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在罐區的液態(tài)烴類(lèi)儲罐上使用三偏心閥已經(jīng)有幾十年的經(jīng)驗。出于更為嚴格的健康、安全和環(huán)境（HSE）的要求，罐區運營(yíng)商也正在為關(guān)鍵緊急關(guān)斷系統選擇三偏心閥，特別是作為第一罐體閥。它的主要優(yōu)勢在于，符合緊急關(guān)斷閥更嚴格的法規要求，以及尋找替代傳統閘閥、旋塞閥和球閥的解決方案。

為什么采用三偏心閥？

實(shí)踐證明，三偏心閥因其能夠在多個(gè)運行周期之后依然能夠保持雙向零泄漏，已在罐區普遍使用。因其無(wú)摩擦特性而確保了其超長(cháng)的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）。因此，操作者可以無(wú)需進(jìn)行定期檢修（只有重新擰緊填料可能是必要的），從而降低了全生命周期內的總成本。

圖1  艾默生Vanessa 30,000系列三偏心閥

金屬硬密封三偏心閥在20世紀80年代首次被用于烴類(lèi)儲罐的關(guān)斷及防火關(guān)斷閥。在暴露于火災的情況下，仍能夠保證密封防止泄漏。相比傳統的閘閥，三偏心閥具有經(jīng)過(guò)優(yōu)化的閥座傾斜角，可大幅度地減少泄漏的風(fēng)險；沒(méi)有閥腔則可防止操作性降低的風(fēng)險（以及可能的泄漏），同時(shí)可以減少介質(zhì)污染。

三偏心閥具有本質(zhì)火災安全性能，原因在于其結構不涉及使用任何軟材料并通過(guò)了API 607標準火災安全測試，達到零泄漏。因此被越來(lái)越多地應用在直接連接到儲罐上的緊急功能解決方案中。 

更為可靠的罐區緊急關(guān)斷閥解決方案

目前獲得IEC61508的SIL 3認證的三偏心閥已經(jīng)普遍應用于罐區的緊急關(guān)斷系統：

▲ 儲罐入口和出口管線(xiàn)的緊急關(guān)斷閥

如圖2中所示，三偏心閥在收到SIS系統發(fā)出的緊急信號后快速關(guān)斷儲罐。這些緊急關(guān)斷閥（ESD）也被稱(chēng)為遙控關(guān)斷閥（ROSOVs）。

這些閥門(mén)的作用：當主要的外圍系統發(fā)生故障（包括管道、法蘭和泵密封泄漏）時(shí)，能夠對含有害物質(zhì)的儲罐實(shí)現快速關(guān)斷。該動(dòng)作的發(fā)生與通常受正常儲罐操作系統控制的罐體閥的運行無(wú)關(guān)。緊急關(guān)斷閥（ESD）作為自動(dòng)閥，可遠程遙控操作，并響應預定的“緊急關(guān)閉”安全邏輯參數。

圖2 緊急關(guān)斷閥安裝在儲罐入口和出口

▲ 儲罐溢流管線(xiàn)上的緊急泄放閥

如圖3所示，緊急關(guān)斷閥（ESD）也可以在溢流管線(xiàn)上運行（如果存在），它負責將多余的生產(chǎn)物排出，以防止溢出事件。這些閥門(mén)經(jīng)常被用來(lái)實(shí)現“緊急打開(kāi)”功能，對多余的生產(chǎn)物進(jìn)行再循環(huán)，從而實(shí)現關(guān)鍵的安全功能。多個(gè)最近發(fā)生的罐區事故均涉及容器溢出。三偏心閥的基本設計原理特別適合用在儲罐安全系統中，具有先天的優(yōu)勢。

圖3  緊急關(guān)斷閥安裝在儲罐溢流管線(xiàn)

罐區SIL（安全完整性）等級要求的確立是基于對人們及環(huán)境所構成的危險。特別是，這些要求必須要考慮到設施到人口稠密地區的距離、管道效率和管道規范。浮頂罐或內浮頂式儲罐通常被用于更具揮發(fā)性（高風(fēng)險）的液態(tài)烴類(lèi)，如：原油和較輕的生產(chǎn)物（包括噴氣燃料、柴油和汽油）。對在緊急關(guān)斷（ESD）系統中采用三偏心閥的分析將側重于這兩種類(lèi)別的儲罐。 

緊急關(guān)斷的原理和方法

防護設備通常涉及兩種主要的閥門(mén)安全功能：

· 閥門(mén)關(guān)閉 - 攔截流體/壓力源

· 閥門(mén)開(kāi)啟 - 釋放流體/壓力源

通常情況下，閥門(mén)的安全功能涉及兩個(gè)明確定義的參數：流體/壓力方向以及當閥門(mén)關(guān)閉和密封時(shí)的壓差(ΔP)。處理此類(lèi)功能的基本方法是采用單向自動(dòng)閥，如：止回閥或壓力泄放閥。對稱(chēng)閥設計、機械彈簧、重力和重量實(shí)現閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，這是直接的解決方法，是因為提前設定了單向閥的ΔP變量。

盡管這個(gè)基本原理適用于許多應用，但主要的儲罐安全閥功能過(guò)于關(guān)鍵，因此不能純粹依賴(lài)于這樣的基本原理。入口和出口管線(xiàn)（緊急關(guān)閉）以及溢流管線(xiàn)（緊急開(kāi)啟）上的緊急關(guān)斷閥（ESD）在以往一直安裝其他類(lèi)型閥門(mén)，主要包括：自動(dòng)閘閥、旋塞閥和球閥。閘閥、旋塞閥和球閥具有相對于管道軸線(xiàn)對稱(chēng)的設計，因此，它們的運轉狀態(tài)與流向和ΔP無(wú)關(guān)。雖然從安裝過(guò)程以及執行機構選擇的簡(jiǎn)化（與流體/壓力方向無(wú)關(guān)）來(lái)講具有優(yōu)勢，但它們并不具備本質(zhì)的安全功能。因此，它們更多地借助于執行機構來(lái)“穩定”和“平衡”地運轉。

符合SIL3：為提高最終用戶(hù)生產(chǎn)設施的安全性和可靠性，安全標準IEC 61508已確定了四個(gè)不同的SIL（安全完整性）等級，它們的界定將風(fēng)險評估標準運用到包括人員、環(huán)境、生產(chǎn)和設備在內的各個(gè)領(lǐng)域。通常評估閥門(mén)性能的兩個(gè)關(guān)鍵方面是：

· 全行程運行中的閥門(mén)故障率；

· 緊急關(guān)斷時(shí)的閥門(mén)故障率；

液烴儲罐的SIL等級一直在上升，甚至達到SIL 3的要求（圖4）。

圖4 典型的SIL-3架構和控制系統

通常情況下，第一罐體閥也必須落在同一PFD限度內，如表1所示。

頂級角行程無(wú)摩擦扭矩密封的金屬硬密封三偏心閥因其固有的設計特點(diǎn)，能夠實(shí)現SIL 3等級。三偏心閥采用了一個(gè)與截止閥相類(lèi)似的密封系統，該密封系統由具有相同圓錐截面形狀的一個(gè)固定閥座和一個(gè)可轉動(dòng)的密封表面構成。但是，三偏心閥采用旋轉運動(dòng)（而非軸向運動(dòng)），依靠錐頂相對于管道軸心傾斜的錐體來(lái)實(shí)現關(guān)斷。

這使得三偏心閥成為了“角行程的截止閥”，如圖5中所示。根據截止閥的設計，僅當密封元件處于關(guān)閉位置時(shí)才會(huì )產(chǎn)生一個(gè)單一的瞬間接觸，這是三偏心閥能夠實(shí)現無(wú)摩擦關(guān)閉的原因。然而，與截止閥不同，三偏心閥能夠實(shí)現雙向完全關(guān)閉。它的實(shí)現是借助于三個(gè)“偏心”：

· 軸設置在密封面的后面；

· 軸設置在管道/閥門(mén)中心線(xiàn)的一側；

· 閥座和密封圈錐體中心線(xiàn)相對于管道/閥門(mén)中心線(xiàn)是傾斜的。

圖6 三偏心閥的閥板面積比較

三偏心閥因其不對稱(chēng)設計，而成為本質(zhì)上更為安全的閥門(mén)，根據不同的安裝方向，實(shí)現故障時(shí)自動(dòng)打開(kāi)或關(guān)閉的安全保護功能。當閥打開(kāi)時(shí)，流體從閥桿側流過(guò)來(lái)，偏心軸造成了大范圍的低流速，由此在閥板上下游兩側產(chǎn)生了巨大的壓差。這種動(dòng)態(tài)效應也會(huì )推動(dòng)閥門(mén)關(guān)閉（動(dòng)態(tài)扭矩，圖7）。

圖7 流體關(guān)閉三偏心閥的動(dòng)態(tài)效應

金屬硬密封的閥門(mén)具有本質(zhì)火災安全性能，原因在于其結構不涉及使用任何軟材料。在任何情況下，這些閥門(mén)都能夠經(jīng)受得住API 607標準火災安全測試，并達到零泄漏。鑒于所有這些考慮，金屬硬密封三偏心閥被越來(lái)越多地應用在直接連接到儲罐上的緊急功能解決方案中。 

三偏心閥在罐區的實(shí)際應用

入口和出口管線(xiàn)上的緊急關(guān)斷閥

在某些實(shí)例中，例如在原油或石腦油終端，設計人員為儲罐只設計了一條管線(xiàn)，既做出口也做入口。以往，第一罐體閥由故障保持的電動(dòng)執行機構操作。在被認為更高危的狀況（例如：更高的可燃性烴類(lèi)，如液化石油氣）以及更現代化的安全體系結構中，則采用了故障關(guān)的氣動(dòng)/液動(dòng)執行機構，或故障安全的電動(dòng)執行機構，并由離散控制系統（DCS）提供緊急關(guān)斷信號。在其他實(shí)例中則將入口管線(xiàn)和出口管線(xiàn)分開(kāi)，并分別配有一顆第一罐體閥門(mén)（見(jiàn)圖2）。對于需要故障關(guān)閉功能的閥門(mén)，將三偏心閥以閥桿側流向進(jìn)行安裝非常重要。流體本身將起到關(guān)閉閥門(mén)的作用，因此，即使在控制系統發(fā)生故障的情況下，故障動(dòng)作也可以實(shí)現。該流體將關(guān)閉閥板，最終壓力將使閥門(mén)保持在關(guān)閉密封的位置。當閥門(mén)打開(kāi)時(shí)，由于密封元件之間沒(méi)有接觸，即使在沒(méi)有流體幫助的情況下，閥板運動(dòng)至關(guān)閉位置也僅需要非常低的扭矩。這個(gè)扭矩僅用于克服填料摩擦和/或軸承摩擦，特別是介質(zhì)較臟的工況。這種摩擦相比于在整個(gè)90°關(guān)閉旋轉過(guò)程中需要克服兩個(gè)緊貼于球面的密封環(huán)的摩擦力的普通球閥和旋塞閥而言是低的。

溢流管線(xiàn)上的緊急關(guān)斷閥

當存在專(zhuān)用溢流管線(xiàn)時(shí)，便可使用三偏心閥，在專(zhuān)用信號出現時(shí)緊急開(kāi)啟（圖8）。在這種情況下，存在兩個(gè)相互矛盾的要求：

1. 需要有一個(gè)閥門(mén)始終保持優(yōu)異的閥座密封性能；

2. 盡量減少任何可能的閥芯無(wú)法脫離閥座的故障風(fēng)險。

在一個(gè)故障開(kāi)的保護工況中，能夠大幅度地減少系統操作失敗的可靠的三偏心閥安裝方向是：當閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，設計壓差作用于閥板側，壓力有助于密封圈離座，如圖8中所示。同樣，相對于球閥（或旋塞閥）而言，三偏心更為可靠，原因在于：采用球閥（或旋塞閥）時(shí)，通常需要費很大力氣使閥芯離座。相反地，閘閥則因其出名的由低閥座傾斜角所造成的楔入效應使得其即使手動(dòng)操作也很難打開(kāi)。

圖8  打開(kāi)三偏心閥的壓力效應

一個(gè)30米高的液烴儲罐內部的壓力范圍通常小于10 bar(145 psi) ，而且遠低于溢流閥的磅級（通常為ASME Class 150）。因此，閥門(mén)的全磅級閥芯能夠以較大的安全系數在有助于打開(kāi)閥門(mén)的10bar壓力下安全地關(guān)緊閥門(mén)。當閥門(mén)通過(guò)釋放扭矩以迅速打開(kāi)時(shí)，介質(zhì)壓力的存在有效降低了閥門(mén)所需要的啟始扭矩，并進(jìn)一步發(fā)揮作用，通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)扭矩幫助打開(kāi)閥門(mén)。 

三偏心閥的關(guān)鍵優(yōu)勢

相比于傳統工藝閥門(mén)，三偏心閥具有如下幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢：

1. 通過(guò)閥門(mén)、材料和執行機構的精確選擇，以及閥芯的非對稱(chēng)設計，可顯著(zhù)減少系統故障。

2. 三偏心閥的非對稱(chēng)閥芯設計可觸發(fā)不同的閥門(mén)運轉狀態(tài)，這主要取決于壓差施加的方向。選擇壓力能夠有助于閥門(mén)關(guān)閉的方向安裝閥門(mén)，使得在用戶(hù)實(shí)現緊急關(guān)閉功能時(shí)更安全。以相反的密封方向，即壓力有利于閥門(mén)開(kāi)啟的方向安裝時(shí)， 三偏心閥能夠更安全地實(shí)現緊急打開(kāi)的功能（包括排污/泄放）。

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關(guān)于艾默生 

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