爆破针型阀在火炬系统的应用以及发展历史辛宏亮(中海石油炼化有限责任公司惠州炼化分公司，广东惠州516086)摘要：本文对爆破针型阀在火炬系统中的典型应用进行了梳理，并以时间为序对爆破针型阀的发展与改进历史进行了回顾，同时概括了不同设计爆破针型阀的设计特点以及应用于火炬系统的优势、劣势和存在的问题，可供火炬系统设计和爆破针型阀选型时参考。
1.引言爆破针型阀是由爆破针的压杆失稳触发泄压的一种非重闭式泄压装置，其最早出现于1980年代中期，设计之初是为了解决壳牌公司当时所面临一类安全隐患，即在某些工况下其使用的先导式安全阀时长出现不能准确泄压的问题。
从1990年代初开始，ASME锅炉及压力容器规范标准将爆破针型泄压阀列为可以采用的非重闭式泄压装置，并在第VIII卷第1册UG篇对其制造、测试和使用进行了相关规定[1]。
众所周知，去往火炬头的放空管道上所有可能导致管道不畅通的设备（例如：阻火器、调节阀、开关阀等）均应设置非重闭式泄压装置作为旁路，以保证在主路不能完成泄放任务而导致火炬系统内压力超过设定值时旁路可以自动开启，将火炬气泄放至火炬头燃烧。
在火炬系统的应用中，爆破针型阀较爆破片而言具有以下优势：（1）即便在超低压工况下，也能保证优异的精度，切实起到保护作用。
石化厂火炬气总管最高允许背压普遍在100kPa左右，某些低压火炬的最高允许背压甚至低于20kPa，在这个压力水平下，设计合理的爆破针型阀却能够保证很好的精度，而爆破片的精度保证却非常困难。
（2）复位简单、无需拆卸管道，时间短且无介质流失。
然而，爆破片的更换必须拆卸管道才能完成，在此过程中，不可避免的会有大量可燃气体排出。
由于火炬系统设有长明灯，且随时会有可燃气体泄放至火炬头燃烧，若在火炬及上游装置不停车的情况下拆卸管道，则可能面对可燃气体排放离明火太近的困境，这是十分危险的。
（3）精度受介质腐蚀性和温度的影响很小。
（4）不会因压力脉动发生疲劳而改变爆破压力。
（5）无需定期拆卸管道以更换泄压装置。
根据ASME等国际规范的规定，即便未发生爆破，爆破片也应定期更换，且通常更换周期不超过一年，这大大提高了爆破片拆卸更换的机率，为最终用户带来了额外的工作量和危险性。
（6）压力泄放时不会像爆破片一样产生碎片，避免了妨碍火炬头正常燃烧的隐患。
正是由于爆破针型阀应用于火炬系统具有上述优势，近十几年来，越来越多工程公司、石油公司和化工巨头已将爆破针型阀作为火炬系统中旁路的标准配置，不再采用爆破片。
本文将对爆破针型阀在火炬系统中的典型应用进行梳理，以使国内用户能够更加全面的了解爆破针型阀的应用范围，为国内用户解决其所面临的火炬系统泄压难题开拓思路。
同时，在爆破针型阀应用于火炬系统二十余年的历史中，爆破针型阀经历了一系列的发展与改进，不同设计的爆破针型阀技术方案差异较大，给国内用户的选择带来了诸多困惑，本文将对应用于火炬系统的爆破针型阀的发展历史进行概括，并对不同设计爆破针型阀的优势、劣势和特点进行介绍，供相关用户在选择时参考。
2.爆破针型阀在火炬系统中的典型应用火炬系统是炼油厂、石化厂、天然气处理厂等生产过程存在可燃气体的工厂中必不可少的安全与环保设施，是工厂的最后一道安全防线。
去往火炬的放空管道必须保证畅通，理论上讲，任何可能导致放空管道不畅通的设备均应设置爆破针型阀作为旁路。
在实践中，爆破针型阀已经普遍应用于下列工况。
2.1地面火炬分级阀旁路地面火炬具有在整个处理能力范围内均可实现无烟燃烧、安全防护距离及占地面积较小、检维修方便以及可以避免在火炬燃烧时造成周边居民不必要的恐慌等优点。
近年来，随着世界各国用户对于环保、安全以及与居民友好性重视程度的不断提高，国内外越来越多的用户开始采用地面火炬。
地面火炬实现整个处理能力范围内的无烟燃烧，是因为其采用了分级运行的方式，这一方式使得火炬气在火炬头出口处始终有足够的速度和能量，由此保证火炬气能够引射足够的空气并形成低辐射的无烟燃烧。
当火炬气流量持续升高直至达到分级压力时，相应的分级控制阀会自动开启，该级的火炬头会投入使用，火炬气得以燃烧。
为保证分级控制阀失效时火炬系统仍然能够安全地处理火炬气，分级控制阀必须设置爆破针型阀作为旁路。
2.2分级式火炬工厂大型化之后，火炬排放量越来越大。
火炬设计时无烟燃烧范围的选取变得很难，而且火炬头“焖烧”问题也变得越发严重。
分级排放的高架火炬系统已广泛应用于国内外石化工程中，其中火炬一级为常燃级，其它级设有控制阀和爆破针型阀旁路。
分级排放的火炬系统具有以下优势：（1）降低氮气吹扫量和长期运行成本；（2）更加有效的防止回火；（3）增大火炬无烟燃烧的范围；（4）解决了小流量排放时的焖烧问题。
2.3阻火器旁路阻火器是应用火焰通过热导体的狭小孔隙时，由于热量损失而熄灭的原理设计制造的一种阻止火焰在设备、管道间蔓延的安全装置。
其缺点为极易堵塞而阻断放空气流，特别在用于腐蚀性强、带有凝液或杂质的气体时更是如此。
API 521、壳牌DEP 80.45.10.10以及国内某些工程公司的标准均不允许单独使用阻火器作为防回火设施使用，原因是阻火器存在被堵塞而导致火炬气不能被畅通泄放的风险，影响装置安全[2~4]。
若阻火器作为防回火设施使用，必须采用爆破针型阀作为旁路，以保证在阻火器堵塞时火炬气能够安全泄放。
3.火炬系统用爆破针型阀的特点及其发展历史火炬系统用爆破针型阀所处的工况有以下特点[5]：第一，火炬气为易燃易爆气体，有的火炬气有一定的腐蚀性；第二，受到各个工艺装置排放条件的约束，火炬气总管最高允许背压通常较低。
石化厂火炬气总管最高允许背压普遍在100kPa左右，一些低压火炬的最高允许背压低于20kPa也是常见的。
上述工况特点决定了在为火炬系统选择爆破针型阀时，应重点考虑的性能包括：其一为密封性能的可靠性，爆破针型阀既要杜绝外漏，又要避免内漏以防止回火闪爆的发生；其二为动作精度，爆破针型阀必须能够保证在较低压力水平下精确动作，以确保在泄放管路主路不能完成泄放任务时准确开启。
爆破针型阀主要由开关阀和泄压触发机构两部分组成[6]。
爆破针型阀泄压触发机构的设计均基于压杆失稳原理，其动作原理如下：介质压力作用在泄压触发机构的阀瓣上产生动力，此动力在克服与阀瓣运动相关的所有摩擦力后的剩余力经加载机构作用在爆破针上。
当作用在阀瓣上的动力达到一定极限时，爆破针失稳弯曲，此时阀瓣会移动而触发泄压。
摩擦力有一定的变动性，不可能100%地精确计算，因此，控制摩擦力与介质动力相比较所占的比例对于保证爆破针型阀精度至关重要。
摩擦力与介质动力相比较所占的比例越低，摩擦力的变动性对于爆破针型阀精度的影响越小，越有利于保证爆破针型阀的精度。
为提高爆破精度，爆破针型阀的设计人员必须尽力降低密封副之间的摩擦力。
然而，密封副之间的摩擦力是不能随意降低的，原因是这些密封副之间的摩擦力在某种程度上与密封性能是成正比的，为保证密封性能，就必须得有一定水平的摩擦力。
金属密封面无论经过多么精密的加工，从微观角度来讲，其表面总是凹凸不平的，存在沟槽，这些沟槽成为密封面的泄漏通道，因此必须利用密封元件在一定的力的作用下，使密封元件表面嵌入到密封面的凹凸不平处，将沟槽填没或形成微观毛细管，消除上述泄漏通道。
为实现密封，有效密封面单位面积上的压紧力（即实际密封比压）需要大于密封材料的必须比压且小于其许用比压，并且有效密封面应达到一定的宽度，以保证微观毛细管具有一定的长度，从而保证密封效果。
密封比压和密封面宽度的增加，会提升密封效果，但会增大摩擦力，不利于保证爆破精度。
如何平衡密封性能和爆破精度成为爆破针型阀设计的关键点也是难点，设定压力越低，找到密封性能和动作精度的平衡点的难度就越大。
介质动力的稀缺性决定了并非任何一种设计的爆破针型阀均适用于火炬系统。
在爆破针型阀应用于火炬系统二十余年的历史中，爆破针型阀经历了一系列的发展与改进，这些发展也改进的出发点也多是为了适应火炬系统工况。
以下将以出现时间为序，简要介绍四种不同设计的爆破针型阀的工作原理、出现的背景以及应用于火炬系统的优势与劣势进行介绍。
3.1 直接加载式直线开启爆破针型阀直接加载式直线开启爆破针型阀最早出现于1986年，其典型设计结构如图1所示。
这种类型的爆破针型阀的柱塞式阀瓣承受介质压力而产生动力，此动力在克服相关摩擦力（包括阀杆与阀盖密封元件之间的摩擦力和活塞与阀座之间的摩擦力等）后的剩余力通过与阀瓣一体的阀杆沿其轴向直接加载在爆破针上，中间没有借助于力的转化机构，即介质压力对爆破针为直接加载。
当作用在阀瓣上的动力达到一定极限时，爆破针失稳弯曲，阀瓣与阀座会脱离进而达到泄压的目的。
阀杆与阀盖密封元件之间的摩擦力活塞与阀座之间的摩擦力图1 直接加载式直线开启爆破针型阀这种类型爆破针型阀的主要优势在于：第一，力的加载方式直接、简洁，很大程度上降低了中间环节对于力的传递的准确性的干扰；第二，仅有一个运动部件，此运动部件仅能沿其中心线作直线运动，可靠性很高。
但是，长期实践证明这种类型的爆破针型阀应用于火炬系统也有着明显的局限性：其一，该类爆破针型阀在开启时阀瓣对于阀盖的冲击力是很大的，对于大口径阀门更是如此，国外某些项目中曾经出现阀瓣将阀盖冲破的事故。
该类爆破针型阀的设计理念与弹簧直接载荷式安全阀相似，只是将作用在阀瓣上的载荷加载装置由弹簧改为爆破针。
该类型阀门与弹簧直接载荷式安全阀的区别在于加载元件是爆破针还是弹簧。
对于弹簧直接载荷式安全阀而言，在阀门开启开始泄压后，弹簧力没有减小，反而是随着开启高度的增加而加大，如图2（a ）所示，因此，在阀瓣开启式产生的冲击是非常有限的。
（a ） （b ）图2 弹簧及爆破针的支撑力与变形量关系图 而对于直接加载式直线开启爆破针型阀而言，在爆破针开始失稳弯曲后，针的支撑力瞬间消失，如图2（b ）所示。
并且，为保证泄放量，阀瓣的行程（即：针的长度）要随着阀门通径的增大而加大，即阀瓣的加速过程会随着阀门通径的增大而延长，阀瓣对于阀盖的冲击力也会迅速上升。
根据反复试验与模拟计算的结果，10”阀门在100kPa 时开启的冲击力可能高达数十吨。
因此，不建议较大口径工况（>10”）采用直接加载式直线开启爆破针型阀。
其二，该类爆破针型阀在复位时密封件极易咬伤。
该类爆破针型阀用作旁路时，爆破针处于水平位置，如图3（a ）所示。
图3直线开启爆破针型阀用作旁路自阀门开启至复位完成，在阀瓣的重力作用下，阀杆始终处于悬臂梁状态，如图3（b ）所示。
在复位过程中，阀杆与阀盖之间的两个密封环，受力状态始终十分糟糕，极易损伤。
在阀门完成复位之前，也就是阀瓣进入阀座之前，整个阀杆系统的受力状态是最为糟糕的，阀杆的倾斜程度是最大的，极易出现阀座对于阀瓣密封环的咬伤的现象，甚至出现复位困难的问题。
