01.概述

紧急切断阀（ESDV）作为安全仪表系统（SIS）的核心执行单元，广泛应用于石油、天然气及化工领域，用于在危险工况下快速切断管道中介质的流动，保障人员、设备和环境的安全。随着工业安全标准的不断提高，ESDV的设计与选型成为行业关注的焦点。据统计，超过50%的紧急停车系统（ESD）故障与ESDV相关，凸显了其技术优化的重要性。近年来，国内外学者在ESDV的密封性能、防火设计、执行机构控制逻辑及智能化诊断技术等方面取得了显著进展。此外，随着智能技术的发展，智能定位器和在线诊断系统的应用为ESDV的健康管理提供了新的解决方案，如Emerson DVC6200 SIS数字式定位器和IMI MAXSEAL ICO4-PST系列电磁阀的推出显著提升了阀门的可靠性与安全性。 本文基于API标准及工程实践经验，系统分析了ESDV的选型与设计原则，重点探讨了阀门类型、密封性能、防火要求及可靠性等关键技术指标，并深入研究了气动执行机构的控制逻辑、电磁阀配置、安全余量及开关时间等核心参数。同时，针对长期不动作导致的潜在风险，本文重点分析了部分行程测试（PST）功能的重要性，并对比了不同实现方式的优劣，为行业实践提供了技术参考。本研究旨在通过优化ESDV的设计与应用，提升SIS系统的整体安全性能，推动行业向智能化、高可靠性方向发展。

02.阀门技术要求

紧急切断阀常见的阀门类型包括球阀、蝶阀、闸阀，图1是以球阀为例的紧急切断阀的示意图，配合相应的控制模块共同构成ESD阀门系统，如图2所示。一般情况下，小于8 in优先选用球阀或闸阀；8 in以上优先选用蝶阀（三偏心或双偏心蝶阀）或闸阀。 按照API 553-2012规范，紧急切断阀的阀座密封至少需要达到ANSI/FCI70-2规定的IV级。对于有严格密封要求的场合，如管道介质为有毒有害类型时，阀座密封至少需要达到V级或VI级，甚至是气泡级无可见泄漏。此外，紧急切断阀的设计应符合API 607或API 6FA标准要求，并取得相应的认证。而紧急切断阀选用的阀门本身需要具备较高的可靠性，NEWAY目前所有类型的开关阀均通过了TUV的SIL2认证，且配合不同功能的执行器均可满足整体SIL2及以上的产品要求。 紧急切断阀作为安全仪表系统（SIS）的一部分，通常与DCS（Distributed Control System）系统在软硬件上相互独立，不参与装置正常运行的过程控制。配置阀门手动操作机构可能会对紧急切断阀正常运作造成影响，降低其可靠性，故通常无需配置手动操作机构。 

图1 紧急切断球阀 

图2 典型的ESD系统

03.执行机构技术要求

3.1 执行机构类型 

按照API 553-2012规范，紧急切断阀的执行机构可选类型包括：气动执行机构、电液执行机构、电动执行机构。在实际工程应用中，选择哪种类型的执行机构需要根据装置现场条件、建造成本以及业主意见等因素综合判断。当有可靠的仪表空气系统时，应优先选用气动执行机构；若无仪表空气系统，则应优先考虑电液执行机构；通常不建议采用电动执行机构。本文主要讨论气动执行机构的技术特点。 

3.2 气动执行机构 

气动执行机构应优先考虑弹簧复位式单作用气缸，且为仪表空气故障关闭型（Fail Close）。当采用双作用气动执行机构时，需要配备空气储罐或设计专用供气管路，气缸及附件的规格需根据仪表空气的最低压力值计算并选型。 

（1）控制逻辑 

按照API 553-2012规范，气动执行机构一般采用故障安全型。在系统发生故障时应保证工艺过程是安全或趋向于安全的状态，即发生仪表空气故障或电磁阀供电故障时，紧急切断阀快速关闭，并且需要一直保持在关闭位置。 

当工艺生产过程中所有运行条件重新满足要求时，安全仪表系统（SIS）无法直接控制紧急切断阀打开，装置必须经现场人工检查并进行复位操作后才能打开，即人工复位。人工复位按钮可以是在现场设置的HMI盘上的复位按钮，也可以是紧急切断阀控制气路中电磁阀自带的复位按钮（复位手柄或者按钮）。图3为控制逻辑图，当工艺参数超出正常范围但不超过安全范围时，DCS控制系统发出调节信号，控制调节阀门开关；当工艺参数超出安全范围时，进入紧急情况，触发SIS安全系统，强制关闭阀门；当紧急情况解除需要恢复到正常状态时，必须经过人工检查并手动复位阀门。 

图3 DCS系统和SIS系统控制ESDV逻辑 

（2）电磁阀配置 

安全仪表系统（SIS）中一般只允许选用直动式电磁阀。先导式电磁阀存在降低系统可靠性的风险，在相同条件下，相比于先导式电磁阀，直动式电磁阀的结构更加简单直接，其未知危险故障（λdu：Undetected Dangerous Failure）更少，硬件失效率更低，有利于提高整个系统的SIL等级，增强系统的安全完整性。 

电磁阀优先采用24V DC供电，由安全仪表系统（SIS）直接控制。在爆炸危险场所，电磁阀应采用隔爆型或本安型；当采用本安型时，应选择隔离式安全栅，且电磁阀防护等级不应低于IP65。 

API 553-2012规范推荐安全仪表系统（SIS）中的电磁阀应优先选用断电复位（长期励磁型），且断电时电磁阀不允许强制或者重置到正常位置。若电磁阀必须采用励磁动作型，则电磁阀推荐采用诊断回路，且需要安排定期高频进行测试，以保证其可靠性。 

冗余表决结构可以提高系统的SIL等级，而冗余结构的选择取决于系统所需的SIL等级。ESDV常用的冗余结构包括1OO2，2OO2和2OO3。根据IEC 61508规范，硬件容错HFT（Hardware Fault Tolerance）=X意味着有X+1个故障可能导致安全功能失效（X为HFT的数值，一般为0、1、2）。对于冗余结构MOON系统，HFT=N-M（M是投票数，N是冗余数），HFT值越高意味着系统架构能够达到的安全完整性等级越高。 

1OO2结构具有较高的安全性，当只有两台电磁阀发生无法正常关闭的故障时，整机的安全功能才会失效，但这也增加了系统虚假停车的风险。图4为1OO2结构，其中任何1台电磁阀失电均会导致紧急切断阀关闭，该结构适用于安全性要求高的场景，但其可用性较低。 

图4 典型的1OO2配置 

2OO2结构具有较高的可用性，可降低系统虚假停车的风险，但同时也降低了系统的安全性。当其中一台电磁阀发生无法正常关闭的故障时，整机的安全功能就会失效。图5为2OO2结构，这种结构适用于可用性高的场景，但安全性较低，即任何1台电磁阀失电都不会导致紧急切断阀动作，只有当2台或2台以上电磁阀同时失电时紧急切断阀才会关闭。 

图5 典型的2OO2配置 

2OO3结构兼顾了安全性和可用性，在不舍弃安全性的情况下，降低了系统虚假停车的风险。任何一台电磁阀失电都不会导致紧急切断阀动作，其中电磁阀2和电磁阀3由同一电源控制，只有当两个及以上的控制电源同时失电时紧急切断阀才会关闭。图6为2OO3结构，该结构能够平衡安全性与可用性，适合二者都重要的场景，但其成本高，且设计和维护较为复杂，实际使用较少。 

图6 典型的2OO3配置 

（3）扭矩/推力安全系数 

API 553-2012规范要求气动执行机构输出扭矩/推力相对于阀门所需值具有25%~40%的安全余量，但根据NEWAY多年的生产应用经验，气动执行机构输出扭矩/推力应至少保证2倍的安全系数。 

（4）开关时间 

理论上紧急切断阀的关闭响应时间越短越好，但实际情况下需要考虑阀门的运行安全以及对管道等其他系统的影响。特别是对于输送液体介质的管道，紧急切断阀关闭时间过快，很可能产生严重的水锤效应，对装置造成严重的危害。因此，紧急切断阀开关响应时间的设计需要结合多种工艺参数，慎重考虑。API RP556第二版给出的典型紧急切断阀最大允许开关响应时间如表1所示，除客户有明确规范说明，通常建议紧急切断阀关闭时间不超过1 s/in，打开时间不超过5 s/in。 

表1 紧急切断阀最大允许开关响应时间 

阀门口径/in     时间/s

4寸及以下       ＜3 

4寸到8寸        ＜4 

8寸到12寸       ＜5 

（5）防火要求 

气动执行机构整体（气缸及控制附件等）应设置防火措施。优先选择安装防火保护罩，且防火保护罩应符合UL 1709标准，能够在1093 ℃的烃类火灾下确保气动执行机构整体的表面温度在93 ℃以内，且可维持时间为30 min以上。防火措施除防火罩外，还包含防火箱、防火喷涂等。 

（6）PST（Partial Stroke Test）功能 

紧急切断阀作为安全系统的一部分，仅在紧急情况下执行开关动作。装置在正常生产过程中，阀门长期处于静止状态，故无法检验阀门的稳定性；而人为干预测试阀门时易造成阀门开关幅度过大，影响工艺生产。同时，紧急切断阀具有较高的整体安全性能等级要求（SIL2以上），若无定期检查，随着时间的延长，硬件失效率便会增加，SIL等级随之降低；但若频繁停机检查，则会造成一定的经济损失。 PST功能可定期在不影响工艺操作的情况下测试阀门是否能够正常运行。PST功能将阀门从全开位置关闭到指定位置（通常为全开的80%~90%），再自动返回到全开位置。

PST功能在不影响工艺生产的情况下检测阀门的稳定性，从而提高了紧急切断阀整体（执行机构+阀门）的SIL等级。 

当前紧急切断阀实现PST功能主要有以下3种方式： 

（a）机械式 通常采用凸轮阀+PST手动阀实现PST功能。相对其他几种方式，机械式更简单经济。但该方式需要人工在现场手动操作完成PST测试，无法实现远程操控，且关闭角度只能在设计时设定，无法后期调整及生成PST测试曲线；此外，该方式安全性欠佳，易受外在因素干扰。 

（b）限位开关+自动复位式电磁阀 该方式较为经济，可实现本地和远程控制PST测试，并可调节关闭角度，但无法生成PST测试曲线。 

（c）智能定位器/智能型电磁阀/智能型限位开关 该方式主要通过智能型组件实现PST功能。典型的智能组件包括：Emerson DVC6200 SIS数字式定位器、IMI MAXSEAL ICO4-PST系列电磁阀以及TOPWORKS D-ESD系列限位开关等。这些典型智能组件不仅可以实现PST功能，且大多具备阀门在线诊断功能，可全程监控阀门健康状况，并生成PST测试曲线。当前该方式逐渐成为实现PST功能的主流选择。

04.结语

紧急切断阀（ESDV）作为安全仪表系统（SIS）的核心执行单元，在石油、天然气及化工领域的安全管理中具有不可替代的作用。本文基于API标准及工程实践经验，系统分析了紧急切断阀的选型与设计原则，重点探讨了阀门类型、密封性能、防火要求及可靠性等关键技术指标，并深入研究了气动执行机构的控制逻辑、电磁阀配置、安全余量及开关时间等核心参数。紧急切断阀的可靠性直接影响整体SIS系统的安全性能，而执行机构的设计需结合故障安全型逻辑与冗余表决结构，以平衡安全性与可用性。此外，针对长期不动作而导致的潜在风险，部分行程测试（PST）能够显著提高紧急切断阀的可靠性。 

上述内容及相关标准规范仅具有一定的参考意义和推荐性，在生产实践过程中，工程技术人员应根据具体工程项目中的要求、合同条款，合理选择紧急切断阀的技术方案。