【Emerson Exchange 2021中国线上会议】 三偏心阀在液态烃类储罐的主要应用

• 关键词：三偏心阀,液态烃,储罐
• 摘要：在罐区的液态烃类储罐上使用三偏心阀已经有几十年的经验。出于更为严格的健康、安全和环境（HSE）的要求，罐区运营商也正在为关键紧急关断系统选择三偏心阀，特别是作为第一罐体阀。它的主要优势在于，符合紧急关断阀更严格的法规要求，以及寻找替代传统闸阀、旋塞阀和球阀的解决方案。

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在罐区的液态烃类储罐上使用三偏心阀已经有几十年的经验。出于更为严格的健康、安全和环境（HSE）的要求，罐区运营商也正在为关键紧急关断系统选择三偏心阀，特别是作为第一罐体阀。它的主要优势在于，符合紧急关断阀更严格的法规要求，以及寻找替代传统闸阀、旋塞阀和球阀的解决方案。

为什么采用三偏心阀？

实践证明，三偏心阀因其能够在多个运行周期之后依然能够保持双向零泄漏，已在罐区普遍使用。因其无摩擦特性而确保了其超长的平均故障间隔时间（MTBF）。因此，操作者可以无需进行定期检修（只有重新拧紧填料可能是必要的），从而降低了全生命周期内的总成本。

图1  艾默生Vanessa 30,000系列三偏心阀

金属硬密封三偏心阀在20世纪80年代首次被用于烃类储罐的关断及防火关断阀。在暴露于火灾的情况下，仍能够保证密封防止泄漏。相比传统的闸阀，三偏心阀具有经过优化的阀座倾斜角，可大幅度地减少泄漏的风险；没有阀腔则可防止操作性降低的风险（以及可能的泄漏），同时可以减少介质污染。

三偏心阀具有本质火灾安全性能，原因在于其结构不涉及使用任何软材料并通过了API 607标准火灾安全测试，达到零泄漏。因此被越来越多地应用在直接连接到储罐上的紧急功能解决方案中。

更为可靠的罐区紧急关断阀解决方案

目前获得IEC61508的SIL 3认证的三偏心阀已经普遍应用于罐区的紧急关断系统：

▲ 储罐入口和出口管线的紧急关断阀

如图2中所示，三偏心阀在收到SIS系统发出的紧急信号后快速关断储罐。这些紧急关断阀（ESD）也被称为遥控关断阀（ROSOVs）。

这些阀门的作用：当主要的外围系统发生故障（包括管道、法兰和泵密封泄漏）时，能够对含有害物质的储罐实现快速关断。该动作的发生与通常受正常储罐操作系统控制的罐体阀的运行无关。紧急关断阀（ESD）作为自动阀，可远程遥控操作，并响应预定的“紧急关闭”安全逻辑参数。

图2 紧急关断阀安装在储罐入口和出口

▲ 储罐溢流管线上的紧急泄放阀

如图3所示，紧急关断阀（ESD）也可以在溢流管线上运行（如果存在），它负责将多余的生产物排出，以防止溢出事件。这些阀门经常被用来实现“紧急打开”功能，对多余的生产物进行再循环，从而实现关键的安全功能。多个最近发生的罐区事故均涉及容器溢出。三偏心阀的基本设计原理特别适合用在储罐安全系统中，具有先天的优势。

图3  紧急关断阀安装在储罐溢流管线

罐区SIL（安全完整性）等级要求的确立是基于对人们及环境所构成的危险。特别是，这些要求必须要考虑到设施到人口稠密地区的距离、管道效率和管道规范。浮顶罐或内浮顶式储罐通常被用于更具挥发性（高风险）的液态烃类，如：原油和较轻的生产物（包括喷气燃料、柴油和汽油）。对在紧急关断（ESD）系统中采用三偏心阀的分析将侧重于这两种类别的储罐。

紧急关断的原理和方法

防护设备通常涉及两种主要的阀门安全功能：

     *阀门关闭 - 拦截流体/压力源

     *阀门开启 - 释放流体/压力源

通常情况下，阀门的安全功能涉及两个明确定义的参数：流体/压力方向以及当阀门关闭和密封时的压差(ΔP)。处理此类功能的基本方法是采用单向自动阀，如：止回阀或压力泄放阀。对称阀设计、机械弹簧、重力和重量实现阀门的开启和关闭，这是直接的解决方法，是因为提前设定了单向阀的ΔP变量。

尽管这个基本原理适用于许多应用，但主要的储罐安全阀功能过于关键，因此不能纯粹依赖于这样的基本原理。入口和出口管线（紧急关闭）以及溢流管线（紧急开启）上的紧急关断阀（ESD）在以往一直安装其他类型阀门，主要包括：自动闸阀、旋塞阀和球阀。闸阀、旋塞阀和球阀具有相对于管道轴线对称的设计，因此，它们的运转状态与流向和ΔP无关。虽然从安装过程以及执行机构选择的简化（与流体/压力方向无关）来讲具有优势，但它们并不具备本质的安全功能。因此，它们更多地借助于执行机构来“稳定”和“平衡”地运转。

符合SIL3：为提高最终用户生产设施的安全性和可靠性，安全标准IEC 61508已确定了四个不同的SIL（安全完整性）等级，它们的界定将风险评估标准运用到包括人员、环境、生产和设备在内的各个领域。通常评估阀门性能的两个关键方面是：

     *全行程运行中的阀门故障率；

     *紧急关断时的阀门故障率；

液烃储罐的SIL等级一直在上升，甚至达到SIL 3的要求（图4）。

图4 典型的SIL-3架构和控制系统

通常情况下，第一罐体阀也必须落在同一PFD限度内，如表1所示。

顶级角行程无摩擦扭矩密封的金属硬密封三偏心阀因其固有的设计特点，能够实现SIL 3等级。三偏心阀采用了一个与截止阀相类似的密封系统，该密封系统由具有相同圆锥截面形状的一个固定阀座和一个可转动的密封表面构成。但是，三偏心阀采用旋转运动（而非轴向运动），依靠锥顶相对于管道轴心倾斜的锥体来实现关断。

这使得三偏心阀成为了“角行程的截止阀”，如图5中所示。根据截止阀的设计，仅当密封元件处于关闭位置时才会产生一个单一的瞬间接触，这是三偏心阀能够实现无摩擦关闭的原因。然而，与截止阀不同，三偏心阀能够实现双向完全关闭。它的实现是借助于三个“偏心”：

     *轴设置在密封面的后面；

     *轴设置在管道/阀门中心线的一侧；

     *阀座和密封圈锥体中心线相对于管道/阀门中心线是倾斜的。

图6 三偏心阀的阀板面积比较

三偏心阀因其不对称设计，而成为本质上更为安全的阀门，根据不同的安装方向，实现故障时自动打开或关闭的安全保护功能。当阀打开时，流体从阀杆侧流过来，偏心轴造成了大范围的低流速，由此在阀板上下游两侧产生了巨大的压差。这种动态效应也会推动阀门关闭（动态扭矩，图7）。

图7 流体关闭三偏心阀的动态效应

金属硬密封的阀门具有本质火灾安全性能，原因在于其结构不涉及使用任何软材料。在任何情况下，这些阀门都能够经受得住API 607标准火灾安全测试，并达到零泄漏。鉴于所有这些考虑，金属硬密封三偏心阀被越来越多地应用在直接连接到储罐上的紧急功能解决方案中。

三偏心阀在罐区的实际应用

入口和出口管线上的紧急关断阀

在某些实例中，例如在原油或石脑油终端，设计人员为储罐只设计了一条管线，既做出口也做入口。以往，第一罐体阀由故障保持的电动执行机构操作。在被认为更高危的状况（例如：更高的可燃性烃类，如液化石油气）以及更现代化的安全体系结构中，则采用了故障关的气动/液动执行机构，或故障安全的电动执行机构，并由离散控制系统（DCS）提供紧急关断信号。在其他实例中则将入口管线和出口管线分开，并分别配有一颗第一罐体阀门（见图2）。对于需要故障关闭功能的阀门，将三偏心阀以阀杆侧流向进行安装非常重要。流体本身将起到关闭阀门的作用，因此，即使在控制系统发生故障的情况下，故障动作也可以实现。该流体将关闭阀板，最终压力将使阀门保持在关闭密封的位置。当阀门打开时，由于密封元件之间没有接触，即使在没有流体帮助的情况下，阀板运动至关闭位置也仅需要非常低的扭矩。这个扭矩仅用于克服填料摩擦和/或轴承摩擦，特别是介质较脏的工况。这种摩擦相比于在整个90°关闭旋转过程中需要克服两个紧贴于球面的密封环的摩擦力的普通球阀和旋塞阀而言是低的。

溢流管线上的紧急关断阀

当存在专用溢流管线时，便可使用三偏心阀，在专用信号出现时紧急开启（图8）。在这种情况下，存在两个相互矛盾的要求：

1.需要有一个阀门始终保持优异的阀座密封性能；

2.尽量减少任何可能的阀芯无法脱离阀座的故障风险。

在一个故障开的保护工况中，能够大幅度地减少系统操作失败的可靠的三偏心阀安装方向是：当阀门关闭时，设计压差作用于阀板侧，压力有助于密封圈离座，如图8中所示。同样，相对于球阀（或旋塞阀）而言，三偏心更为可靠，原因在于：采用球阀（或旋塞阀）时，通常需要费很大力气使阀芯离座。相反地，闸阀则因其出名的由低阀座倾斜角所造成的楔入效应使得其即使手动操作也很难打开。

图8  打开三偏心阀的压力效应

一个30米高的液烃储罐内部的压力范围通常小于10 bar(145 psi) ，而且远低于溢流阀的磅级（通常为ASME Class 150）。因此，阀门的全磅级阀芯能够以较大的安全系数在有助于打开阀门的10bar压力下安全地关紧阀门。当阀门通过释放扭矩以迅速打开时，介质压力的存在有效降低了阀门所需要的启始扭矩，并进一步发挥作用，通过产生一个动态扭矩帮助打开阀门。

三偏心阀的关键优势

相比于传统工艺阀门，三偏心阀具有如下几个关键优势：

1.通过阀门、材料和执行机构的精确选择，以及阀芯的非对称设计，可显著减少系统故障。

2.三偏心阀的非对称阀芯设计可触发不同的阀门运转状态，这主要取决于压差施加的方向。选择压力能够有助于阀门关闭的方向安装阀门，使得在用户实现紧急关闭功能时更安全。以相反的密封方向，即压力有利于阀门开启的方向安装时， 三偏心阀能够更安全地实现紧急打开的功能（包括排污/泄放）。

11月24日至25日举行的举行的Emerson Exchange 2021中国线上会议，我们将分享更多关断阀先进技术，11月25日第5频道，我们在线上等你光临！

敬请期待！

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