緊急切斷閥的一種行程測(cè)試方法

高延榮

（中石化南京工程有限公司，南京 211000）

0 引言

緊急切斷閥是一種快關(guān)式閥門，根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式不同可分為：電磁式、液壓式、機(jī)械式和氣動(dòng)式[1]。氣動(dòng)式緊急切斷閥在化工生產(chǎn)裝置中最為常見，可以用于緊急排放和緊急切斷等操作要求，適用于生產(chǎn)過程和生產(chǎn)設(shè)備的安全保護(hù)系統(tǒng)和一般的兩位控制和開關(guān)操作要求的場(chǎng)合。緊急切斷閥的工作狀態(tài)與整個(gè)生產(chǎn)裝置的安全運(yùn)行息息相關(guān)。

圖1 改進(jìn)前切斷閥附件示意圖Fig.1 Schematic diagram of accessories of cut-off valve before improvement

圖2 改進(jìn)后切斷閥附件示意圖Fig.2 Schematic diagram of improved cut-off valve accessories

圖3 智能數(shù)字閥門定位器Fig.3 Intelligent digital valve positioner

以天然氣制氫裝置為例，天然氣制氫裝置中的原料氣入口切斷閥是氣動(dòng)緊急切斷閥，當(dāng)遇到突發(fā)情況時(shí)，可以在現(xiàn)場(chǎng)和一定距離之外借助執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)閥門的快速關(guān)斷。當(dāng)環(huán)境溫度由于火災(zāi)等原因升高至特定的溫度時(shí)，可以借助易熔裝置來切斷氣路，使閥門回到安全位置。此閥門在裝置穩(wěn)定運(yùn)行后一直處于打開狀態(tài)，只有在裝置聯(lián)鎖停車或緊急情況才會(huì)關(guān)閉，在生產(chǎn)過程中閥門動(dòng)作頻率極低。對(duì)于這種動(dòng)作頻率較低的緊急切斷閥，如何在日常維護(hù)過程中判斷閥門是否處于正常狀態(tài)非常重要。本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，通過增加智能數(shù)字式閥門定位器和就地操作按鈕的方法，可以在裝置正常運(yùn)行情況下對(duì)原料氣入口切斷閥進(jìn)行測(cè)試。在裝置停車檢修期間，也可通過就地操作按鈕對(duì)閥門進(jìn)行全開和全關(guān)的全行程測(cè)試，操作簡(jiǎn)單實(shí)用。

1 緊急切斷閥的應(yīng)用

本文以原料氣入口氣動(dòng)緊急切斷閥61-XBV-6701 為例進(jìn)行分析。改進(jìn)前切斷閥附件示意圖如圖1 所示，改進(jìn)后切斷閥附件示意圖如圖2 所示。

圖2 中，XY-6701 為電磁閥，ZSL-6701 為關(guān)位限位開關(guān)，ZSH-6701 為開位限位開關(guān)，ZLL-6701A 為現(xiàn)場(chǎng)關(guān)位指示燈，ZLH-6701A 為現(xiàn)場(chǎng)開位指示燈，HS-6701DO 為DCS系統(tǒng)中的開閥按鈕，HS-6701DC 為DCS 系統(tǒng)中的關(guān)閥按鈕，ZLH-6701D 為DCS 系統(tǒng)中的閥門開位指示燈，ZLL-6701D為DCS 系統(tǒng)中的閥門關(guān)位指示燈，HS-6701A 為就地緊急關(guān)閉按鈕，XY-6701C 為智能數(shù)字閥門定位器，LCP 為閥門就地操作盤。

通過圖1、圖2 的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的切斷閥增加了智能數(shù)字閥門定位器和就地操作盤。

1.1 智能閥門定位器

智能數(shù)字式閥門定位器如圖3 所示，是一種基于微處理器的電流信號(hào)到氣動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換的原件。數(shù)字式閥門定位器把調(diào)節(jié)器來的模擬信號(hào)4mA ～20mA DC 變成氣動(dòng)信號(hào)，再來推動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行器，定位器中的微處理器可以把閥門的位移信號(hào)通過HART 協(xié)議傳到控制系統(tǒng)或個(gè)人計(jì)算機(jī)中進(jìn)行雙向通訊[2]。

圖4 閥門就地操作盤Fig.4 Valve local operation panel

圖5 智能閥門定位器與就地操作盤接線圖Fig.5 Wiring diagram of intelligent valve positioner and local operation panel

安裝在緊急切斷閥上的數(shù)字式閥門定位器有3 個(gè)基本功能：

1）根據(jù)邏輯計(jì)算器的要求調(diào)節(jié)氣動(dòng)輸出。

2）可以定期對(duì)閥門組件進(jìn)行測(cè)試。

3）監(jiān)控閥門的健康狀況并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)出警報(bào)。

1.2 閥門就地控制盤

閥門就地控制盤（LCP）一般與智能數(shù)字閥門定位器結(jié)合使用，用來對(duì)氣動(dòng)緊急切斷閥進(jìn)行關(guān)閉、打開，也可對(duì)閥門進(jìn)行行程測(cè)試和復(fù)位。現(xiàn)場(chǎng)控制盤如圖4 所示。

就地控制盤右側(cè)從上到下分別為開閥、關(guān)閥和閥門測(cè)試按鈕。左側(cè)從上到下分別為綠色閥開指示、紅色閥關(guān)指示和黃色閥門準(zhǔn)備好復(fù)位指示燈。一般情況下，閥門的就地控制盤安裝在靠近閥門的位置，以便在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作時(shí)可以直觀地觀察閥門的動(dòng)作狀態(tài)。

1.3 智能閥門定位器與就地控制盤的連接

閥門定位器與就地操作盤的連接方式有很多種，本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選用最為簡(jiǎn)單實(shí)用的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接線方式，既可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能，又可以節(jié)約電纜。閥門定位器與LCP 接線圖如圖5 所示。

如圖5 所示，閥門就地操作盤與定位器只需一根3 芯電纜連接，定位器與ESD 系統(tǒng)只需一根2 芯電纜連接。就地操作盤內(nèi)部左上角是供電方式選擇開關(guān)，可以選擇是24VDC 供電還是回路供電。當(dāng)選擇左側(cè)回路供電開關(guān)時(shí)，閥門定位器通過ESD 系統(tǒng)的AO 回路供電，閥門定位器給就地操作盤供電。ESD 系統(tǒng)AO 信號(hào)的+/-分別與閥門定位器接線端子中的Loop +/-相接；閥門定位器接線端子中的Loop +/-與就地操作盤中的Loop +/-相接，定位器接線端子中的AUX +與就地操作盤中的AUX +相接。由于就地操作盤回路大約消耗4mA，故為了保證操作盤能夠正常工作，ESD 系統(tǒng)輸出電流最低應(yīng)為8mA。

1.4 閥門行程測(cè)試

閥門行程測(cè)試分局部行程測(cè)試（PST）和全行程測(cè)試（FST）兩種。

所謂閥門局部行程測(cè)試（PST）即是讓閥門從正常工作狀態(tài)按照一定的斜坡速率移至預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)位置，然后再以一定的速率返回正常工作狀態(tài)的過程。在測(cè)試的過程中采集數(shù)據(jù)，通過分析這些數(shù)據(jù)來評(píng)估閥門組件的狀態(tài)。局部行程測(cè)試只可在裝置運(yùn)行正常的情況下進(jìn)行。

1）局部行程測(cè)試（PST）步驟

◇ 按下LCP 上最下部的“閥門測(cè)試”按鈕3s 以上（最長(zhǎng)不要超過10s）。

◇ 閥門由正常開度以特定的速度開始向PST 目標(biāo)開度轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)閥門轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)LCP 上的綠色開位指示燈開始閃爍。

◇ 閥門開到PST 設(shè)定的開度。

◇ 閥門從PST 設(shè)定的開度返回至正常開度，LCP 上的綠色開位指示燈不再閃爍，變?yōu)槌Ａ痢?/p>

2）人工干預(yù)下的局部行程測(cè)試（PST）步驟

◇ 按下LCP 上最下部的“閥門測(cè)試”按鈕3s 以上（最長(zhǎng)不要超過10s）。

◇ 閥門由正常開度以特定的速度開始向PST 目標(biāo)開度轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)閥門轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)LCP 上的綠色開位指示燈開始閃爍。

◇ 在閥門達(dá)到PST 設(shè)定的目標(biāo)開度前，再次按下LCP下部的“閥門測(cè)試”按鈕。

◇ 閥門立刻又以特定的速度返回至正常開度，LCP 上的綠色開位指示燈不再閃爍，變?yōu)槌Ａ痢?/p>

閥門局部行程測(cè)試時(shí)緊急切斷閥的開度與供氣壓力關(guān)系示意圖如圖6 所示。

圖6 閥門行程與供氣壓力關(guān)系示意圖Fig.6 Diagram of the relationship between valve travel and air supply pressure

由圖6 可見，當(dāng)閥門局部行程測(cè)試開始后，閥門供氣壓力逐漸降低，當(dāng)達(dá)到局部行程測(cè)試可觸發(fā)的壓力設(shè)定值后，閥門將以特定的斜坡速率向預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)位置移動(dòng)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)開始后又以特定的斜坡速率返回至正常開度。其中，閥門動(dòng)作的斜坡速率、PST 目標(biāo)開度等參數(shù)都可在初始化時(shí)通過475 手操器進(jìn)行設(shè)定。為了保證局部行程測(cè)試時(shí)不影響裝置的正常運(yùn)行，設(shè)定的閥門PST 目標(biāo)開度與閥門正常工況開度變化最大不應(yīng)超過裝置安全、平穩(wěn)運(yùn)行所允許的閥門最大開度。閥門設(shè)定的PST 斜坡速率和PST 目標(biāo)開度由工藝專業(yè)最終確定。

所謂閥門全行程測(cè)試（FST）即是在停車工況下對(duì)閥門進(jìn)行全行程（全開到全關(guān)或全關(guān)到全開）測(cè)試的過程。在測(cè)試的過程中采集數(shù)據(jù)，通過分析這些數(shù)據(jù)來評(píng)估閥門組件的狀態(tài)。全行程測(cè)試可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)局部行程測(cè)試未能發(fā)現(xiàn)的問題。全行程測(cè)試只可在裝置停車期間進(jìn)行。

a）系統(tǒng)指令全行程（FST）測(cè)試

◇ 減小智能數(shù)字閥門定位器的供電電流至4mA（適用于故障/斷電關(guān)的閥門）。

◇ 閥門轉(zhuǎn)向故障安全的位置（關(guān)位）。

◇ LCP 上的關(guān)位指示燈（紅色）常亮，開位指示燈（綠色）和復(fù)位指示燈（黃色）不亮。

◇ 按下LCP 上部的開閥按鈕，閥門保持故障安全位置（關(guān)位）不動(dòng)。

◇ 增加智能數(shù)字閥門定位器供電電流至20mA，閥門繼續(xù)保持在故障安全位置（關(guān)位）不動(dòng)。

◇ 此時(shí)LCP 上的紅色關(guān)位指示燈繼續(xù)保持常亮，黃色指示燈變?yōu)槌Ａ粒?zhǔn)備好復(fù)位）。

◇ 按下LCP 下部的“閥門測(cè)試”按鈕（復(fù)位）。

◇ LCP 上的關(guān)位紅色指示燈熄滅，閥門轉(zhuǎn)動(dòng)至正常工作位置（開位），LCP 上的開位綠色指示燈常亮。

b）LCP 指令（FST）測(cè)試

◇ 按下LCP 上的“關(guān)閉”按鈕。

◇ 閥門轉(zhuǎn)向故障安全的位置（關(guān)位）。

◇ 此時(shí)LCP 上的關(guān)位指示燈（紅色）變?yōu)槌Ａ?，黃色指示燈變?yōu)槌Ａ粒?zhǔn)備好復(fù)位）。

◇ 按下LCP 上的“打開”按鈕。

◇ LCP 上的關(guān)位紅色指示燈熄滅，閥門轉(zhuǎn)動(dòng)至正常工作位置（開位），LCP 上的開位綠色指示燈常亮。

在測(cè)試過程中，定位器可以自動(dòng)搜集診斷的數(shù)據(jù)用于閥門故障排除。對(duì)診斷結(jié)果，也給出了建議的解決方法。智能數(shù)字閥門定位器可以識(shí)別的故障如下：

①切斷閥卡死。

②電磁閥故障。

③閥門供氣不足。

④氣源污濁。

⑤外部氣源泄漏（執(zhí)行結(jié)構(gòu)膜片或Tube 管）。

⑥活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)O 型圈故障。

⑦單作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)彈簧損壞等。

2 應(yīng)用情況

天然氣制氫裝置原料氣入口緊急切斷閥加裝智能數(shù)字閥門定位器、就地操作盤后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，運(yùn)行良好，極大程度上保證了裝置的安全、平穩(wěn)運(yùn)行，可以有效縮短閥門檢修的周期，降本增效效果明顯，運(yùn)行效果令人滿意。

3 結(jié)語(yǔ)

化工裝置中的緊急切斷閥通常只有電磁閥和閥位開關(guān)，這種組合雖然可以通過系統(tǒng)進(jìn)行部分閥門測(cè)試，但僅靠電磁閥動(dòng)作以及閥位開關(guān)的反饋信號(hào)來監(jiān)測(cè)閥門的動(dòng)作，沒有其他的信息來判斷閥門的狀況。隨著診斷技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化解決方案是普遍共識(shí)[3]。石油化工生產(chǎn)裝置復(fù)雜，裝置布置相對(duì)集中，工藝介質(zhì)多有易燃易爆等性質(zhì)，危險(xiǎn)性較高，緊急切斷閥是裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，定期對(duì)閥門進(jìn)行診斷測(cè)試可在很大程度上保障裝置的穩(wěn)定運(yùn)行；而在線行程測(cè)試和診斷，減少了裝置的非計(jì)劃停車，節(jié)能減排、降本增效效果明顯，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。