В хранилищах жидких углеводородов, в частности, в типовых резервуарных парках, дисковые затворы с тройным эксцентриситетом (ДЗТЭ) с успехом применяются уже в течение нескольких десятилетий. В связи с ужесточением требований к охране труда, технике безопасности и охране окружающей среды компании-операторы резервуарных парков выбирают ДЗТЭ для ответственных противоаварийных систем, а также в качестве арматуры, ближайшей к корпусу резервуара. Основными движущими стимулами к использованию ДЗТЭ являются растущая потребность переоценки рисков, связанных с арматурой аварийного отключения, и поиск новых решений для замены традиционных задвижек, пробковых и шаровых кранов.
ВВЕДЕНИЕ
За последние 40 лет ДЗТЭ получили заслуженное признание и нашли широкое применение в оборудовании резервуарных парков благодаря своей способности обеспечивать герметичную отсечку в двух направлениях даже после нескольких циклов срабатывания. Это можно считать замечательным достижением на пути совершенствования промышленной арматуры. Из многих технических модификаций базовой конструкции ДЗТЭ можно отметить съемные седла и использование мягких материалов для изготовления деталей уплотнений.
Применение уплотнений «металл-по-металлу» обеспечивает увеличенную среднюю наработку на отказ благодаря высокой износостойкости поверхностей. В результате операторы могут продлить интервалы между плановым техническим обслуживанием (при которых может потребоваться только подтяжка набивки сальника), что позволит уменьшить затраты за весь жизненный цикл затвора.
ДЗТЭ с уплотнением «металл-по-металлу» были впервые применены в 1980-х годах для отключения резервуаров для хранения жидких углеводородов и использованы в качестве огнестойкой отсечной арматуры. ДЗТЭ сохраняли герметичность в закрытом положении при ожидаемом воздействии пламени пожара. По сравнению с традиционными запорными задвижками ДЗТЭ имеют оптимальные углы контакта диска и седла, практически исключающие опасность заедания; отсутствие полости корпуса исключает опасность снижения работоспособности (и возможных протечек), уменьшает загрязнение перекачиваемой жидкостью.
НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ
В ходе основных разработок в области управления эксплуатационной безопасностью, вызванных несколькими тяжелыми авариями, потребовалось найти более надежную арматуру для решения поставленных задач. Автоматические ДЗТЭ позволяют достичь 3-го уровня эксплуатационной безопасности (SIL) по стандарту безопасности IEC 61508. В настоящее время они все чаще выбираются для выполнения нескольких функций в системах противоаварийной защиты.
• Затворы-отсекатели на входе и выходе резервуаров для хранения углеводородов. В схеме на рис. 2 ДЗТЭ обеспечивают быстрое отключение аппарата по аварийному сигналу. Эти аварийные затворы-отсекатели также называются дистанционно управляемыми затворами ПАЗ (ДУЗПАЗ). Они проектируются, устанавливаются и обслуживаются для обеспечения быстрой отсечки резервуаров, содержащих опасные вещества, при отказе основной системы локализации, включая утечки из трубопроводов, фланцевых соединений и уплотнений насоса.[1] Они работают независимо от вторых клапанов, считая от корпуса резервуара, которые обычно управляются стандартной системой эксплуатации резервуаров. ДУЗПАЗ автоматизированы и поэтому управляются дистанционно по сигналу аварийного закрытия, формируемому логическими схемами системы защиты.
• Затворы ПАЗ в линиях перелива резервуаров-хранилищ. На рис. 3 видно, что затворы ПАЗ могут также устанавливаться в линиях перелива (если таковые имеются), используемых для отвода избыточного продукта в целях предотвращения переливов. Они часто настраиваются для открытия в аварийной ситуации с целью рециркуляции лишнего продукта, выполняя тем самым основную функцию защиты. Несколько последних аварий резервуарных парков были связаны с переполнением резервуаров.[2] Использование ДЗТЭ в системах защиты резервуаров-хранилищ обусловлено концепцией проектирования арматуры ПАЗ и преимуществами, которые дает это решение.
МЕТОДИКА
Основным фактором, который необходимо учитывать при хранении различных жидких углеводородов, является рабочая температура. Действительно, в любом случае безопаснее работать с углеводородами при температуре окружающей среды. В приведенных ниже примерах основное внимание уделяется условиям окружающей среды, которые подразделяются на три подкатегории в зависимости от конструкции резервуара [3]:
1. Резервуары с неподвижной и конической крышкой состоят из вертикальной цилиндрической обечайки, образующей стенку резервуара, с приваренной неподвижной конической крышкой. В этих резервуарах обычно хранят тяжелые нефтепродукты, например, печное топливо, асфальт, мазут и гудрон.
2. Открытые резервуары с плавающей крышкой состоят из вертикальной наземной обечайки, аналогичной рассмотренной выше, но с плавающей крышкой. Эти крышки поднимаются и опускаются, находясь на поверхности хранящегося топлива для уменьшения потерь топлива/паров.
3. Резервуары с внутренней плавающей крышкой представляют собой комбинацию резервуаров двух указанных выше типов и имеют коническую крышку с внутренней секцией, плавающей непосредственно на поверхности топлива. Эта конструкция уменьшает вероятность воспламенения и способствует предотвращению пожаров.
Требования к уровню эксплуатационной безопасности (SIL) для резервуарных парков устанавливаются на основе рисков для людей и окружающей среды. В частности, необходимо учитывать расстояние от объекта до районов с большой плотностью населения, целостность системы трубопроводов и требования действующих норм. Резервуары, относящиеся ко второй и третьей подкатегории, обычно используются для хранения жидких углеводородов, имеющих повышенную летучесть (представляющих собой повышенную опасность), например, сырой нефти и более легких продуктов, включая авиационное топливо, дизельное топливо и бензин. Анализ возможности использования ДЗТЭ в системах ПАЗ проводится для резервуаров этих двух подкатегорий.
АНАЛИЗ
Защитное воздействие клапанов часто связано с их двумя основными защитными функциями:
• Закрытие клапана для прекращения течения/отсечки источника давления
• Открытие клапана для сброса среды/давления.
Обычно выполнение арматурой защитных функций связано с двумя четко определяемыми параметрами: направлением течения/действия давления и перепадом давления (ΔP) на закрытом клапане с затвором, прижатым к седлу. Основной подход для реализации этих функций заключается в выборе автоматических клапанов с односторонним подводом среды, например, обратных и предохранительных клапанов. Для обеспечения автоматического закрытия и открытия используются симметричная конструкция, пружины, сила тяжести и вес. Таким образом, выбор этих клапанов будет самым очевидным решением, поскольку они реагируют на заданные изменения перепада давления при одном направлении течения через клапан.
Хотя это решение и можно считать обоснованным в определенных случаях, основные функции обеспечения безопасности резервуаров настолько важны, чтобы было бы опрометчиво полагаться только на рассмотренные выше основные принципы. Исторически сложилось так, что функции ПАЗ для входных и выходных линий (которые должны закрываться в аварийных ситуациях) и для линии перелива (которая должна открываться в аварийных ситуациях) реализуются с помощью арматуры других типов, в основном, с помощью автоматических задвижек и пробковых и шаровых кранов. Задвижки, пробковые и шаровые краны имеют конструкцию, симметричную относительно оси трубопровода, и поэтому их поведение не зависит от направления течения и перепада давления ΔP. Хотя это обстоятельство и можно считать преимуществом с точки зрения упрощения процедуры установки и выбора привода, поскольку направление течения и действия давления не имеют значения, эта арматура сама по себе не поддерживает некоторые функции безопасности. В результате при их использовании большое значение имеет привод, который необходим для перемещения затвора из «устойчивого» и «равновесного» положения.
ВЫПОЛНЕНИЕ ТРЕБОВАНИЙ УРОВНЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ SIL 3
Для повышения безопасности и надежности производственных установок конечных пользователей стандарт безопасности IEC 61508 установил четыре разных уровня эксплуатационной безопасности (SIL), которые определяются с помощью критериев оценки риска, применяемых при анализе риска для персонала, окружающей среды, производственного процесса и оборудования. Что касается арматуры, то для нее оцениваются две следующие характеристики, существенные для обеспечения безопасности:
• Интенсивность отказов единицы арматуры при запросе на совершение полного хода
• Интенсивность отказов единицы арматуры при запросе на герметичную отсечку.
Требуемый уровень эксплуатационной безопасности непрерывно возрастает и может соответствовать требованиям уровня SIL-3, как показано на рис. 4.
Во многих случаях ближайшая к корпусу резервуара арматура должна иметь вероятность отказа при запросе на срабатывание в диапазоне, соответствующем требуемому уровню SIL в таблице 1.
Лучшие в своем классе четвертьоборотные ДЗТЭ, где отсутствует трение в месте контакта диска и седла и используется уплотнение «металл-по-металлу», могут иметь уровень полноты безопасности SIL-3 благодаря особенностям конструкции. Как и в клапане с проходным корпусом, в ДЗТЭ применяется система уплотнения, состоящая из неподвижного седла и вращающейся уплотнительной поверхности, которая имеет такую же коническую форму, как и седло.
Однако в результате применения вращательного, а не поступательного движения в ДЗТЭ используются конические уплотнительные поверхности, ось которых наклонена к оси трубопровода, а диск затвора вращается вокруг оси, смещенной относительно оси трубопровода для достижения герметичности в закрытом состоянии. Таким образом, ДЗТЭ становятся своеобразными «четвертьоборотными клапанами» как это следует из рис. 5.[4]
Как и клапан с проходным корпусом, ДЗТЭ закрывается без трения вращающегося диска о неподвижные части, так как конструкция затвора обеспечивает однократный мгновенный контакт и посадку диска на седло только в самый последний момент хода закрытия. Однако, в отличие от клапанов с проходным корпусом, ДЗТЭ является арматурой с двухсторонним подводом среды, в которой обеспечивается стопроцентная двусторонняя герметичность в закрытом положении благодаря использованию трех эксцентриситетов:
1. Вал находится позади плоскости поверхности уплотнения
2. Вал смещен относительно оси корпуса затвора/трубопровода
3. Оси конических уплотнительных поверхностей седла и диска наклонены к оси трубопровода/корпуса затвора.
Ассиметричная конструкция корпуса клапана обуславливает несимметричные характеристики: течение, в зависимости от его направления (со стороны вала или стороны диск), стремится закрыть или открыть затвор. Таким образом, перепад давления ΔР, действующий со стороны вала, создает крутящий момент, удерживающий затвор в закрытом положении. Наоборот, перепад давления ΔР, действующий со стороны диска, стремится открыть клапан (рис. 6).
Асимметричная конструкция ДЗТЭ сама по себе дает определенные преимущества с точки зрения безопасности при использовании ДЗТЭ для реализации функций защиты, предусматривающих открытие/закрытие затвора при прекращении подачи управляющей среды. В открытом затворе смещенный вал позволяет получить достаточно широкий рабочий диапазон в области низкого расхода, когда поток подводится со стороны вала, создавая большой перепад давления на диске, который стремится установить диск в закрытое положение (динамический крутящий момент, действующий на диск в этих условиях, показан на рис. 7).
Затворы с уплотнением «металл-по-металлу» на диске и седле также являются огнестойкими, так как в них не применяются мягкие конструкционные материалы. В любом случае эти затворы проходят испытания на огнестойкость в соответствии с требованиями стандарта API 607 и поддерживают абсолютную герметичность в закрытом положении в этих условиях. Поэтому ДЗТЭ с уплотнением «металл-по-металлу» находят все более широкое применение в качестве устройство противоаварийной защиты резервуаров.
ЗАТВОРЫ ПАЗ НА ВХОДЕ И ВЫХОДЕ РЕЗЕРВУАРОВ-ХРАНИЛИЩ
В некоторых случаях, например, на перевалочных складах сырой нефти и нафты, одна и та же линия используется для заполнения и откачки резервуаров. По традиции ближайший к резервуару клапан управляется электроприводом, который сохраняет последнее положение при прекращении электропитания. В случаях с более высоким предполагаемым риском (например, при хранении легковоспламеняющихся углеводородов, в частности, СПГ) и в системах ПАЗ современной архитектуры применяются пневматические и гидравлические приводы, закрывающие арматуру
при прекращении подачи питания, или электроприводы, которые при прекращении электропитания перемещают затвор арматуры в положение, при котором остальное оборудование и системы могут выполнять свои функции. Эти приводы управляются РСУ, которая формирует сигнал останова в аварийных условиях.
В других случаях для подвода и отвода нефтепродуктов применяются разные линии, на каждой из которых в качестве ближайшей к резервуару арматуры применяется дисковый затвор (рис. 2). Если арматура должна закрываться при прекращении питания привода, ДЗТЭ устанавливается так, чтобы поток поступал в него со стороны вала. В этом случае поток сам по себе будет действовать на закрытие диска, и поэтому будет способствовать закрытию даже при отказе системы управления.
Течение установит диск в закрытое положение, а давление будет удерживать диск в закрытом положении на седле. Когда затвор открыт, диск и седло не контактируют между собой, обуславливая крайне низкий требуемый момент для перемещения диска в закрытое положение, даже при отсутствии течения. Этот момент необходим, в основном, для преодоления силы трения в набивке сальника и/или трения в подшипниках при работе с загрязненными средами. Эта сила трения гораздо меньше по сравнению с силой трения в стандартных шаровых (и пробковых) кранах, в которых также необходимо преодолеть силу трения на поверхностях двух уплотнительных колец, прижатых к шару (или пробке) на протяжении всего хода закрытия, составляющего 90°.
ЗАТВОРЫ ПАЗ В ЛИНИЯХ ПЕРЕЛИВА
При использовании специальных линий перелива ДЗТЭ могут использоваться для открытия в аварийных ситуациях по соответствующему аварийному сигналу (рис. 3). В этом случае должны быть выполнены два противоречивых требования:
1. Затвор должен иметь высокую степень герметичности в закрытом положении
2. Затвор должен иметь минимальное сопротивление перемещению в начале хода открытия и минимальную вероятность отказа при поступлении команды открытия.
Если ДЗТЭ ПАЗ должен открываться при отказе, самое надежное решение, позволяющее уменьшить вероятность систематических отказов при эксплуатации, заключается в установке ДЗТЭ, при которой давление будет действовать на открытие диска, и расчетный перепад давления будет действовать со стороны диска, когда затвор закрыт (рис. 8).
Как и в предыдущем случае, этот вариант более надежен по сравнению с использованием шарового (или пробкового) крана, в котором требуется значительное усилие для смещения затвора из закрытого положения. Что же касается задвижек, то они широко известны благодаря клиновому эффекту, обусловленному очень малым контактным углом клина задвижки и седла. В результате задвижку трудно открывать, даже вручную.
Давление в резервуаре высотой 30 м для хранения жидких углеводородов обычно не превышает 10 бар, что существенно ниже номинального давления арматуры на линии перелива, которая обычно отвечает требованиям класса 150 по ASME. Таким образом, диск и седло затвора, рассчитанные на номинальное давление, с большим запасом обеспечивают герметичное закрытие при наличии давления в 10 бар, действующего на открытие затвора. При быстром открытии, выполняемом при уменьшении прижимного момента, давление действует на открытие вместе с моментом привода, а течение создает динамический момент, также способствующий открытию затвора.
ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА
По сравнению с традиционной технологической арматурой ДЗТЭ имеет такие основные преимущества:
1. Правильный выбор затвора, материала и привода в сочетании с несимметричной конструкцией диска и седла позволяет значительно уменьшить вероятность систематических отказов.
2. Из-за несимметричной конструкции запорных элементов работа ДЗТЭ зависит от направления действия перепада давления. В требуемом направлении уплотнения диска давление удерживает его в закрытом положении. В результате безопасность повышается за счет более надежного выполнения аварийного останова. Если перепад давления действует в противоположном направлении, т.е. давление способствует открытию затвора, то ДЗТЭ повышает безопасность в тех случаях, когда ДЗТЭ должен открыться при аварии, включая использование для продувки и сброса давления.
ПРИМЕРЫ
Для обеспечения безопасности резервуарных парков во всем мире используется широкий набор решений. Часто отказы систем безопасности связаны с неправильными расчетами риска, что может быть вызвано различными причинами.
Пожар резервуара для хранения углеводородов. Утечка топлива из резервуара большого объема в одном из резервуарных парков Индии привела к пожару, во время которого несколько человек погибло и многие получили травмы. В соответствии с рекомендациями комиссии, исследовавшей причины пожара, было принято решение об использовании ДЗТЭ в качестве ближайшей к резервуару отсечной арматуры с дистанционным управлением. ДЗТЭ были выбраны для независимого выполнения функции аварийного отключения, отдельно от вновь установленных электроприводных клапанов. Сигнал управления этими отсечными затворами формируется независимо от стандартных устройств управления режимами налива, отгрузки и учета нефтепродуктов. Замена стандартной технологической арматуры на ДЗТЭ существенно повысила безопасность выполнения этих операций.
Более того, один из крупнейших в мире НПЗ также перешел к использованию ДЗТЭ в качестве отсечной арматуры ПАЗ. В зависимости от рисков, связанных с переработкой конкретных жидких углеводородов, НПЗ повышает уровень безопасности, объединяя в системе ПАЗ ДЗТЭ с приводами разного вида действия, закрывающимися или сохраняющими текущее положение при отказе.
Разработки в странах ЕС. В Европе Комиссия по охране труда и технике безопасности в 2005 г. исследовала аварию на нефтехранилище в Hemel Hempstead, Великобритания. Результаты исследования использовались в качестве руководящих указаний в нескольких странах при рассмотрении планов и правил безопасности для резервуарных парков [1]. Например, в Нидерландах введены в действие новые правила по использованию огнестойкой отказобезопасной арматуры в качестве первой отсечной арматуры на стенке резервуара, т.е. арматуры, ближайшей к резервуару. По этим правилам такая арматура должна быть автоматической и управляться извне обваловки резервуара. Персонал и РСУ должны иметь возможность дистанционной установки этой арматуры в положение, при котором другие системы и оборудование могут нормально исполнять свои функции. Для выполнения этих требований несколько компаний-операторов перешли от задвижек к ДЗТЭ, в которых диск перемещается без трения о седло и обеспечивает уплотнение «металл-по-металлу» в закрытом положении.
ПЕРСПЕКТИВЫ
В связи с непрерывным ужесточением требований к уровню эксплуатационной безопасности, вызванным разработкой новых законов и нормативных документов по охране труда и технике безопасности, ожидается все более широкое применение ДЗТЭ для защиты резервуаров-хранилищ жидких углеводородов. Результаты дальнейших исследований функций ПАЗ могут показать пригодность ДЗТЭ для их реализации. В частности, вентилирование резервуаров-хранилищ может стать новой областью исследований для изготовителей, компаний-разработчиков и пользователей в целях поиска методов применения ДЗТЭ для повышения безопасности и улучшения производственных показателей.
ПРИМЕЧАНИЕ. «Нулевая протечка» означает отсутствие визуально наблюдаемой протечки в процессе испытаний водой при высоком давлении или воздухом при низком давлении в соответствии с существующими международными стандартами.
Литература:
1. Health and Safety Executive, 2010, “Safety and environmental standards for fuel storage sites,” Process Safety Leadership Group, Final report, www.hse.gov.uk/comah/buncefield/fuel-storage-sites.pdf.
2. IChemE, 2013, “Recurring Accidents: Overfilling Vessels,” http://www.icheme.org/sitecore/shell/Controls/Rich%20Text%20Editor/~/media/Documents/TCE/lessons-learned-pdfs/861 lessonslearned.pdf.
3. IChemE, BP Process Safety Series, “Liquid Hydrocarbon Tank Fires: Prevention and Response,” 4th Ed., UK, 2008.
4. Vertova, L., “Why the metal seated, quarter turn, triple offset, torque seated valve offers intrinsically higher safety integrity level (SIL) than a conventional ball and gate bidirectional valve,” Valve World Expo, Dusseldorf, Germany, 2008.
Из журнала Hydrocarbon Processing, август 2014 г.
Опубликовано в «Вестнике арматурщика» № 4 (24) 2015
Размещено в номере: "Вестник арматурщика" № 4 (24) 2015
