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在罐區的液態烴類儲罐上使用三偏心閥已經有幾十年的經驗。出于更為嚴格的健康、安全和環境（HSE）的要求，罐區運營商也正在為關鍵緊急關斷系統選擇三偏心閥，特別是作為第一罐體閥。它的主要優勢在于，符合緊急關斷閥更嚴格的法規要求，以及尋找替代傳統閘閥、旋塞閥和球閥的解決方案。

為什么采用三偏心閥？

實踐證明，三偏心閥因其能夠在多個運行周期之后依然能夠保持雙向零泄漏，已在罐區普遍使用。因其無摩擦特性而確保了其超長的平均故障間隔時間（MTBF）。因此，操作者可以無需進行定期檢修（只有重新擰緊填料可能是必要的），從而降低了全生命周期內的總成本。

圖1  艾默生Vanessa 30,000系列三偏心閥

金屬硬密封三偏心閥在20世紀80年代首次被用于烴類儲罐的關斷及防火關斷閥。在暴露于火災的情況下，仍能夠保證密封防止泄漏。相比傳統的閘閥，三偏心閥具有經過優化的閥座傾斜角，可大幅度地減少泄漏的風險；沒有閥腔則可防止操作性降低的風險（以及可能的泄漏），同時可以減少介質污染。

三偏心閥具有本質火災安全性能，原因在于其結構不涉及使用任何軟材料并通過了API 607標準火災安全測試，達到零泄漏。因此被越來越多地應用在直接連接到儲罐上的緊急功能解決方案中。 

更為可靠的罐區緊急關斷閥解決方案

目前獲得IEC61508的SIL 3認證的三偏心閥已經普遍應用于罐區的緊急關斷系統：

▲ 儲罐入口和出口管線的緊急關斷閥

如圖2中所示，三偏心閥在收到SIS系統發出的緊急信號后快速關斷儲罐。這些緊急關斷閥（ESD）也被稱為遙控關斷閥（ROSOVs）。

這些閥門的作用：當主要的外圍系統發生故障（包括管道、法蘭和泵密封泄漏）時，能夠對含有害物質的儲罐實現快速關斷。該動作的發生與通常受正常儲罐操作系統控制的罐體閥的運行無關。緊急關斷閥（ESD）作為自動閥，可遠程遙控操作，并響應預定的“緊急關閉”安全邏輯參數。

圖2 緊急關斷閥安裝在儲罐入口和出口

▲ 儲罐溢流管線上的緊急泄放閥

如圖3所示，緊急關斷閥（ESD）也可以在溢流管線上運行（如果存在），它負責將多余的生產物排出，以防止溢出事件。這些閥門經常被用來實現“緊急打開”功能，對多余的生產物進行再循環，從而實現關鍵的安全功能。多個最近發生的罐區事故均涉及容器溢出。三偏心閥的基本設計原理特別適合用在儲罐安全系統中，具有先天的優勢。

圖3  緊急關斷閥安裝在儲罐溢流管線

罐區SIL（安全完整性）等級要求的確立是基于對人們及環境所構成的危險。特別是，這些要求必須要考慮到設施到人口稠密地區的距離、管道效率和管道規范。浮頂罐或內浮頂式儲罐通常被用于更具揮發性（高風險）的液態烴類，如：原油和較輕的生產物（包括噴氣燃料、柴油和汽油）。對在緊急關斷（ESD）系統中采用三偏心閥的分析將側重于這兩種類別的儲罐。 

緊急關斷的原理和方法

防護設備通常涉及兩種主要的閥門安全功能：

· 閥門關閉 - 攔截流體/壓力源

· 閥門開啟 - 釋放流體/壓力源

通常情況下，閥門的安全功能涉及兩個明確定義的參數：流體/壓力方向以及當閥門關閉和密封時的壓差(ΔP)。處理此類功能的基本方法是采用單向自動閥，如：止回閥或壓力泄放閥。對稱閥設計、機械彈簧、重力和重量實現閥門的開啟和關閉，這是直接的解決方法，是因為提前設定了單向閥的ΔP變量。

盡管這個基本原理適用于許多應用，但主要的儲罐安全閥功能過于關鍵，因此不能純粹依賴于這樣的基本原理。入口和出口管線（緊急關閉）以及溢流管線（緊急開啟）上的緊急關斷閥（ESD）在以往一直安裝其他類型閥門，主要包括：自動閘閥、旋塞閥和球閥。閘閥、旋塞閥和球閥具有相對于管道軸線對稱的設計，因此，它們的運轉狀態與流向和ΔP無關。雖然從安裝過程以及執行機構選擇的簡化（與流體/壓力方向無關）來講具有優勢，但它們并不具備本質的安全功能。因此，它們更多地借助于執行機構來“穩定”和“平衡”地運轉。

符合SIL3：為提高最終用戶生產設施的安全性和可靠性，安全標準IEC 61508已確定了四個不同的SIL（安全完整性）等級，它們的界定將風險評估標準運用到包括人員、環境、生產和設備在內的各個領域。通常評估閥門性能的兩個關鍵方面是：

· 全行程運行中的閥門故障率；

· 緊急關斷時的閥門故障率；

液烴儲罐的SIL等級一直在上升，甚至達到SIL 3的要求（圖4）。

圖4 典型的SIL-3架構和控制系統

通常情況下，第一罐體閥也必須落在同一PFD限度內，如表1所示。

頂級角行程無摩擦扭矩密封的金屬硬密封三偏心閥因其固有的設計特點，能夠實現SIL 3等級。三偏心閥采用了一個與截止閥相類似的密封系統，該密封系統由具有相同圓錐截面形狀的一個固定閥座和一個可轉動的密封表面構成。但是，三偏心閥采用旋轉運動（而非軸向運動），依靠錐頂相對于管道軸心傾斜的錐體來實現關斷。

這使得三偏心閥成為了“角行程的截止閥”，如圖5中所示。根據截止閥的設計，僅當密封元件處于關閉位置時才會產生一個單一的瞬間接觸，這是三偏心閥能夠實現無摩擦關閉的原因。然而，與截止閥不同，三偏心閥能夠實現雙向完全關閉。它的實現是借助于三個“偏心”：

· 軸設置在密封面的后面；

· 軸設置在管道/閥門中心線的一側；

· 閥座和密封圈錐體中心線相對于管道/閥門中心線是傾斜的。

圖6 三偏心閥的閥板面積比較

三偏心閥因其不對稱設計，而成為本質上更為安全的閥門，根據不同的安裝方向，實現故障時自動打開或關閉的安全保護功能。當閥打開時，流體從閥桿側流過來，偏心軸造成了大范圍的低流速，由此在閥板上下游兩側產生了巨大的壓差。這種動態效應也會推動閥門關閉（動態扭矩，圖7）。

圖7 流體關閉三偏心閥的動態效應

金屬硬密封的閥門具有本質火災安全性能，原因在于其結構不涉及使用任何軟材料。在任何情況下，這些閥門都能夠經受得住API 607標準火災安全測試，并達到零泄漏。鑒于所有這些考慮，金屬硬密封三偏心閥被越來越多地應用在直接連接到儲罐上的緊急功能解決方案中。 

三偏心閥在罐區的實際應用

入口和出口管線上的緊急關斷閥

在某些實例中，例如在原油或石腦油終端，設計人員為儲罐只設計了一條管線，既做出口也做入口。以往，第一罐體閥由故障保持的電動執行機構操作。在被認為更高危的狀況（例如：更高的可燃性烴類，如液化石油氣）以及更現代化的安全體系結構中，則采用了故障關的氣動/液動執行機構，或故障安全的電動執行機構，并由離散控制系統（DCS）提供緊急關斷信號。在其他實例中則將入口管線和出口管線分開，并分別配有一顆第一罐體閥門（見圖2）。對于需要故障關閉功能的閥門，將三偏心閥以閥桿側流向進行安裝非常重要。流體本身將起到關閉閥門的作用，因此，即使在控制系統發生故障的情況下，故障動作也可以實現。該流體將關閉閥板，最終壓力將使閥門保持在關閉密封的位置。當閥門打開時，由于密封元件之間沒有接觸，即使在沒有流體幫助的情況下，閥板運動至關閉位置也僅需要非常低的扭矩。這個扭矩僅用于克服填料摩擦和/或軸承摩擦，特別是介質較臟的工況。這種摩擦相比于在整個90°關閉旋轉過程中需要克服兩個緊貼于球面的密封環的摩擦力的普通球閥和旋塞閥而言是低的。

溢流管線上的緊急關斷閥

當存在專用溢流管線時，便可使用三偏心閥，在專用信號出現時緊急開啟（圖8）。在這種情況下，存在兩個相互矛盾的要求：

1. 需要有一個閥門始終保持優異的閥座密封性能；

2. 盡量減少任何可能的閥芯無法脫離閥座的故障風險。

在一個故障開的保護工況中，能夠大幅度地減少系統操作失敗的可靠的三偏心閥安裝方向是：當閥門關閉時，設計壓差作用于閥板側，壓力有助于密封圈離座，如圖8中所示。同樣，相對于球閥（或旋塞閥）而言，三偏心更為可靠，原因在于：采用球閥（或旋塞閥）時，通常需要費很大力氣使閥芯離座。相反地，閘閥則因其出名的由低閥座傾斜角所造成的楔入效應使得其即使手動操作也很難打開。

圖8  打開三偏心閥的壓力效應

一個30米高的液烴儲罐內部的壓力范圍通常小于10 bar(145 psi) ，而且遠低于溢流閥的磅級（通常為ASME Class 150）。因此，閥門的全磅級閥芯能夠以較大的安全系數在有助于打開閥門的10bar壓力下安全地關緊閥門。當閥門通過釋放扭矩以迅速打開時，介質壓力的存在有效降低了閥門所需要的啟始扭矩，并進一步發揮作用，通過產生一個動態扭矩幫助打開閥門。 

三偏心閥的關鍵優勢

相比于傳統工藝閥門，三偏心閥具有如下幾個關鍵優勢：

1. 通過閥門、材料和執行機構的精確選擇，以及閥芯的非對稱設計，可顯著減少系統故障。

2. 三偏心閥的非對稱閥芯設計可觸發不同的閥門運轉狀態，這主要取決于壓差施加的方向。選擇壓力能夠有助于閥門關閉的方向安裝閥門，使得在用戶實現緊急關閉功能時更安全。以相反的密封方向，即壓力有利于閥門開啟的方向安裝時， 三偏心閥能夠更安全地實現緊急打開的功能（包括排污/泄放）。

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