常压储罐紧急切断阀运行故障分析
赵永昌1
（1中海油石化工程有限公司，山东 青岛 266000）
摘要：分析了常压储罐紧急切断阀关断失效、误关断问题的产生原因，阐述了在储罐切水口设置紧急切断阀的必要性和实施方案，探讨了在设计层面保障紧急切断阀稳定运行的方法。
关键词：紧急切断阀；开关故障；常压储罐
Analysis of Fault Problems in the Operation of ESDV for Atmospheric Storage Tanks
Zhao Yongchang1
（1COONC Petrochemical Engineering CO.,LTD. , Qingdao 266000，China）
Abstract:This paper analyzes the causes of the failure and incorrect shutdown of ESDV in atmospheric storage tanks，expounds the necessity and implementation plan of setting ESDV on the water shearing pipe of storage tanks.The methods for ensuring the stable operation of ESDV in design are discussed.
Keywords:ESDV;Switch fault;Atmospheric storage tanks
引言：
根据相关法律法规（以下统称“规范”）要求，近年来，国内新建罐区项目中均执行了关于设置紧急切断阀（以下简称“ESDV”）的规定，不满足规范要求的已建成罐区也陆续进行了技术改造。罐区ESDV的引入响应了本质安全要求，在预防事故、降低事故危害程度等方面有着显著的作用。但随着相关项目的投产运行，ESDV故障现象也开始频繁出现，一定程度上影响了企业正常的生产。
ESDV故障可以归为两类：关断失效和误关断。根据企业运行反馈，关断失效案例均是在进行模拟触关断发时出现，并未造成实际的生产事故；误关断现象则全部出现在罐区正常运行中，造成了实际的生产中断。从设计角度分析，ESDV作为储罐最后的一道安全保障，保证在紧急工况下的有效关断是基本需要；但保证ESDV在正常生产运行中的稳定性同样重要。相比于前者已经被研究、贯彻的相对到位，后者却常被忽略。此外，ESDV在紧急工况下的可靠性和正常运行中的稳定性在设计层面存在一定此消彼长的矛盾，如何兼顾两方面的需求已成为行业内新的困扰。
一 ESDV故障原因分析
1.1 关断失效案例
ESDV关断失效多因硬件故障造成。在已建成罐区改造项目中，受条件限制，常采用在阀门手轮上加装执行机构的设计方案。在确定执行机构功率时，往往按照原罐根阀门的压力级进行设计选型，但由于原阀门操作频率极低，阀门力矩往往超出原设计值，运行中极易出现抱死现象。部分采用了该方案的项目虽然对原手动阀门进行了力矩测试，但忽略了阀门较大的个体差异，未进行全样本检测，也出现了个别阀门的关断失效。采用原装执行机构自控阀作为ESDV时，关断失效则主要表现为关断过程卡顿和关闭不到位。该类现象多因校验频率较低或校验行程不到位造成。通常的设计中，由于罐区内同种介质一般设置2个以上的储罐，储罐ESDV具备良好的全行程校验的条件，结合运行评判和阀门制造商的要求执行严格的校验基本可以避免因硬件问题造成的故障。
除硬件故障原因外，也有一些特定情况的关断失效是设计层面问题。这类关断失效主要出现在储罐进料管口罐根ESDV和支线操作阀存在压力差的场景。常见设计中，压力分级一般位于操作阀下游法兰处，即操作阀为高压力级，罐根ESDV为低压力级。当触发进料口ESDV关断信号时，ESDV会因为阀门执行机构功率过小而无法关断。此外，当罐根ESDV与支线操作阀压力级相同时，水击问题也容易导致ESDV的关断失效。
1.2 误关断案例
不考虑人员误操作原因，ESDV的误关断主要由仪表故障和失动力引起。
仪表故障造成的误关断主要出现在储罐进出料管口ESDV仅依赖单一液位开关触发的场景，实际案例中由液位开关脱落、误报引发，其根本原因在于液位开关的不稳性。对于设有安全仪表系统（SIS）的储罐，进出料管口ESDV的触发采用2台液位计和1台液位开关2OO3表决形式【1】，可靠性较高，基本未出现误触发的问题。
失动力误关断只存在电液、气动型阀门中，实际案例中，由仪表风系统失压和厂区短暂停电引起。基于规范明文规定了ESDV的“故障关（FC）”功能，在工程设计中，将阀门失动力工况归入故障范畴是满足要求的。但规范条文强调的更多是因事故状态（火灾）引发的失动力故障，而非其它原因导致的失动力。对故障原因不加以细致的区分，在所有失动力工况下均执行FC功能势必增加误关断的概率，也与ESDV的设计目的存在着偏差。而现阶段的困境是，由于阀门自身无法判定失动力诱因，加入其它检测信号进行串联表决又会造成FC功能的折扣，实际难以将事故（火灾）造成的失动力工况单独摘出。
二 ESDV关断失效问题应对方案
从上述故障案例分析可以得出，以优化硬件的方式避免故障存在很大限制，降低ESDV联锁也有违规范要求。但通过分析罐区ESDV设计目的和关断时间要求可以发现，罐区ESDV有其特定的关断时间要求，当罐区ESDV触发时并不需要立刻关断，只需在总响应时间内完成关断即可，这为优化联锁设计创造了条件。
2.1 ESDV分类
规范对不同系统ESDV的设计要求并不完全相同，最大的差别在于阀门关断速度和总体关断时间上。基于该差别，在工程设计中可将ESDV分为三类：A类——严格意义的ESDV，有明确的关断速度要求（1”/S）和反应时间要求。该类阀门主要用于压力储罐、LNG储罐、长输管道站场等危险性较大或事故潜在危害程度相对严重的场所。B类——有总体关断时间要求，但不要求阀门关断速度。C类——仅要求基本远程切断功能和动力要求，对关断速度、反应时间无具体要求。如厂际管道、装卸场所等【2】。
常压罐区ESDV（总体关断时间≤180s）即属于B类ESDV。由于阀门净关断用时实际很难达到180s（DN1000电动闸阀关断时间~60s），允许了很大的反应时间。
2.2 进出料管口ESDV关断失效应对
上文提到，压力分级造成的ESDV关断失效需要从设计层面解决。其中，水击造成的超压问题一般可通过降低阀门关断速度或采用分段式关断方式解决。储罐进料管口罐根ESDV和支线操作阀存在压力差的场景则存在不同的解决方案。在一些新建项目中，采用直接提高储罐进料管口及其它支线压力级的方式。这样的方式使上下游保持了同压力级，可从根本上杜绝因压力差导致的阀门失效。但该方案仅适用于进料支管较少且均为高压力级的少数情况，当支管较多且为低压力级时则面临巨大的投资浪费。
图2.2.1—常见储罐进料管口配置
基于规范允许的180s的总关断时间，可通过延迟关断的方式避免该类关断失效。即当ESDV关断信号触发时，先行联锁关闭高压力级的支线操作阀，延后关断罐根ESDV。可采用顺序关断方式，也可采用同时关断方式，但需保证ESDV完全关断滞后于支线操作阀。在设有SIS系统的罐区，该方案虽然与SIS独立性原则不完全相符，但SIS为上游指令发出端，事实上并未受到外在干涉。ESDV的滞后时间只是SIS系统依据支线阀的总关断时间进行的延后，并不以支线阀的启动关断或完全关断为前提条件。需要注意的是，延迟联锁方案并非仅满足180s总关断时间即可，需结合储罐进出料速度综合确定。对于进料管口，需保证总关断时间内，液位上升量低于储罐0.3米的液位安全余量【3】，对于出料管口，需保证总关断时间内液位下降量低于设计安全余量。此外，在浮顶罐采用延后关断方案时，由于正常操作中很少触及高高液位，浮盘在高高液位以上的行程存在一定卡顿风险。
2.3 切水管口ESDV联锁方案
规范规定储罐ESDV的安装位置为储罐主要进、出口总管靠近罐根位置，但对连接自动切水器的排水管管口（以下称“切水管口”）未作明确要求。相比进出料管口无法及时关断造成的严重后果广为人知，切水管口关断不及时的潜在风险尚未得到足够重视。
储罐切水作业一般采用机械式（浮球式）自动切水器或在线检测型切水器。机械式切水器上下游管道一般均不设置远程切断阀，仅依靠手动阀门控制总线；在线检测型切水器一般在出口位置设有控制阀门，具备一定远程切断功能，但入口同样不设置远程切断阀。无论采用以上哪种类型的切水器，离线切水作业的运行安全均依赖于设备本身的可靠性，一旦设备发生故障，而切水管口无法及时切断，必将导致介质大量泄漏。当发生在常压储罐时，低凝点介质泄漏将严重影响地下含油污水系统以及污水处理单元的安全；高凝点介质泄露不仅会导致含有污水系统的污染和堵塞，若发现不及时，更会造成大量介质外溢至污水池外，造成火灾隐患。当发生在低压球罐（如轻石脑油罐）时，罐内压力会加速介质泄漏，事故隐患更为严重。
近些年的新建罐区项目中，在切水管口设置ESDV已经逐渐被行业内认可。但此处的ESDV并非严格意义的ESDV，并不作FC或双电源等要求，仅作普通的远程切断阀处理。采用“ESDV”进行表述，更多的是体现远程关断和联锁关断的及时性需求。之所以不按照罐区常规ESDV进行设计，是基于两种不同事故不叠加的设计原则。当罐区发生火灾或其它事故时，基本不会连锁引发切水器故障。该管口ESDV实际上仅应对切水器及其附属管道故障，采用普通的电动阀、气动阀，可满足远程切断即可。
图2.3.1—常压储罐切水系统流程
与储罐进出料管口允许较长的总关断时间不同，切水管口ESDV更重视触发后能够及时、快速的关断，不允许过长的反应时间。在阀门选型和自控联锁上实现这个要求并不困难，但对触发信号的灵敏性和可靠性要求较高。现阶段，切水管口ESDV主要依靠可燃或有毒气体报警器（以下称气体报警器）实施联锁触发。对于压力储罐，由于介质泄漏速度较快、挥发性较高，污水池的高度和位置也利于气相的扩散，气体报警器触发相对及时。但对于常压储罐，特别是存储饱和蒸汽压较低的介质时，该方式存在一定的滞后风险。由于常压储罐排污池一般与罐基础等高（常见为0.8~1.2米）或略低于罐基础，且切水器出水管口接入池内的位置较低（常见为0.1~0.2米），当发生泄漏时，挥发后的气相溢出位置较高。特别是当气体报警器需兼顾其它设施时，如遇持续风向，4米或10米的检测极限【4】很容易造成触发滞后。所以，为保障常压储罐气体报警器的及时触发，宜在排污池内部合适高度额外增设一台气体报警器。管口ESDV与排污池内、外2台气体报警器联锁，采用2取1联锁触发的形式，最大限度保证触发的及时性和可靠性。
三 ESDV误关断问题应对方案
3.1 仪表故障问题
根据关断失效案例，液位开关造成的失效主要出现在需设置ESDV但不需要设置SIS系统的罐区，保证液位开关的可靠性是避免ESDV误关断的最直接的方法。对于这类采用单套远传液位计的储罐，通过增加1台液位计或1台液位开关实现类似SIS系统的2OO3表决是比较理想的。但对于已建成罐区，因储罐结构型式已确定，增加远传液位计基本无法实现；增加液位开关的方案，即便不考虑投资问题，共因失效的概率也相对较大，实际难以大幅提高触发的准确性。在已有配置下，只能通过优化联锁降低故障影响。
现阶段主要有以下三类联锁方案。其一，采用液位计和液位开关2OO2联锁，该表决方式较大限度的避免了液位开关故障影响，但降低了整体安全，使用案例较少。其二，采用以液位计为主，液位开关为辅的联锁。即当液位计单独触发联锁液位或当液位计和液位开关同时触发联锁液位时启动关断，该方案完全避免了液位开关故障，将故障源转移到了相对可靠的液位计，增加了一定的可靠性，使用案例较多。其三，增加人工判断环节。即在不增加其他联锁的基础上，当触发液位开关时，进行可控时间内的人工判断和干预，若在判断时间内无干预，再自动执行关断动作。在该方案在判断是否为液位仪表故障时实际存在一定难度，实际触发该工况时，更多的是选择进行干预，并及时进行储罐切换。
3.2 动力源故障应对
采用气动执行机构的ESDV，主要应用于综合性厂区，如炼厂、油气终端等设有空分装置的厂区。仪表风系统失压引起的动力源故障主要出现在已建成厂区，近些年的一些环保项目增加了很多用气点，特别是对于拥有较多罐区群的厂区，在增设了油气回收或氮封系统后，仪表风用量陡增，且用气时间非常集中，而此类改造项目中往往缺乏对旧有仪表风系统的核算，极易造成系统的短时失压。为避免此类问题，在设计层面主要需重视以下两大问题。
一是当上游供气压力相对稳定时，罐区仪表风支线规格的确定。对于管道规格较小的罐区，阀门用气量相对较小，采用常见规格尺寸基本可以满足使用要求。但对于如原油储罐、成品油储罐等存在较大尺寸进、出料管道的罐区，则需要精确的核算总用气量。若仪表风管线规格选用过小，不仅容易造成误关断，也将造成紧急工况下的关断失效。在设计阶段确定用气量时，不仅要考虑事故工况下所有ESDV的同时动作，也需要叠加因ESDV动作连锁引起的氮封及油气回收系统控制阀动作的用气量。
二是当上游气源不稳定时，罐区仪表风压力的保障。当经过系统核算，厂区仪表风系统已接近负荷极限或超出负荷时，需要设置仪表风缓冲罐进行稳压。在此类项目中，由于已建仪表风系统的扩容改建基本难以实现，一般按照区域设置仪表风缓冲罐进行稳压。
四 结语
罐区ESDV的稳定性直接关系储罐的安全和上下游的稳定运行。在工程设计中，严格的执行规范条文只是基本要求，对于关键设备进行合理的选型、在工艺联锁上进行合理的优化、对上下游保障措施配置到位才能系统的减少ESDV的故障影响、保障ESDV的正面作用。对于罐区ESDV的运行保障，本文提供一些思路并非完全适用于所述工况，具体实施方案仍需要结合运行条件进行选择和优化。
参考文献
[1] 周桂林.紧急切断阀设计选型与气动执行机构技术研究[J].阀门, 2025(2):205-209.
[2] 工业和信息化部.石油化工储运系统罐区设计规范：SH/T 3007-2014[S].北京：中国石化出版社，2014.
[3] 住房和城乡建设部.石油化工企业设计防火标准:GB 50160-2008[S].北京：中国计划出版社，2009.
[4] 住房和城乡建设部.石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准:GB/T 50493-2019[S].北京：中国计划出版社，2019
作者简介：赵永昌，男，1987年生，本科，工程师，注册安全工程师，现主要从事石油化工油气储运、油气田地面工程等方面的工程设计和研究工作。
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