執行機構防火罩設計選型標準及采購要點

2021/9/23 10:30:55 人評論 次瀏覽 分類:控制閥  文章地址:http://www.wfcycy.cn/tech/3980.html

執行機構防火罩在國內出現的時間較短,國內相關規范標準都是參考國外標準而來,有些內容并不完善,而且常常引起爭議。在編寫防火罩技術要求時,由于設計人員對防火罩產品不了解,采購方也不熟悉,技術要求經常出現漏洞,導致執行機構防火罩設計和選型采購存在安全隱患。昌暉儀表將對執行機構防火罩設計選型要點和相關標準進行匯總解讀,幫助相關設計人員和采購方對防火罩技術要求進行規范。

執行機構防火罩屬于被動防火的一個概念,在相關標準中對被動防火有明確的定義,比如API RP 2218-2010  《石油和石化廠的防火應用措施》第5.1條:防火措施的主要價值體現在火災早期,應對措施主要集中于關閉單元、隔離燃料和火焰、啟動固定滅火設備和設置冷卻水流的時候。在這個關鍵時期,如果非防火的管道以及設備支撐,由于火災損害失去強度,它們可能坍塌從而引起墊片失效、管線破裂以及碳氫物泄漏。此外,如果控制線路或供能線路被損害,則可能導致無法操作緊急隔離閥門、減壓或啟動損毀的自動或手動噴水系統。


參考相關標準,防火罩的本質是在所定義的火的工況下(比如UL1709標準的烴類池火,火溫1093℃),一定時間之內(比如30分鐘),要確保被保護的執行機構不失效(即執行機構上的溫度不能超過其失效溫度)。

執行器防火罩

防火罩選型規格書需明確參數

1、火的種類
在油氣和石油化工生產中,烴類介質引起的火災最為危險,所以相關標準中都是以烴類火對防火材料或系統進行檢測或測試,稱為烴類池火(Hydrocarbon Pool Fire)和烴類噴射火(Hydrocarbon Jet Fire)。比如UL1709標準的烴類池火,火溫為1093℃;

2、保護時長

針對執行機構,一般是30分鐘。

3、環境最高溫度

即防火罩設計計算起始溫度,一般是以項目當地環境最高溫度作為起始溫度,原因是我們無法知道火災會在一年當中的什么時候發生,只能選用環境最高溫度作為起始溫度。

4、最大許可表面溫度

即執行機構失效溫度,一般是70℃或80℃。
電動執行機構,比ROTORK電動執行機構,其樣本手冊中明確注明其失效溫度只有70℃;氣動執行機構失效溫度一般依賴于執行機構內部密封元件或者執行機構附件的最大許可溫度,比如ASCO低溫電磁閥,只有65℃,加上設計裕量也就70℃。內部密封件和材質有關,最大許可溫度各有不同,大多執行機構廠家在其產品手冊中都會注明執行機構最大許可溫度,有的70℃,有的80℃;特別注意,執行機構及附件的正確選型也很重要。
電動執行機構的齒輪箱120℃失效,容易忽略,同樣需要做被動防火保護。

5、閥門操作溫度

閥門介質溫度順著閥桿會產生熱傳導作用,特別是高溫介質,如果不考慮該熱傳導影響,有可能導致執行機構正常運行時的溫度超過許可溫度;

6、防火罩附件設置

防火罩主要附件有快速安全檢查門(Quick access door)/檢查門(Inspection hatch)、通風格柵(Ventilation griller)和排水塞(Drainage System),附件可以根據需要集成到防火罩產品中。快速安全檢查門一般用于手輪、定位、控制面板位置,確保防火罩安裝不影響閥門執行機構的正常維護操作。通風格柵有兩個作用,一個是防止閥門介質順著閥桿有微量泄漏時危險介質在防火罩內部聚集,帶來危險工況;另一個是防止執行機構在正常操作時溫度過高。排水塞是防止雨水在防火罩內部聚集。

7、閥門執行機構外形尺寸圖

隨閥配套采購時由閥門廠提供。

8、執行機構重量

隨閥配套采購時由閥門廠提供。

相關執行機構防火罩設計標準

1、UL1709《Rapid Rise Fire Tests of Protection Materials for Structural Steel》
烴類池火的標準,UL1709《Rapid Rise Fire Tests of Protection Materials for Structural Steel》最早是針對鋼結構防火材料的快速升溫火火焰測試標準,其中提出了一套烴類池火的檢測方法,內容包括:它將受保護鋼柱置于5分鐘內達到2000°F(1093°C)的火焰中,5分鐘之后直到測試結束溫度不再變化,使受測防火系統承受65,000 BTU/ft2-hr的熱通量。測試在電熱偶一端的平均溫度到達1000°F(538°C),或單一電熱偶溫度達到1200°F(649°C)時結束。其中538℃,即結構鋼的失效溫度,在此溫度,所測試的結構鋼樣品其強度減少一半。API 2218中明確推薦UL 1709(或等效標準)為石油石化廠家使用的防火材料的建議標準測試,即不僅是鋼結構,其他設備、閥門執行機構的防火保護同樣要使用UL1709作為防火材料的標準測試。國內相關標準在提到緊急切斷閥執行機構防火保護時,都提到要符合UL1709標準,主要是借用UL1709中烴類池火的定義和測試方法,但是執行機構失效溫度和結構鋼失效溫度是完全不同的,這是需要注意的。

UL1709標準不是唯一的烴類池火火焰測試標準,但是目前已經成為最權威的烴類池火火焰測試標準。陸上石油化工生產和海上油氣平臺都會有應用。


2、ISO22899-1《Determination of the resistance to jet fires of passive fire protection materials —Part 1:General requirements》

烴類噴射火的標準:ISO22899-1《Determination of the resistance to jetfires of passive fire protection materials —Part 1:General requirements》最早是針對鋼結構的被動防火材料抗噴射火的測試標準,該標準目前也成為比較權威的噴射火測試標準,在海上平臺應用更多一些。
關于不同火的火溫曲線,見下圖,

3、API RP 2218-2010《石油和石化廠的防火應用措施》

5.1.9 火場情景內的應急閥門
在起火區域內的應急閥門和閥門啟動裝置的操作對于安全關閉單元、為設備減壓或切斷火焰的燃料供應可能是至關重要的。重要的應急隔離閥門包括供應大型塔、收集池和平行罐的泵機管道的抽吸閥門。為了增加應急閥門正常工作的概率,應考慮為聯結閥門的動力線路和信號線路同時加裝防火設施。閥門的馬達操控單元應充分防火,以保證閥門有足夠的時間完全打開或閉合。屬于失效保護的閥門不需要防火(但應該確保在火災中能夠觸發失效保護狀態)。

動力線路和儀表線路可以按照章節5.1.8.1 所述保護。馬達操控裝置應被多重防火系統保護,防火系統應使用預成型的抗火材料,特別設計的防火毯,或使用膠泥材料或膨脹樹脂涂層永久固定于設備表面。對于上述選擇,均必須確定防火材料適合受保護設備的操作溫度。一些材料盡管可以在UL 1709(或等效)條件下提供30分鐘保護時間,但限定的非遇火正常溫度可能低至150oF(65°C)。評估也應考量寒冷天氣情況。


下列項目需要特別考量:

a.電機暴露在明火時,電機內安裝的熱限位開關可能造成在閥門未完全打開或閉合時電機失靈。應考慮關閉熱限位開關,或聯系設備供應商咨詢可能的改裝方案,以確保電機能夠在需要的閥門操作環境中正常運行。
b.閥門的手動輪和控制桿的防火保護不能過分影響閥門的易操控的程度。
c.加裝防火設備后閥門的位置指示必須仍能看見。
d.螺線管操控的閥門的螺線管可以安裝前述防火材料。由于絕熱材料隔熱并限制空氣流通,設計必須確保能夠有理想的操控。
e. 膜片操控閥門的隔板套可安裝前述防火材料,除非閥門設計為損壞時啟動。
f. 選擇的防火系統必須評估其在受保護設備和設備環境處于正常操作溫度下的使用。

4、API RP 553-2012《煉油廠控制安全系統閥門和附件》

3.4.6 D類EBV:為帶遠程控制的閥門。對閥門位置無限制,但控制系統距離泄漏源至少12米遠,并且在火災區域外。安裝在高度超過4.6米的EBV閥也在這個類別里。在火災區域內的執行機構、那部分電纜及儀表管應該防火,或設計為在火災條件下操作不失效。具體指導管、儀表管、電纜支撐需要防火。
8.2.2.1 電動馬達執行機構,是閘閥的第一選擇,因為電動馬達在損失電力時會靜態故障,在火災區域的任何這種閥門執行機構都應做防火保護,在火災區域的那部分控制電纜也應該做防火保護,耐火電纜是一個選項。
8.2.3.3 氣動執行機構,火災可操作型,該種執行機構應該使用儀表管硬接線,并且做防火保護。
8.3.1 EBV供氣、關鍵接線、就地控制盤以及執行機構應能夠承受1093℃石油火,保持所有內部電子控制及接線在至少30分鐘內溫度低于93℃。防火保護應能夠承受來自消防栓的持續水流。防火材料應防風雨、耐陽光。參考API2218。

5、API 2510A-2010《LPG存儲設施設計和操作的防火考慮》

6.5.3.1 自動和遠程操作閥門
遠程操作的閥門,無論是液動、氣動或電動操作,在停止燃料流方面會很有用。能建議不止一個操作位置。傾向于失效關的閥門,由于這些閥門在失去信號時會自動關閉。除非提供防火保護,電動閥不能做到這個,由于需要電力使執行機構動作。氣動或液動閥門需要壓力打開,失去壓力時,可以靠彈簧力自動關閉。電動閥及其電力供應需要特別考慮防火保護以保證緊急狀況下可以操作。

6、AQ 3053-2015《立式圓筒形鋼制焊接儲罐安全技術規程》

第6.13條要求“儲罐物料進出口管道靠近罐體處應設一個總切斷閥。對大型儲罐,應采用帶氣動型、液壓型或電動型執行機構的閥門。當執行機構為電動型時,其電源電纜、信號電纜和電動執行機構應作防火保護。”  在該標準前言中特別指出,第6.13條為強制性條款。
注:大型儲罐是指公稱直徑大于或等于30m或公稱容積大于或等于10000m3的儲罐。

7、SH/T3005-2016《石油化工自動化儀表選型設計規范》

10.3.6.14 當工藝安全對緊急切斷閥有防火保護要求時,用于緊急切斷閥的氣動執行機構及其附件 應有防火保護措施,首選安裝防火保護罩,防火保護罩應符合UL 1709標準,能夠在1093°C下, 抵抗烴類火災30分鐘。
10.3.7.11當工藝安全對緊急切斷閥有防火保護要求時,用于緊急切斷閥的電動執行機構及其附 件應有防火保護措施,首選安裝防火保護罩,防火保護罩應符合UL 1709標準,能夠在1093°C下, 抵抗烴類火災30分鐘。

8、[2016]39號:中石化《罐區隱患整改攻堅戰指導意見》

四、低低液位聯鎖、高高液位聯鎖
2.對屬于一級或二級重大危險源的儲罐,除設置高、低液位報警外,還應對低低液位和高高液位設置相應的報警及聯動保護措施。需設置獨立 SIS 系統的儲罐,其進出口管道上的罐根閥(緊急切斷閥要采取防火措施,應具有手動操作功能,并采取防火措施)。

9、SH/T3184-2017《石油化工自動化系統設計規范》

5.4.1.12  需要防火的開關閥的電纜和執行機構應根據具體情況做防火設計。

10、DEP-T-PE1530-2017《緊急切斷閥工藝設計導則(試行)-SEG 》

7.2 氣動執行機構選型設計
7.2.11 需要設置防火措施時,首選安裝防火保護罩,防火保護罩應符合UL1709標準,能夠在1093℃下,抵抗烴類火災30分鐘。
7.3 電動執行機構選型設計
7.3.10 需要設置防火措施時,首選安裝防火保護罩,防火保護罩應符合UL1709標準,能夠在1093℃下,抵抗烴類火災30分鐘。
7.4 電液執行機構選型設計
7.4.14 需要設置防火措施時,首選安裝防火保護罩,防火保護罩應符合UL1709標準,能夠在1093℃下,抵抗烴類火災30分鐘。

11、Q/SH0749-2018《液化烴儲運工程技術標準》

12.2.7 g) 液化烴球罐根部緊急切斷閥選用應符合中國石化建[2011]518號《液化烴球罐緊急切斷閥選型設計規定》;球罐根部緊急切斷閥的防火罩應選用適用于戶外露天場合的剛性防火保護罩,防火保護罩應能夠在1093℃烴類火災下30分鐘內保證其內部溫度低于80℃。

如何采購防火罩

防火罩是根據閥門和執行機構尺寸量身定制的產品,并且在設計時候需要根據溫升區間(即失效溫度-溫升起始溫度)去計算所需的防火材料厚度,溫升區間越小,防火罩設計難度越高。每個防火罩都需要根據具體溫升工況來單獨設計計算,實際所需厚度可能是3層75mm厚-5層125mm厚。而且,防火罩和執行機構之間一般會通過支架保留一定的空間,由于裝置現場空間問題,這就要求防火罩必須足夠緊湊,同時不能影響閥門和執行機構的正常操作維護。

防火罩主要有以下兩種采購方式:

a、隨閥配套采購
新建項目一般采用隨閥配套采購方式,這樣在防火罩設計時,閥門廠家配合提供閥門執行機構整體外形圖,在閥門設計時根據防火罩廠家建議對閥桿支架長度、手輪軸長度、閥位指示器、或者執行機構附件位置進行優化設計,執行機構附件選型時也會由于考慮執行機構失效溫度而更加合理。防火罩圖紙在設計完后由防火罩廠家發給閥門廠家進行確認,同時由閥門廠家提交給設計院配管部門,以預留出足夠的安裝空間。這樣現場安裝也會更加完美。

b、防火罩單獨采購

改造項目一般只能單獨采購防火罩,由于閥門執行機構已經安裝完,現場空間都已經確定,單獨采購往往會非常麻煩,可能因為缺乏防火罩設計參數、閥桿支架長度不夠、手輪軸長度不夠、執行機構附件位置不合理、安裝空間不夠等原因而導致防火罩設計難度加大,或無法設計防火罩。因此,單獨采購要面對的問題較多。

總而言之,執行機構防火罩的選型應用存在大量的技巧和專業性,合理有效的防火罩選型設計,當真正發生火災時,可以有效的保護執行機構,降低裝置風險,因此企業業主、設計方、閥門廠家和防火罩供應方都應該重視并掌握執行機構防火罩選型要點。
作者:朱建峰(英國達肯工程有限公司)

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