电或静电发生短路，其他载有易燃易爆物质的设备、管线泄漏等也能导致火灾和爆炸事故的发生。

3.3 合成氨装置阀门防火的设计

在工程实践中，一般设置在防火分区的阀门都应进行防火设计，如果工艺要求该阀应具有“防火、防静电、防喷出”的要求时，也可认为该阀门需要进行防火设计。工艺对阀门防火的需求一般分为两种情况： 一种是用于紧急切断的阀门，可以及时将物料隔离，进而第一时间控制火情的蔓延；另一种是用于能够连续正常操作的阀门，为了满足在火灾发生时能够连续操作的工艺需求。

该项目合成氨装置通过对相关位置的火灾危险分析和工艺提出的防火需求，对如下阀门进行了防火设计，见表2所列。

表2 合成氨装置的防火阀门

从阀门用途可以得知，这些均是布置在易燃、易爆场合中的管线或设备上的阀门，当火灾发生时，能够连续正常工作或对物料进行紧急隔离，无论气动阀门还是电动阀门均采用了加装防火罩的防火措施。除此之外，还需要同时采用耐火电缆，对气源管线、电缆桥架进行防火包裹等措施，以达到整体防火的目的。

防火罩的设计应根据实际要求确定： 首先，根据环境最高温度和阀门内流通介质的最高温度推算执行机构的工作温度;其次，满足电动执行机构失效温度为70 ℃、气动执行机构的失效温度为80 ℃的要求;最后，结合阀门和执行机构整体的详细尺寸和布置条件，最终确定了防火罩的设计方案。防火罩从外向内使用玻璃纤维、不锈钢网、多层高密度陶瓷棉、玻璃纤维四层材质结构，金属框架使用Fe360并进行防腐涂层处理的材质制作，所有管件进出防火罩的连接口都安装了特殊的防火膨胀垫片，确定了包括防火罩外形尺寸、窗口尺寸及位置、电缆及气源预留孔的尺寸及位置等参数。

使用防火罩作为阀门和执行机构的防火措施有很多优点，比如： 用于锁紧的绷带在不需要特定的工具或人员时就可以保证简单和安全地进行拆装维护，当需要维护时外壳可容易地拆除并重新安装，不需要移走设备或切断仪表，也不需要移动防火罩就可以手动操作阀门和仪表。根据UL 1709： 2007，在1 100 ℃火焰情况下进行了120 min的性能测试，并最终通过了劳氏认证。

4 结束语

阀门防火设计是为了满足化工项目日益严格的安全要求，能够在火灾发生时有效隔离危险源或满足工艺连续正常操作的要求，第一时间控制火灾险情，进而为下一步的消防灭火创造有利的条件，避免恶性安全事故的发生。同时通过防火阀门在合成氨装置中的工程应用实例的介绍，引起相关企业和人员的重视，给相关设计人员提供了设计参考，并对其他化工项目具有很好的借鉴意义。