安全閥能夠安全、可靠并且實(shí)現數字化轉型嗎？

    答案是肯定的。關(guān)鍵設備的技術(shù)發(fā)展速度比我們想象的還要迅速。安全閥已經(jīng)廣泛用于工廠(chǎng)的各個(gè)裝置以保護設備和人員安全，作為安全生產(chǎn)的最后一道防線(xiàn)，安全閥必須在超壓事故發(fā)生時(shí)，在其他一切應急操作失效后提供有效的超壓保護。在過(guò)去的一個(gè)多世紀以來(lái)，安全閥的設計只有微小的變化，因此安全閥的數字化轉型很容易實(shí)現。

    安全閥通常是一個(gè)純機械性的設備，它不依靠外力作用，不附加電源和氣源，僅依靠系統介質(zhì)本身的力來(lái)動(dòng)作，也不上到DCS 系統，如圖1所示。因此，工廠(chǎng)運行和管理人員難以實(shí)時(shí)和準確地了解安全閥的工作狀態(tài)。

圖1: 安全閥通常未連接到工廠(chǎng)的控制系統和安全監控系統中，這給工廠(chǎng)的運行帶來(lái)不小的挑戰。

    由于安全閥在工廠(chǎng)的特殊和重要地位，以及缺乏狀態(tài)監測等手段，給工廠(chǎng)裝置運行帶來(lái)了許多安全挑戰。安全閥的數字化對解決安全閥使用過(guò)程中安全上的挑戰頗有幫助。

    安全閥的數字化至少可以從開(kāi)啟泄漏監測和設備信息管理兩方面出發(fā)，既實(shí)現了數字化，同時(shí)也提升了安全閥本身的安全性和可靠性。

    安全閥開(kāi)啟泄漏監測

    安全閥的使用狀態(tài)監測，包含開(kāi)啟與關(guān)閉以及泄漏狀態(tài)監測，可以第一時(shí)間記錄和反饋安全閥運行狀態(tài)信息。

    安全閥開(kāi)啟或泄漏在安全性、可靠性、成本和排放上的影響

    根據艾默生的研究，有大量的超壓工況發(fā)生但未被發(fā)現和記錄，相對于安全閥超壓泄放，安全閥的泄漏可能更不容易被發(fā)現。更好地了解這些安全閥的超壓泄放或泄漏原因將提高工廠(chǎng)的盈利能力和生產(chǎn)可靠性，同時(shí)減少介質(zhì)排放，提高工藝安全性。

安全性

    超壓泄放是一種未遂安全事故，但其發(fā)生的頻率越低代表我們的運行控制越有效。

    潛在的問(wèn)題是，安全閥超壓泄放發(fā)生的頻率比我們想象的要高，而且通常未被發(fā)現和報告。如果工廠(chǎng)可以提供超壓泄放記錄，則為原因故障分析和相應培訓提供了材料和依據，許多問(wèn)題都可以避免。

    安全閥超壓泄放不屬于常規工況，應記錄下來(lái)以進(jìn)行進(jìn)一步的原因分析和調查。如果安全閥經(jīng)常發(fā)生動(dòng)作，這可能會(huì )是一個(gè)值得更多關(guān)注的工藝流程問(wèn)題。

可靠性

    安全閥開(kāi)啟或關(guān)閉直接或間接影響工藝流程的正常運行。如果超壓頻繁發(fā)生，不僅安全閥的密封面受到影響，也可能會(huì )對相鄰的機械設備比如上下游關(guān)斷閥造成壓力，超壓泄放的介質(zhì)也會(huì )對工藝裝置的順利運行產(chǎn)生影響。

    部分安全閥在運行壓力達到整定壓力50%時(shí)即開(kāi)始出現泄漏。而現場(chǎng)運行人員并沒(méi)有注意到現場(chǎng)有大量安全閥出現泄漏，關(guān)鍵是大家不知道安全閥從哪個(gè)時(shí)刻開(kāi)始泄漏了以及為什么泄漏。

    安全閥泄漏的最常見(jiàn)原因是超壓泄放后閥瓣或噴嘴損壞?？赡苁前踩y沒(méi)有正確回座，可能是碎屑損壞了閥瓣或噴嘴的密封面，或者是閥門(mén)在回座時(shí)發(fā)出顫振。

    如果安全閥沒(méi)有使用狀態(tài)監測，則工作人員難以了解超壓泄放期間發(fā)生了什么。

    成本

    如果系統運行壓力在安全閥的密封壓力以下，安全閥不應發(fā)生泄漏。然而，在對一家頂級煉化一體化公司業(yè)的1萬(wàn)份安全閥服務(wù)記錄進(jìn)行分析后發(fā)現了一個(gè)令人驚訝的事實(shí)。

    當安全閥上線(xiàn)使用前都需要進(jìn)行校驗，以確保其起跳壓力的準確性。分析顯示，校驗時(shí)，20%的安全閥在閥前壓力低于50%整定壓力時(shí)即發(fā)生泄漏，其中8%泄漏嚴重，以至于測試臺無(wú)法提供足夠的流量來(lái)使安全閥動(dòng)作。

    即便一個(gè)安全閥的泄漏率僅為額定泄放量的0.1%，那么其一年的泄漏量相當于閥門(mén)全開(kāi)6小時(shí)。安全閥全開(kāi)時(shí)泄放的介質(zhì)可達上百?lài)?。艾默生的研究表明，一個(gè)1000萬(wàn)噸/年的煉油廠(chǎng)每年在產(chǎn)品和能源上的損失費用超過(guò)1000萬(wàn)元。

排放

        污染物的排放和泄漏(如圖2所示)可能導致罰款、訴訟或者額外的工作量去識別排放源和報告每次泄漏。如果介質(zhì)的濃度和壓力較高，微小的泄漏也可能會(huì )產(chǎn)生大量的介質(zhì)外泄。

    圖2: 該圖顯示了一個(gè)典型的泄漏事故。第一次排放后，安全閥沒(méi)有完全關(guān)閉。圖中藍線(xiàn)顯示泄漏持續存在，這一泄漏由綠線(xiàn)所示的安全閥監測所檢測到。

    安全閥的泄漏可能導致廠(chǎng)區和廠(chǎng)界非甲烷總烴限值的達標，也可能會(huì )阻礙公司實(shí)現ESG目標的承諾。

    解決問(wèn)題

    通過(guò)數字化轉型技術(shù)，可以實(shí)現安全閥運行的連續監測。當閥門(mén)起跳時(shí)，系統會(huì )向運行人員發(fā)出警報，并記錄每次超壓泄放發(fā)生的時(shí)間和持續時(shí)間；它還能告知閥門(mén)是否泄漏、以及震顫或頻跳等情況。有了這些實(shí)時(shí)信息，就有可能將安全閥的開(kāi)啟與運行數據關(guān)聯(lián)起來(lái)。

    超壓泄放可以與歷史記錄和維護數據相關(guān)聯(lián)。工廠(chǎng)不僅可以對閥門(mén)，還可以對工藝進(jìn)行更深入、準確的故障分析。維修人員可以使用數據分析來(lái)改進(jìn)診斷，并遠程連接閥門(mén)專(zhuān)家以幫助實(shí)時(shí)排除故障。數字化轉型還可以開(kāi)發(fā)新的操作流程和安全程序，以避免超壓工況再次發(fā)生。以上這些都需要從建立監測開(kāi)始。

    安全閥的開(kāi)啟泄漏監測主要有3種方式，一種是通過(guò)檢測閥桿的位移來(lái)實(shí)現，這種方式我們可以使用艾默生旗下Fisher品牌的4320、4200無(wú)線(xiàn)或者有線(xiàn)位置變送器來(lái)實(shí)現，或者通過(guò)Topworx品牌的限位開(kāi)關(guān)，這種方式適用于彈簧型式安全閥，不能對安全閥的泄漏進(jìn)行很好的監測；第二種是通過(guò)監測先導閥主閥上腔和安全閥入口的壓差來(lái)實(shí)現的，對應的產(chǎn)品是艾默生羅斯蒙特的3051、2051無(wú)線(xiàn)或者有線(xiàn)差壓變送器，適用于先導型式安全閥，同樣不能對安全閥的泄漏進(jìn)行很好的監測；第三種是通過(guò)監測安全閥排放或泄漏時(shí)出口管道的超聲波來(lái)實(shí)現的，對應的艾默生產(chǎn)品是艾默生羅斯蒙特品牌的708無(wú)線(xiàn)聲波變送器，適用于所有型式的安全閥，對安全閥的開(kāi)啟和關(guān)閉都能很好的監測。

    我們通過(guò)出口連接火炬的安全閥來(lái)進(jìn)行應用舉例，現場(chǎng)很多非普通氣體或者蒸汽的安全閥出口都是連接到火炬的，包括非甲烷烴類(lèi)、有毒有害介質(zhì)的安全閥。在我們發(fā)現火炬異常的時(shí)候，通常是與其相連的安全閥出現了問(wèn)題，或者是安全閥開(kāi)啟了，也或者是安全閥出現了泄漏，這個(gè)時(shí)候我們就需要進(jìn)行排查來(lái)進(jìn)行安全閥定位，并及時(shí)解決問(wèn)題。是安全閥A出現問(wèn)題了還是安全閥B出現問(wèn)題了，以往定位到出現問(wèn)題的安全閥都是通過(guò)人工巡檢的方式來(lái)查找的，安全閥開(kāi)啟了還好，我們還可以通過(guò)安全閥排放過(guò)程中的聲音來(lái)進(jìn)行定位，如果是泄漏問(wèn)題，問(wèn)題的排產(chǎn)就會(huì )比較困難?；蛘呶覀兏揪驼也坏絾?wèn)題的來(lái)源，因為一段時(shí)間以后安全閥已經(jīng)關(guān)閉了，或者泄漏已經(jīng)不存在了，我們就不能很好的為運行提供分析依據。又或者我們找到了問(wèn)題安全閥的所在，可是安全閥的排放或者泄漏已經(jīng)發(fā)生了很長(cháng)時(shí)間，這不僅僅有介質(zhì)損失導致的經(jīng)濟損失，更重要的是安全隱患得不到及時(shí)地消除。無(wú)線(xiàn)聲波變送器通常安裝于安全閥的出口管道，通過(guò)卡剮褪槳滄埃原理是超聲波加溫度輔助，無(wú)線(xiàn)聲波變送器將監測信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)傳遞至上位機。在安裝了安全閥監測設備之后，我們就可以第一時(shí)間得到準確的信息，是安全閥A出現問(wèn)題了，然后第一時(shí)間來(lái)采取對應的措施。

    安全閥監測設備

    采用WirelessHART®協(xié)議的的無(wú)線(xiàn)聲波變送器(如圖3所示)可以直接安裝在工藝閥門(mén)、彈簧式安全閥、先導式安全閥、疏水閥和其他常見(jiàn)流體控制設備附近的管道上。

圖3: 一個(gè)無(wú)線(xiàn)聲波變送器(照片右上方藍色的設備)安裝在安全閥的出口管道上，將任何安全閥泄漏或開(kāi)啟引起的振動(dòng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)HART協(xié)議反饋給控制系統。

    由于流體介質(zhì)流動(dòng)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生湍流并形成振動(dòng)，無(wú)線(xiàn)聲波變送器可以感應到管路中的振動(dòng)。無(wú)線(xiàn)聲波變送器采集振動(dòng)發(fā)生時(shí)的超聲波頻率，因為這些頻率很容易識別，即使在環(huán)境噪聲比較嚴重的環(huán)境中也不會(huì )收到影響。

    依據記錄的超壓泄放持續時(shí)間，安全閥的單位泄放量計算值，可以大約計算每次超壓的總泄放量。

    巨大的成本節省空間

    帶有同樣問(wèn)題的安全閥重新投入使用并不罕見(jiàn)，安全閥的實(shí)時(shí)監測為查明根本故障原因提供了數據。艾默生的安全閥監測解決方案可為大型煉油廠(chǎng)節約上千萬(wàn)元的介質(zhì)損失成本。

    除此以外還有來(lái)自于巡檢的成本節約。該解決方案還消除了以往的危險區域的人工巡檢，改善了運行人員的健康和安全。以往我們對安全閥工作狀態(tài)的得知都是通過(guò)人工巡檢得到的，而人工巡檢的方式正在面臨越來(lái)越多的挑戰。首先我們要配備相應的巡檢人員，隨著(zhù)年輕人對于一線(xiàn)工作的意愿性越來(lái)越低以及勞動(dòng)成本的不斷提高，加之隨著(zhù)項目體量的增大廠(chǎng)區面積越來(lái)越大，我們需要配備更多的巡檢人員來(lái)覆蓋更大面積的廠(chǎng)區，這些都使得人工巡檢對安全閥工作狀態(tài)的監測成為挑戰。人工巡檢難免會(huì )出現一些偏差和信息的遺漏，大面積的廠(chǎng)區也會(huì )有巡檢效率的問(wèn)題。因為安全閥的安裝位置高遠，比如分離塔的高度最高超過(guò)100m，這使得巡檢效率較低，也對巡檢人員的安全不利。同時(shí)人工巡檢受天氣的影響比較大，大雨大風(fēng)或者沿海的臺風(fēng)季節是沒(méi)有辦法進(jìn)行巡檢的；現場(chǎng)高溫、腐蝕、有毒有害氣體環(huán)境是不適合進(jìn)行人工巡檢的。

    人工巡檢另一個(gè)較大的缺點(diǎn)是時(shí)間的遲滯，不能第一時(shí)間發(fā)現所出現的問(wèn)題。所以人工巡檢的方式會(huì )有時(shí)間滯后、成本和安全上的挑戰。在配備了安全閥的在線(xiàn)監測設備之后，我們就可以第一時(shí)間在控制系統上看到所出現的問(wèn)題，并直接準確定位到出現問(wèn)題的安全閥，及時(shí)地采取措施。安全閥的開(kāi)啟泄漏監測不只是可以監測艾默生所提供的安全閥，也可以為現場(chǎng)其他品牌的安全閥提供監測服務(wù)。