James Fairburn

雪佛龙公司高级流程风险工程师

摘  要：美国石油学会（American Petroleum Institute）报告称，在2011-2014年美国炼油行业一级流程安全事件中，泵泄漏占第三位。美国燃料和石化制造商事件共享数据库显示，密封泄漏是报告的泵故障最常见的模式。来自HSE碳氢化合物泄漏系统数据库的数据显示，与单密封泵的故障相比，双密封的密封故障发生率相对较低。然而，固定成本项目的EPC承包商可能没有动力指定成本更高的增强型密封布置方式，除非设备所有者提供明确的指导意见。设备所有者可能没有这样的指导，或者不清楚现有历史指导的依据。或者，承包商可能会不必要地指定增强型密封布置方式，导致风险控制系统的支出无法优化。

API 682第4版（Pumps - Shaft Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps）于 2014年5月发布，并在附录A中包含了密封选择程序。为了确定推荐哪种密封布置方式，需要了解蒸汽云或火灾风险。本文综合了API 754不同介质的Tier 1泄漏阈值，以及基于风险的区域分类方法（EI15第4版）的各个方面，以开发一种方法来评估密封失效后的蒸汽云或火灾风险，因此建议在一系列潜在情况下使用Arrangement（布置方式）1、2或3密封。通过遵循这种方法，对一些常见的应用进行了重新考虑，以突出工程师在设计阶段对未来运行流程安全性能的潜在影响。

1）可靠性，即密封连续工作不低于25,000 小时；以及

2）挥发性有机化合物的排放，可能会对环境造成影响和/或对健康造成不良影响。

成本始终是设备选择的一个因素。由于初始支出和持续维修，双重密封（双封）的生命周期成本要高于单封，因此只有在特定应用中才会指定使用双封。

密封规格通常由来自供应商和最终用户的旋转设备专家制定，很少有流程安全专业人员参与。无论是在API 682中还是在实践中，流程安全方面（如密封失效的后果和风险）似乎都是次要考虑因素。2002 年发布的API 682第二版最初包括“根据业主或当地监管机构的指导方针/要求，布置方式1（或2）密封的正常泄漏是否会带来不可接受的蒸汽云或火灾风险？”然而，设备所有者可能没有这样的指导，或者可能不清楚存在这样的历史指导。

API 682第四版纳入了一种使用材料安全数据表（material safety datasheet）信息的新的替代密封布置方式选择方法。这种方法的依据尚不清楚，尽管在密封选择逻辑中使用8小时时间加权平均暴露限值可能表明，连续的密封排放对健康的不利影响是主要关注的问题。另一方面，为了充分评估蒸汽云或火灾风险，还需要考虑材料安全数据表中未包含的其它信息。

本文认为，离心泵密封选择的流程安全方面与可靠性、排放和成本同样重要。这些因素中的任何一个都可能影响到密封布置方式的选择。

API每年都会根据在美国运营的石油公司自愿报告的数据发布一份内部基准报告。2014年美国炼油行业流程安全事件报告（API，2015）指出，泵是造成1级流程安全事件（T-1 PSE）的第三大因素，如表2所示。

表2：按泄漏点划分的T-1 PSE比例

我们注意到，在Buncefield事故发生后，已经有相当多的工作涉及一些泄漏点和泄漏模式，例如防止储罐过满。因此，制定并遵守类似的泵安全标准，可能在未来大大减少T-1 PSE的数量。

美国燃料与石化制造商协会（AFPM）为其成员管理一个事件共享数据库。向数据库提交信息属于自愿行为，因此无法获得所有事件的因果关系信息。不过，在2011-2013年期间，约有60 %的T-1和 T-2 PSE（泵被确定为泄漏点）与密封失效有关。考虑到密封被普遍认为是泵设计的固有薄弱环节，而且在不能容忍密封失效的情况下，会指定使用无密封泵，因此这一统计数字并不令人惊讶。

API和AFPM数据都没有区分单封泵和双封泵。不过，来自HSE碳氢化合物泄漏系统（HCR）数据库的数据（汇总于表 3）表明，单封的泄漏频率高于双封。

表3：密封泄漏频率

双封泄漏频率低于单封，这在意料之中，但并不明显。表3中列出的密封泄漏频率适用于所有泄漏通径。然而，泵密封的泄漏量是可变的。在《第15部分：处理易燃流体的装置的区域分类第4版》（EI，2015年）发布之前，EI区域分类工作组对HSE碳氢化合物泄漏系统数据库中报告的事故的等效孔径与累积频率进行了分析。表4总结了泵在不同泄漏频率下的等效孔径分布，这在《Hazards 25》（IChemE，2015年）的一篇论文中也有类似的介绍。

表4：不同泄漏频率下的等效孔径

表4显示，对于LEVEL Ⅰ和Ⅱ泄漏，双封的等效孔径约为单封的一半。换句话说，在给定的泄漏频率和运行工况下，单封的泄漏量将比双封的泄漏量大（大约半个数量级），这一点非常重要。请注意，假定LEVEL Ⅲ故障与密封布置方式无关。

本文总结的背景信息表明，单封泵的蒸汽云或火灾风险大于双封泵，而泵的泄漏，尤其是密封故障，在很大程度上增加了T-1 PSE的数量。

您如何确定这种风险是否可以接受，或者是否适合采用增强型密封？

密封通常会泄漏，通常是在流量相对较低的情况下。因此，建议将“布置方式1 [或2] 密封的正常泄漏是否会带来不可接受的蒸汽云或火灾风险...... ”的问题中，将“正常”替换为“可预见”，以便考虑流程安全方面的密封选择。

API 754已将因实际密封损失而造成更大后果的事故归类为T-1 PSE。T-1 PSE是指任何物料的意外或不受控泄漏，导致一个或多个确定的后果，包括在任何一小时内物料泄漏量超过物料泄漏阈值量。

密封选择理念可采用固有的更安全设计（ISD）目标，即指定密封布置方式的失效不会导致 T-1 PSE（由泄漏量定义）以达到目标风险水平的泄漏频率出现。

首先，本文将针对易燃物泄漏制定一种基于风险的密封选择方法。

第1步：

根据API 754确定室外或室内泄漏特定物质时的Tier 1物质泄漏阈值量。

第2步：

本文认识到，英国典型陆上工厂工人的总个体风险（IR）约为1.0E-4/年，比可用的数值风险标准低一个数量级。EI15 基于风险的区域分类方法建议，因意外着火2级泄漏物[1]（IR_{ignited release}）而导致死亡的IR可接受水平应为总IR的10 %（即 0.1 x 1.0E-4 = 1.0E-5/年），并由以下公式定义：

-  流程事件，如爆炸、火灾、有毒物质泄漏等。

-  非流程事件，如职业风险、运输事故等。

此外，火灾事件可能发生在连续泄漏和初始泄漏中，也可能发生在通常不作为区域分类目的考虑的较大泄漏中（但可能在QRA中进行评估）。不过，根据企业要求和现场具体情况，或为了将风险降至合理可行的最低水平，也可使用IR_{ignited release}泄漏的替代值。

EI15 建议在2区区域内使用每次意外泄漏0.01人死亡的脆弱性值（V），该值考虑了泄漏方向和逃逸概率等因素，并与历史数据进行了比较。请注意，如果流体温度高于其自燃温度，则应使用2区外边界（P_ign）值为1的着火概率。还需要注意的是，在确定个体范围内的泄漏源数量 (N_range) 时，需要考虑到所有2级泄漏源，而不仅仅是泵，这可以通过精确计算来确定。另外，EI15中还提供了个体处于危险区域内的概率（P_occ）、N_range和P_ign的典型值，但这些值的使用需要根据现场的具体工况进行验证。

根据上述公式计算2区边界（F_flam）处易燃气体的频率。这样就可以确定泄漏频率（LEVEL）。通常一个设施（或不同的厂区）只需确定一次泄漏频率，如果使用EI15进行区域分类，则可能已经确定了泄漏频率。

第3步：

泄漏的结果取决于等效孔径大小，可以根据泄漏频率确定单封的等效孔径大小（见表 4）。

第4步：

泄漏的后果还取决于流程液体的特性，包括液体的危险性（如闪点和沸点，可从材料安全数据表中获取）、最大允许压力和温度（取决于设备运行工况）以及泄漏工况。

泄漏率以及一小时内的泄漏量既可以通过后果建模工具确定，也可以通过EI15中包含的针对不同流体类别和泄漏压力的查找表确定。请注意，第四版EI15包含一些敏感性分析，以考虑泄漏量是否对EI15中使用的参数值敏感。

对于易燃物泄漏，API 754阈值泄漏类别与EI15流体类别之间的关系如表5所示。请注意，定义之间存在一些细微差别，尤其是闪点介于21℃和 23℃之间的物质。在这种情况下，必须直接使用闪点来确定IP石油类，然后再确定流体类别。

表5：API 754阈值泄漏类别与EI15流体类别之间的关系

注2：如果沸点≤35℃且闪点<23℃，则阈值泄漏类别为5

注3：如果沸点>35℃，闪点<23℃，则阈值泄漏类别为6

注4：如果闪点≥23℃且≤60℃，或在闪点及闪点以上的温度下泄漏，则阈值泄漏类别为7

第5步：

为了确定“布置方式1”密封失效是否会导致T-1 PSE，可将计算出的单封每小时的泄漏量（来自第4步）与Tier 1 物料阈值（来自第1步）进行比较。如果：

-  如果Tier 1 物料阈值大于计算的泄漏量，则可以得出结论：布置方式1密封不会带来不可接受的蒸汽云或火灾风险，因此可以选择布置方式1密封，除非其它因素，如可靠性或排放要求采用增强型密封布置。

-  如果计算出的泄漏量大于Tier 1 物料阈值，则可以断定布置方式1密封存在不可接受的蒸汽云或火灾风险。重复第3、4 和 5步，使用等效孔径的双封。

第6步：

如果“布置方式1”密封会带来不可接受的蒸汽云或火灾风险，可将双封每小时的计算泄漏量与Tier 1 物料阈值进行比较。如果：

-  如果Tier 1 物料阈值大于计算的泄漏量，则可以断定布置方式2密封不会产生不可接受的蒸汽云或火灾风险，因此可以选择布置方式2密封，除非其它因素，如可靠性或排放要求采用增强型密封布置。

-  如果计算出的泄漏量大于Tier 1 物料阈值，则可以得出结论，布置方式2密封存在不可接受的蒸汽云或火灾风险，可以选择布置方式3密封。