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在罐區(qū)的液態(tài)烴類儲(chǔ)罐上使用三偏心閥已經(jīng)有幾十年的經(jīng)驗(yàn)。出于更為嚴(yán)格的健康、安全和環(huán)境（HSE）的要求，罐區(qū)運(yùn)營商也正在為關(guān)鍵緊急關(guān)斷系統(tǒng)選擇三偏心閥，特別是作為第一罐體閥。它的主要優(yōu)勢(shì)在于，符合緊急關(guān)斷閥更嚴(yán)格的法規(guī)要求，以及尋找替代傳統(tǒng)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(yùn)行周期之后依然能夠保持雙向零泄漏，已在罐區(qū)普遍使用。因其無摩擦特性而確保了其超長的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）。因此，操作者可以無需進(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(nèi)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(jì)80年代首次被用于烴類儲(chǔ)罐的關(guān)斷及防火關(guān)斷閥。在暴露于火災(zāi)的情況下，仍能夠保證密封防止泄漏。相比傳統(tǒng)的閘閥，三偏心閥具有經(jīng)過優(yōu)化的閥座傾斜角，可大幅度地減少泄漏的風(fēng)險(xiǎn)；沒有閥腔則可防止操作性降低的風(fēng)險(xiǎn)（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(zāi)安全性能，原因在于其結(jié)構(gòu)不涉及使用任何軟材料并通過了API 607標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)安全測(cè)試，達(dá)到零泄漏。因此被越來越多地應(yīng)用在直接連接到儲(chǔ)罐上的緊急功能解決方案中。

更為可靠的罐區(qū)緊急關(guān)斷閥解決方案

目前獲得IEC61508的SIL 3認(rèn)證的三偏心閥已經(jīng)普遍應(yīng)用于罐區(qū)的緊急關(guān)斷系統(tǒng)：

▲ 儲(chǔ)罐入口和出口管線的緊急關(guān)斷閥

如圖2中所示，三偏心閥在收到SIS系統(tǒng)發(fā)出的緊急信號(hào)后快速關(guān)斷儲(chǔ)罐。這些緊急關(guān)斷閥（ESD）也被稱為遙控關(guān)斷閥（ROSOVs）。

這些閥門的作用：當(dāng)主要的外圍系統(tǒng)發(fā)生故障（包括管道、法蘭和泵密封泄漏）時(shí)，能夠?qū)泻ξ镔|(zhì)的儲(chǔ)罐實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷。該動(dòng)作的發(fā)生與通常受正常儲(chǔ)罐操作系統(tǒng)控制的罐體閥的運(yùn)行無關(guān)。緊急關(guān)斷閥（ESD）作為自動(dòng)閥，可遠(yuǎn)程遙控操作，并響應(yīng)預(yù)定的“緊急關(guān)閉”安全邏輯參數(shù)。

圖2 緊急關(guān)斷閥安裝在儲(chǔ)罐入口和出口

▲ 儲(chǔ)罐溢流管線上的緊急泄放閥

如圖3所示，緊急關(guān)斷閥（ESD）也可以在溢流管線上運(yùn)行（如果存在），它負(fù)責(zé)將多余的生產(chǎn)物排出，以防止溢出事件。這些閥門經(jīng)常被用來實(shí)現(xiàn)“緊急打開”功能，對(duì)多余的生產(chǎn)物進(jìn)行再循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的安全功能。多個(gè)最近發(fā)生的罐區(qū)事故均涉及容器溢出。三偏心閥的基本設(shè)計(jì)原理特別適合用在儲(chǔ)罐安全系統(tǒng)中，具有先天的優(yōu)勢(shì)。

圖3  緊急關(guān)斷閥安裝在儲(chǔ)罐溢流管線

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

緊急關(guān)斷的原理和方法

防護(hù)設(shè)備通常涉及兩種主要的閥門安全功能：

     *閥門關(guān)閉 - 攔截流體/壓力源

     *閥門開啟 - 釋放流體/壓力源

通常情況下，閥門的安全功能涉及兩個(gè)明確定義的參數(shù)：流體/壓力方向以及當(dāng)閥門關(guān)閉和密封時(shí)的壓差(ΔP)。處理此類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(duì)稱閥設(shè)計(jì)、機(jī)械彈簧、重力和重量實(shí)現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉，這是直接的解決方法，是因?yàn)樘崆霸O(shè)定了單向閥的ΔP變量。

盡管這個(gè)基本原理適用于許多應(yīng)用，但主要的儲(chǔ)罐安全閥功能過于關(guān)鍵，因此不能純粹依賴于這樣的基本原理。入口和出口管線（緊急關(guān)閉）以及溢流管線（緊急開啟）上的緊急關(guān)斷閥（ESD）在以往一直安裝其他類型閥門，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(duì)于管道軸線對(duì)稱的設(shè)計(jì)，因此，它們的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)與流向和ΔP無關(guān)。雖然從安裝過程以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇的簡化（與流體/壓力方向無關(guān)）來講具有優(yōu)勢(shì)，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(zhí)行機(jī)構(gòu)來“穩(wěn)定”和“平衡”地運(yùn)轉(zhuǎn)。

符合SIL3：為提高最終用戶生產(chǎn)設(shè)施的安全性和可靠性，安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508已確定了四個(gè)不同的SIL（安全完整性）等級(jí)，它們的界定將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用到包括人員、環(huán)境、生產(chǎn)和設(shè)備在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域。通常評(píng)估閥門性能的兩個(gè)關(guān)鍵方面是：

     *全行程運(yùn)行中的閥門故障率；

     *緊急關(guān)斷時(shí)的閥門故障率；

液烴儲(chǔ)罐的SIL等級(jí)一直在上升，甚至達(dá)到SIL 3的要求（圖4）。

圖4 典型的SIL-3架構(gòu)和控制系統(tǒng)

通常情況下，第一罐體閥也必須落在同一PFD限度內(nèi)，如表1所示。

頂級(jí)角行程無摩擦扭矩密封的金屬硬密封三偏心閥因其固有的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)SIL 3等級(jí)。三偏心閥采用了一個(gè)與截止閥相類似的密封系統(tǒng)，該密封系統(tǒng)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(zhuǎn)動(dòng)的密封表面構(gòu)成。但是，三偏心閥采用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（而非軸向運(yùn)動(dòng)），依靠錐頂相對(duì)于管道軸心傾斜的錐體來實(shí)現(xiàn)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(jù)截止閥的設(shè)計(jì)，僅當(dāng)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?qū)崿F(xiàn)無摩擦關(guān)閉的原因。然而，與截止閥不同，三偏心閥能夠?qū)崿F(xiàn)雙向完全關(guān)閉。它的實(shí)現(xiàn)是借助于三個(gè)“偏心”：

     *軸設(shè)置在密封面的后面；

     *軸設(shè)置在管道/閥門中心線的一側(cè)；

     *閥座和密封圈錐體中心線相對(duì)于管道/閥門中心線是傾斜的。

圖6 三偏心閥的閥板面積比較

三偏心閥因其不對(duì)稱設(shè)計(jì)，而成為本質(zhì)上更為安全的閥門，根據(jù)不同的安裝方向，實(shí)現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)打開或關(guān)閉的安全保護(hù)功能。當(dāng)閥打開時(shí)，流體從閥桿側(cè)流過來，偏心軸造成了大范圍的低流速，由此在閥板上下游兩側(cè)產(chǎn)生了巨大的壓差。這種動(dòng)態(tài)效應(yīng)也會(huì)推動(dòng)閥門關(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(yīng)

金屬硬密封的閥門具有本質(zhì)火災(zāi)安全性能，原因在于其結(jié)構(gòu)不涉及使用任何軟材料。在任何情況下，這些閥門都能夠經(jīng)受得住API 607標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)安全測(cè)試，并達(dá)到零泄漏。鑒于所有這些考慮，金屬硬密封三偏心閥被越來越多地應(yīng)用在直接連接到儲(chǔ)罐上的緊急功能解決方案中。

三偏心閥在罐區(qū)的實(shí)際應(yīng)用

入口和出口管線上的緊急關(guān)斷閥

在某些實(shí)例中，例如在原油或石腦油終端，設(shè)計(jì)人員為儲(chǔ)罐只設(shè)計(jì)了一條管線，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(zhí)行機(jī)構(gòu)操作。在被認(rèn)為更高危的狀況（例如：更高的可燃性烴類，如液化石油氣）以及更現(xiàn)代化的安全體系結(jié)構(gòu)中，則采用了故障關(guān)的氣動(dòng)/液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，或故障安全的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并由離散控制系統(tǒng)（DCS）提供緊急關(guān)斷信號(hào)。在其他實(shí)例中則將入口管線和出口管線分開，并分別配有一顆第一罐體閥門（見圖2）。對(duì)于需要故障關(guān)閉功能的閥門，將三偏心閥以閥桿側(cè)流向進(jìn)行安裝非常重要。流體本身將起到關(guān)閉閥門的作用，因此，即使在控制系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，故障動(dòng)作也可以實(shí)現(xiàn)。該流體將關(guān)閉閥板，最終壓力將使閥門保持在關(guān)閉密封的位置。當(dāng)閥門打開時(shí)，由于密封元件之間沒有接觸，即使在沒有流體幫助的情況下，閥板運(yùn)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(zhuǎn)過程中需要克服兩個(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。

溢流管線上的緊急關(guān)斷閥

當(dāng)存在專用溢流管線時(shí)，便可使用三偏心閥，在專用信號(hào)出現(xiàn)時(shí)緊急開啟（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法脫離閥座的故障風(fēng)險(xiǎn)。

在一個(gè)故障開的保護(hù)工況中，能夠大幅度地減少系統(tǒng)操作失敗的可靠的三偏心閥安裝方向是：當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，設(shè)計(jì)壓差作用于閥板側(cè)，壓力有助于密封圈離座，如圖8中所示。同樣，相對(duì)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(fèi)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(yīng)使得其即使手動(dòng)操作也很難打開。

圖8  打開三偏心閥的壓力效應(yīng)

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

三偏心閥的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)

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

1.通過閥門、材料和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精確選擇，以及閥芯的非對(duì)稱設(shè)計(jì)，可顯著減少系統(tǒng)故障。

2.三偏心閥的非對(duì)稱閥芯設(shè)計(jì)可觸發(fā)不同的閥門運(yùn)轉(zhuǎn)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關(guān)閉的方向安裝閥門，使得在用戶實(shí)現(xiàn)緊急關(guān)閉功能時(shí)更安全。以相反的密封方向，即壓力有利于閥門開啟的方向安裝時(shí)， 三偏心閥能夠更安全地實(shí)現(xiàn)緊急打開的功能（包括排污/泄放）。

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