防火罩在閥門執(zhí)行機構(gòu)上的應(yīng)用研究

■ 王聰 孫玉龍 國家管網(wǎng)集團工程技術(shù)創(chuàng)新有限公司華東設(shè)計院

近年來，隨著國家對石油化工行業(yè)設(shè)備的安全管控越來越重視，火災(zāi)預(yù)防在石化企業(yè)中的重要性日益顯著，增加防火安全方面的投資也越發(fā)必要。因此，創(chuàng)新且經(jīng)濟有效的防火設(shè)備將在石油化工行業(yè)的消防安全工作中起到至關(guān)重要的作用。

石油化工火災(zāi)發(fā)生時，往往火勢無法在短時間內(nèi)得到控制并撲滅，而且隨時有著爆炸的危險，火災(zāi)可能造成的不僅是直接的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失，還會導(dǎo)致公司的生產(chǎn)中止，影響公司的社會形象?；馂?zāi)發(fā)生時，能否減小損失、保證安全在于對碳氫化合物燃燒時間的控制，相關(guān)人員可以通過控制室關(guān)閉控制閥來阻止火勢蔓延。因此，閥門、執(zhí)行機構(gòu)、儲槽、電纜等各種設(shè)施有必要進行外部防火保護，以便在火災(zāi)發(fā)生時操作人員有足夠的時間保證系統(tǒng)安全和阻止火勢在不可控制的情況下繼續(xù)蔓延[1]。

一、研究背景

隨著我國石油化工產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，國家對安全生產(chǎn)越來越重視，把安全生產(chǎn)作為民生大事，堅持預(yù)防為主、防消結(jié)合，實現(xiàn)從災(zāi)后搶救到災(zāi)前預(yù)防觀念的轉(zhuǎn)變，提升防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)能力，堅決遏制重特大安全事故，確保安全生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定進行。

尤其是大型輸油站庫，一旦發(fā)生火災(zāi)，引發(fā)爆炸，將對儲罐、輸油管道、輸油設(shè)備以及電力系統(tǒng)等關(guān)鍵部位造成最直接的損毀，操作人員無法控制，導(dǎo)致火勢進一步惡化，無形中增加了消防人員撲救的難度，企業(yè)甚至整個社會將付出慘重代價。

下文以大連7·16 油庫火災(zāi)事故為案例，對其發(fā)生的原因、造成的后果以及存在的問題進行分析，希望引起相關(guān)企業(yè)和人員的重視，有所啟發(fā)，避免類似災(zāi)難的重現(xiàn)。

（一）事故起因

事故部門在輸油作業(yè)過程中，將具有強氧化性的脫硫劑注入了原油管道，導(dǎo)致正在運行的管道產(chǎn)生了化學反應(yīng)，油庫最終發(fā)生了燃爆。

（二）造成后果

在以往發(fā)生的油庫輸油管道事故中，從未造成過災(zāi)難性后果，大多數(shù)是由于物理性破裂或機械擊打所導(dǎo)致管道發(fā)生漏油。但是，大連油庫火災(zāi)事故是因?qū)⑻砑觿┳⑷牍艿腊l(fā)生化學反應(yīng)燃爆，從當時在現(xiàn)場觀察到的畫面來看，破壞力極大，100 多米的輸油管道炸成碎片，致使原油大量泄漏并引起火災(zāi)。圖1 為大連7·16 油庫火災(zāi)事故現(xiàn)場。

圖1 大連7·16 油庫火災(zāi)事故現(xiàn)場

此次管道內(nèi)部爆炸并造成嚴重火災(zāi)的案例在新中國成立以來第一次發(fā)生，在世界范圍內(nèi)也實屬罕見，屬于極端油庫火災(zāi)事故。

（三）火災(zāi)控制存在的問題

在事故發(fā)展的初始階段，熊熊大火和產(chǎn)生的爆炸氣浪摧毀了整個電力系統(tǒng)[2]，使罐根閥失去動力，無法快速關(guān)閉，大量原油不斷泄漏，致使火災(zāi)失控，破壞力一發(fā)不可收拾，造成大面積的流淌火災(zāi)。另外，多處閥門無法及時關(guān)閉，造成事故時多處原油泄漏。

從大連7·16 油庫火災(zāi)事故中看到，當發(fā)生火災(zāi)時，閥門的執(zhí)行機構(gòu)在高溫烈火中無法得到有效控制，導(dǎo)致易燃、易爆介質(zhì)大量泄漏，流淌火大面積蔓延，對生產(chǎn)設(shè)備和人員安全造成了嚴重威脅。

二、研究內(nèi)容

經(jīng)研究表明，目前具有防火功能的電動執(zhí)行機構(gòu)主要有兩種形式：普通電動執(zhí)行機構(gòu)外加裝防火罩結(jié)構(gòu)和整體防火式電動執(zhí)行機構(gòu)，且都滿足在1093℃下抵抗烴類火災(zāi)30 分鐘的防火要求，防火材料或防火設(shè)備的防火性能符合UL 1709 防火認證[2]。

（一）類型一：電動執(zhí)行機構(gòu)加防火罩

電動執(zhí)行機構(gòu)外加防火罩的防火電動執(zhí)行機構(gòu)是在普通電動執(zhí)行機構(gòu)的外面加裝防火罩，既能保證正常操作，又能滿足防火要求。防火罩又分為柔性防火罩和剛性防火罩，該型式的防火罩需要在電動執(zhí)行機構(gòu)的外部獨立安裝，尤其是柔性防火罩需要的安裝空間小、重量輕，適合于現(xiàn)場位置較小的情況，而剛性防火罩需要較大的安裝空間，采用柔性防火罩可以解決空間不足的安裝問題。圖2 為防火罩示意圖。

圖2 防火罩示意圖

此外，電動執(zhí)行機構(gòu)和防火罩的分體式結(jié)構(gòu)，便于電動執(zhí)行機構(gòu)和防火罩的單獨采購和安裝使用，鎖緊的繃帶可以安全有效地進行拆裝維護，無需特定的工具或人員，當需要維護時，外殼可以便于拆除和安裝，不用切斷儀表或移位設(shè)備，也不用移動防火罩就能夠操作儀表和閥門。

（二）類型二：整體防火式電動執(zhí)行機構(gòu)

整體防火式電動執(zhí)行機構(gòu)是在執(zhí)行機構(gòu)上噴涂膨脹防火層，使執(zhí)行機構(gòu)在火災(zāi)中正常運行。然而，在涂抹涂層時要特別注意，不能封堵密封部位，不然會給維修帶來不便，對執(zhí)行機構(gòu)外部殼裝熔點的要求還比較高，材質(zhì)為鑄鋁的外殼不建議使用。整體防火式電動執(zhí)行機構(gòu)如圖3 所示。

圖3 整體防火式電動執(zhí)行機構(gòu)示意圖

為滿足防火要求，整體防火式電動執(zhí)行機構(gòu)對執(zhí)行機構(gòu)殼體外部防火涂料的選用要求比較苛刻，工程項目的投資相對較大。因此，在化工項目中普通電動執(zhí)行機構(gòu)外面加裝防火罩的應(yīng)用相對多一些，可確保生產(chǎn)設(shè)備的平穩(wěn)運行。

三、工作原理

防火罩的防火原理是在1093℃液態(tài)烴類（UL1709標準）火災(zāi)中控制防火罩內(nèi)部執(zhí)行機構(gòu)的溫升不超過30 ～40℃（一般環(huán)境最高溫度40℃左右），即從環(huán)境最高溫度或執(zhí)行機構(gòu)運行時的最高溫度，30 分鐘不超過執(zhí)行機構(gòu)的失效溫度，保證執(zhí)行機構(gòu)不失效（70 ～80℃為執(zhí)行機構(gòu)失效溫度）。

依據(jù)標準UL 1709-2007，在1100℃火焰的情況下進行120 分鐘的性能檢測，并最終測試通過了勞氏認證。時間-溫度曲線如圖4 所示。

圖4 時間-溫度曲線

執(zhí)行機構(gòu)防火罩是在裝置現(xiàn)場組裝起來的箱式結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，有快速開啟門和通風散熱格柵，同時承受來自閥桿、執(zhí)行機構(gòu)連接支架、電纜和進氣管等帶來的傳導(dǎo)熱量，實現(xiàn)在火災(zāi)情況下防火罩內(nèi)部執(zhí)行機構(gòu)僅升溫30 ～40℃。

四、應(yīng)用研究

（一）基本條件

防火罩不具備互換性，即用在A 閥門執(zhí)行機構(gòu)上的防火罩不能證明用在B 閥門執(zhí)行機構(gòu)上具有相同的防火性能，需根據(jù)實際工況進行確定[3]：

（1）確定防火罩計算的初始溫度。根據(jù)環(huán)境和介質(zhì)的最高溫度推算執(zhí)行機構(gòu)的運行溫度；

（2）確定閥門介質(zhì)溫度。閥門介質(zhì)溫度過高會通過支架和閥桿傳到執(zhí)行機構(gòu)，在執(zhí)行機構(gòu)罩上防火罩后影響執(zhí)行機構(gòu)的散熱，導(dǎo)致執(zhí)行機構(gòu)運行超溫；

（3）確定不同類型執(zhí)行機構(gòu)的失效溫度。

（4）確定防火罩的檢查窗、散熱窗及電纜預(yù)留口等外形尺寸、位置參數(shù)。

根據(jù)上述條件，結(jié)合現(xiàn)場實際安裝空間確定防火罩的設(shè)計方案。

（二）結(jié)構(gòu)組成

防火罩結(jié)構(gòu)組成由內(nèi)到外依次為玻璃纖維、多層高密度陶瓷棉、不銹鋼網(wǎng)、玻璃纖維，金屬框架的主要材質(zhì)為Fe360，并經(jīng)過防腐涂層處理后制作而成，將特殊的散熱片安裝在所有管件進出防火罩的連接口處，在發(fā)生火災(zāi)時，散熱片受熱膨脹讓防火罩結(jié)構(gòu)保持氣密性，防止溫度傳遞進防火罩內(nèi)。防火罩的分解軸測圖如圖5 所示。

圖5 防火罩分解軸測圖

（1）散熱片。散熱片上設(shè)置了氣孔，當散熱片受熱膨脹時，氣孔會自動緊閉，熱空氣無法從氣孔進入防火罩，使燃燒面積得到有效控制，從而遏制火勢的快速蔓延[4]。

（2）散熱格柵。根據(jù)空氣流體力學[5]，精確對流位置，能夠滿足設(shè)備散熱要求的情況下保證防火罩的防火性能。

（3）快速開啟門。主要包括操作窗、檢查窗、維修窗等，能夠方便快速操控需要控制、操作、檢查或維修的設(shè)備。

（4）電纜通槽。將閥門線纜從通槽穿入，避免火災(zāi)對電纜的直接傷害，保障執(zhí)行機構(gòu)的平穩(wěn)運行。

防火罩隔熱、高效、環(huán)保，在煉油廠、海上鉆井平臺、液化天然氣廠等易燃易爆區(qū)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，著火時能夠避免外界流淌火進入防火罩內(nèi)部，防止破壞執(zhí)行器及附件，將損害和危險降到最低，對輸油管道的安全運行起到保駕護航的作用，也可以有效控制環(huán)境污染，保護生態(tài)環(huán)境，具有良好的社會效益。

五、結(jié)語

（1）柔性防火罩外殼材質(zhì)為柔性面料，重量輕，安裝空間較靈活，便于拆裝，成本低；剛性防火罩外殼材質(zhì)為不銹鋼，從外觀上看整潔漂亮，但需要較大的安裝空間，拆裝不便，制造難度大，成本高。

（2）閥門執(zhí)行機構(gòu)防火罩能夠在發(fā)生火災(zāi)時實現(xiàn)對危險源有效隔離或滿足工藝正常運行的條件，使火災(zāi)險情第一時間得到控制，為實施救援創(chuàng)造有利條件，避免事故進一步擴大。