从工程与安全的角度看ESD阀的需要
摘要
自从北海Piper Alpha灾难后，ESD阀的设计已经得到重视，仍然是工厂安全管理的重中之重。已经持续改进ESD阀来确保其完整性。从本质上说，ESD阀应按工厂的要求实现其作用（阀通常是关闭状态）。为满足生产的基本需求，仍要求这些阀保持长达几个月甚至数年的开状态，因此导致阀内部腐蚀。最终的控制单元是SIS中的最差单元。它给SIF造成50%的PFDavg。为满足ESD阀理想的可用性，已经设计了不同的工具。部分阀行程测试、阀-执行机构特征曲线、测试间隔（TI）在工业中是常见的。然而，没有既包括工程也包括安全方面的ESD阀的工业标准。ESD阀及其执行机构的设计随着操作员的不同而不同，有时，同一个操作员在设计不同的工艺时，也不相同。本文致力于解决ESD阀的常用工业标准。
关键词
紧急关断阀（ESD阀）、安全仪表系统（SIS）、安全仪表功能（SIF）、测试间隔（TI）、最大关断差压（DP）、资本支出（CAPEX）、部分行程、按要求的故障概率（PFDavg）、动态扭矩、扭距安全余量、过程危险分析（PHA）、危险源和可操作性研究（HAZOP）、失效模式、效果和诊断分析（FMEDA）
引言
为ESD阀扭矩计算及其执行机构尺寸选择的最大关断差压有时在设计阶段遭到争论。太大的保留值导致了超大的执行机构，也增大了CAPEX。
另外，在阀/执行机构厂商和执行机构与阀扭矩安全余量之间没有阀安全因素的选型标准。很多阀厂商都利用他们自己的安全概率和用户的规范。
研究发现，最终控制单元导致50%的SIS故障。当设计ESD阀时，需要给予特别关注。然而，ESD阀不应选择太大的尺寸。


故障数据统计
随着SIS、部分行程、阀-执行机构特征工具的引入，也产生了高设计概率是否仍要求满足生命周期扭矩要求的问题。从本质上说，结合起来，提高了CAPEX。
本文致力于解决以下问题：
l  过程应用中选择最大差压的基础和SIS应用中选择适当的最大差压的建议
l  不同的关断差压与不同的执行机构-阀扭矩安全余量的成本分析
l  和阀安装在一起的执行机构机械装置的类型
l  动态扭矩规范
l  阀的打开/关闭的时间设计与安全问题
l  管线上的安全阀的执行机构——执行机构回路中的最差单元
l  部分行程测试、阀-执行机构特征曲线、测试间隔（TI）
l  阀-执行机构的PFDavg与安全完成性等级（SIL）
l  ESD阀泄露、火气测试规范
l  其他设计问题
过程应用中选择最大差压的基础和SIS应用中选择适当的最大差压的建议
如果阀厂商能提供所有的必要信息，对执行机构厂商来说，ESD阀执行机构的尺寸选择
将是一项非常简单的任务。阀扭矩是最大关断DP的一个功能。没有得到执行机构的最大差
压饿标准。实际上，各个操作员采用的方法都是不一样的。对某个操作员来说，不同的资
产也不一样，不同的设计顾问也是不一样的。从本质上说，存在这种差异是由于在设计阶
段缺乏恰当的分析。在很多例子中，ESD阀工程师倾向于采用保留值来代替分析各个案例。
恰当的PHA能帮助选择最优的最大DP。
总之，以下列举的方法正是选择DP尺寸的原则：
l  运行条件下的最大DP
l  上游故障条件下的最大DP
l  管线的设计压力
l  管线的冷法兰的额定压力
众所周知，一些操作员和设计承包商仅仅遵循一个原则，即所有的开关阀（ESD阀和常用的开关阀）都不考虑服务和超越执行机构设计的应用。
按照管线的设计压力选择最大的DP
尽管安全阀设定点与设计压力之间有较大的余量，但是缺乏恰当的分析，所以把管线设计压力认为是标准的选型标准。一些操作员倾向于采用所有的阀都是可以互换的方法。对相同的生产线设计压力和额定发兰来说，这些阀对于服务来说，是能互换的。例如，在需要时，某个生产井用的阀能与注入井用的阀互换。或者，能在类似应用中其他资产上使用相同的阀。然而，由于在安全阀设置压力接近设计压力的地方的工艺要求，一些应用根据设计压力来作为选择合适尺寸的DP要求。
按照冷法兰额定压力选择最大的DP
一些操作员倾向于所有阀门的扭矩应根据冷发兰的额定压力服务互换性原因计算。借助这种假设，设计承包商倾向于根据冷发兰额定压力确定所有ESD阀门及其执行机构的扭矩要求。这种小规范将增加CAPEX。在设计阶段，操作员和设计承包商已经看到多少阀是可以互换的可能性，这也是可能的。不同资产的阀门的互换性也许性价比不高。虽然应考虑其他因素，例如，紧急和发货条件，分解与运输成本可能比新阀的成本还高。必须说明的是，任何操作员在他们工厂的运行历史上有多少个阀可以在不同的资产上互换是没有可用数据的。
最大DP选择的案例研究——过程危险方法
在常规过程危险中，通常不讨论阀与执行机构的DP尺寸，因为这纯粹是与设计有关的问题。然而，简化的安全分析可以证明最大DP的选择是正确的。
让我们分析一个简单的案例：
考虑一下井口的分离器入口。在该例子中，通过安装新的ESD阀，原来的生产井正被用作气提井。因此，正常运行的压力比井在关断时的压力和设计压力都小很多。
 


图1 井流程管线
管线尺寸：10”
额定管线：ANSI 1500# RTJ
最大运行压力：10 barg
高压报警设置：14 barg
安全阀设置：18 barg
井关断压力：176 barg
管线/容器设计压力：228 barg
冷发兰额定压力(@ 1500#)：259 barg
最小供气压力：5 barg
最大供气压力：10.5 barg
管线设计压力被认为是用于阀扭矩计算时选择DP的参数（228 barg）。
为了证明这个原理，假设一个干扰条件（井流程管线上的高压），要求关闭ESD阀。
假设流程管线上的压力突然开始上升，并接近176 barg的井关断压力。
当关闭阀时，可能出现以下情形：
情形1
1． 压力变送器将检测14 barg的压力，SIS（PT，SOV）正常工作，并关闭ESD阀。
2． 在关闭的过程中，在176 barg的压力下，ESD阀并不能良好地工作。最终，当关闭后，ESD阀在176 barg的压力下能良好地工作
安全评估：第一层保护正常工作。不需要第二层保护起作用。
情形2

1. 在14 barg的压力下，压力变送器不能响应（可用性很差），或逻辑控制器不能响应，或电磁阀不能运行，或ESD阀一直保持打开的状态，即在14 barg的压力下，阀不能关闭。
2. 在18 barg的压力下，压力安全阀砰的一声打开从而释放压力（假设压力安全阀选择的尺寸合适，已经维护实验测试间隔），从而保持理想的流量。
3. 由于以上第一点中的某个原因，在176 barg的关断压力下，ESD阀不能良好地工作，也不能关闭。

安全评估：第一层保护不能起作用。第二层保护正常工作，ESD阀将不会关闭，压力通过安全阀来释放。
情形3

1. 由于SIS有缺陷，在14 barg的压力下，阀不能关闭。
2. 在18 barg的压力下，安全阀不能打开（维护不好，没有维护实验测试间隔）。
3. 由于以上第一点中的某个原因，在176 barg的关断压力下，ESD阀看起来良好，但是也不能关闭。

安全评估：第一层保护（SIS故障）和第二层保护（安全阀）都不能响应。
因此，显而易见，如果SIS和安全阀正常工作的话，当关闭时，在关断压力下，阀不能正常工作。同时，对任何误动作来说，阀将在最大10 barg的运行压力下关闭。
在打开的过程中，在关断压力下，ESD阀正常工作。然而，正如大多数工厂的运行一样，在管线卸压后，将打开ESD阀。
一些ESD阀安装了旁路，因此不需要在满量程差压下打开这些阀。例如，在开阀之前，气体管线向下游加压，因此在最小的差压时打开阀。
通过具有两位两通和8字盲板的小尺寸的旁路阀来降压。阀可以是自动的，也可以是手动的。为用于井口关断压力的小阀选择尺寸和为处于压力变送器设置压力以上或安全阀设置压力以上的主阀选择尺寸。这导致了降低了执行机构的尺寸，也降低了阀体的成本。旁路管线具有卸压后阀处于旁路模式，不注意就是打开的状态。为纠正这个问题，在工厂操作手册和安全检查表中应清楚地强调这些问题。
 
 


图2 ESD阀旁路
操作员的规范之一就是要求在以下工艺条件下，ESD阀将根据冷发兰额定压力(ANSI 900#)选择正确的尺寸。项目设计基础要求所有的ESD阀都是基于冷发兰额定压力设计。
管线尺寸：22”
最大运行压力：21 barg
安全阀设置点：25 barg
管线设计压力：109 barg
冷发兰额定压力：159 barg
如果压力的高压设定点与井口的关断压力的差不太高的话，应基于安全阀设置来选择最大的DP，该阀可以关闭从而满足管线的设计压力。但是这不适用所有的ESD阀。应分析每个应用来决定合适的最大DP。

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