極寒地區(qū)的儀表設(shè)計(jì)問題探討

夏車奎

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315100)

近年來，在內(nèi)蒙古、新疆以及俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)的化工建設(shè)項(xiàng)目越來越多。在這些地區(qū)的工程建設(shè)實(shí)踐過程中，不得不考慮極端的氣候環(huán)境對工程建設(shè)及后期運(yùn)行、操作、維護(hù)等帶來的影響。這些地區(qū)最低溫度往往可達(dá)到氣象學(xué)《寒冷程度等級表》的“極寒”等級[1](-40 ℃以下)，如俄羅斯阿穆爾州，極端溫度甚至低至-52 ℃。對儀表設(shè)計(jì)人員來說，必須重視極寒天氣對儀表可靠性和安全性等方面帶來的影響[2-3]。所以有必要針對這種特殊的氣候條件，研究相應(yīng)的對策和方案，保障裝置的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及現(xiàn)狀

目前，中國儀表設(shè)計(jì)領(lǐng)域通常對工藝介質(zhì)溫度比較重視，往往忽視環(huán)境溫度對自控儀表系統(tǒng)的影響。在極寒環(huán)境下儀表的設(shè)計(jì)應(yīng)用，也常缺乏行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的支持，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也多為通用規(guī)范。GB/T 14092.2—2009 《機(jī)械產(chǎn)品環(huán)境條件 寒冷》[4]僅劃分了環(huán)境等級，其中3.7.1條規(guī)定了年最低氣溫為-50 ℃；GB/T 14091—2009 《機(jī)械產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)分類及其嚴(yán)酷程度分級》[5]規(guī)定最低氣溫達(dá)到-55 ℃，基本涵蓋了中國最低氣溫的范圍。然而，這2項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)雖然對環(huán)境條件劃分了嚴(yán)酷等級，但除了氣溫外，還考慮了濕度、空氣壓力、降水、太陽輻射等綜合因素，對環(huán)境低溫的針對性不強(qiáng)。

JB/T 7575—2013 《機(jī)械產(chǎn)品及元器件寒冷環(huán)境大氣暴露試驗(yàn)方法和導(dǎo)則》[6]在文獻(xiàn)[4]劃分等級的基礎(chǔ)上，規(guī)定了大氣暴露試驗(yàn)的方法和導(dǎo)則，但是該標(biāo)準(zhǔn)適用范圍大且籠統(tǒng)，指導(dǎo)儀表設(shè)計(jì)的意義有限。GB/T 2423.1—2008 《電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 第2部分： 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)A： 低溫》規(guī)定了環(huán)境試驗(yàn)方法，行業(yè)中常用的HG/T 20514—2014 《儀表及管線伴熱和絕熱保溫設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]和SH/T 3126—2013 《石油化工儀表及管道伴熱和絕熱設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]重點(diǎn)規(guī)定了儀表及管線的伴熱和絕熱設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，較少關(guān)注環(huán)境低溫對儀表本身的影響。

同樣，國外標(biāo)準(zhǔn)也多為試驗(yàn)或測試標(biāo)準(zhǔn)，如IEC 60668-2-1： 2007，IEC 60811-1-4： 2001等。環(huán)境比較嚴(yán)酷的俄羅斯，如GOST 15150-69標(biāo)準(zhǔn)對環(huán)境低溫覆蓋范圍雖然更廣，最低氣溫達(dá)-70 ℃，但也是通用標(biāo)準(zhǔn)?？傊?，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)多關(guān)注的是對嚴(yán)酷環(huán)境的分類，以及通用領(lǐng)域的低溫試驗(yàn)測試方法，對儀表領(lǐng)域的針對性不強(qiáng)，也較少對儀表選型、材料選擇、電纜選用及對儀表本身的環(huán)境低溫防護(hù)等作出詳細(xì)規(guī)定。所以本文針對該情況，從儀表選型、電纜選用、儀表防護(hù)三個(gè)方面，梳理和探討化工儀表設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題。

2 儀表選型

處在極寒地區(qū)的化工裝置，室內(nèi)通常設(shè)有暖通設(shè)備，在正常操作條件下，一般不考慮室內(nèi)儀表的耐環(huán)境低溫性能。所以在條件允許情況下，應(yīng)盡量把儀表設(shè)置在室內(nèi)環(huán)境中。如條件所限須安裝在室外，則應(yīng)同時(shí)注意環(huán)境低溫對儀表本身和測量介質(zhì)的影響。儀表選型時(shí)，不同的測量參數(shù)選用的測量儀表類型除參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范外，還受到業(yè)主及設(shè)計(jì)單位的經(jīng)驗(yàn)習(xí)慣影響。本文針對極寒地區(qū)的氣候條件，選取溫度、壓力、流量、液位等典型儀表，介紹這些儀表的選型建議和注意事項(xiàng)。

2.1 基于測量介質(zhì)的考慮

安裝在極寒地區(qū)室外的儀表，首先應(yīng)注意環(huán)境低溫對測量介質(zhì)的影響。無論從投資、運(yùn)行、維護(hù)還是節(jié)能角度考慮，選用非介質(zhì)引出型儀表是一個(gè)比較好的方案。如壓力/差壓變送器在滿足測量精度和響應(yīng)時(shí)間要求的情況下，可選用毛細(xì)管遠(yuǎn)傳型或直裝式[9-10]。但當(dāng)選用毛細(xì)管遠(yuǎn)傳型變送器時(shí)，需要注意毛細(xì)管的直徑和長度。如毛細(xì)管過細(xì)、過長或填充液溫度系數(shù)過大，在環(huán)境溫差過大時(shí)，可能引起較大的測量誤差和滯后。另外，還要注意毛細(xì)管內(nèi)充裝液的適用溫度范圍，必須同時(shí)滿足測量介質(zhì)溫度和環(huán)境低溫的要求，典型填充液適用溫度見表1所列。

表1 典型填充液適用溫度 ℃

測量液位應(yīng)盡量選用遠(yuǎn)傳差壓變送器外，可根據(jù)工況優(yōu)先選用雷達(dá)、超聲波等非接觸式液位測量儀表或選用頂裝式的浮筒、浮子、導(dǎo)波雷達(dá)等液位測量儀表；不推薦選用側(cè)裝式液位儀表。

2．2 儀表設(shè)備的耐候性

目前，大多數(shù)的儀表設(shè)備的主要電子元器件和電子線路板都可在-25 ℃環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，一些耐候性好的儀表在-40 ℃時(shí)也能長時(shí)間正常工作，但能夠適應(yīng)-40 ℃以下環(huán)境溫度的儀表較少，尤其是帶液晶顯示(LCD)的儀表，在低于-15 ℃時(shí)就可能出現(xiàn)畫面“變花”和“數(shù)字虛化”等現(xiàn)象。所以，儀表耐環(huán)境低溫性能除受本身電子元件和電路性能限制外，LCD顯示單元對低溫敏感也是其中一個(gè)影響因素，所以宜選用不帶LCD顯示的型號(hào)。條件允許下，當(dāng)表頭除LCD顯示單元外其他部分耐環(huán)境低溫滿足要求時(shí)，也可考慮采用帶發(fā)光二極管顯示(LED)的表頭。此外，應(yīng)優(yōu)先選用經(jīng)過GB/T 2423.1—2008(IEC 60068-2-1： 2007)試驗(yàn)的儀表設(shè)備，同時(shí)注意試驗(yàn)溫度。典型儀表的耐環(huán)境低溫性能見表2所列。

表2 典型儀表的耐環(huán)境低溫性能 ℃

續(xù)表2

壓力表和雙金屬溫度計(jì)等就地儀表，常規(guī)型一般可耐-40 ℃環(huán)境低溫。在極寒地區(qū)，需選用耐低溫型，如壓力表填充低溫油，最低可耐-70 ℃。遠(yuǎn)傳溫度儀表，測溫元件一般耐低溫性能較好，但在晝夜環(huán)境溫差大的地區(qū)，應(yīng)盡量選擇四線制、帶一體式變送器的測溫?zé)犭娮?，需注意變送器表頭的保溫伴熱。

主流的壓力/差壓變送器分為硅電容傳感器和硅諧振式傳感器兩種形式[11]。硅電容傳感器所需填充液，一般為硅油或惰性油，最低耐-40 ℃。硅諧振式傳感器中的硅梁、硅膜片、空腔被封在微型真空中，使其不與充罐液接觸，在低溫環(huán)境或者是溫差較大的場所中，穩(wěn)定性更好。所以優(yōu)先選擇采用硅諧振式傳感器的壓力/差壓變送器。

遠(yuǎn)傳液位儀表無論選擇非接觸儀表或隨設(shè)備保溫伴熱儀表，都需注意變送器及表頭的保溫伴熱。流量儀表盡可能選用非介質(zhì)引出型的，如電磁、超聲波、渦街、質(zhì)量等類型的流量計(jì)。該類流量計(jì)一般主流的耐環(huán)境低溫為-40 ℃。在極寒地區(qū)，該類流量計(jì)的本體可隨管道保溫伴熱，變送器及表頭應(yīng)有單獨(dú)的防護(hù)措施。

分析類儀表往往對環(huán)境溫度有一定的要求，一般考慮安裝在室內(nèi)或分析小屋內(nèi)，不建議采用室外架裝或柜裝方案。

閥門在極寒地區(qū)的耐低溫性能，重點(diǎn)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)，至于閥體的耐環(huán)境低溫性能可以參照低溫閥門選型方法。低溫閥門雖然針對的是低溫介質(zhì)，但也適用于解決耐環(huán)境低溫的問題。低溫閥門目前已有相對成熟的體系和產(chǎn)品，也有較多國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)支持，如GB/T 24918—2010，GB/T 24925—2010和MSS SP-134： 2012，BS 6364： 1984等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是限制閥門低溫性能的重要因素，對于執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型來說，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的耐環(huán)境低溫的性能通常強(qiáng)于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在低溫環(huán)境中，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開關(guān)時(shí)間往往受到較大影響，而當(dāng)采用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，還需注意儀表氣源的露點(diǎn)溫度。在操作壓力下，應(yīng)比當(dāng)?shù)啬曜畹蜌鉁氐?0 ℃或以上。閥門的其他附件也應(yīng)滿足低溫環(huán)境要求，如選用低溫型電磁閥。

2．3 儀表的運(yùn)輸儲(chǔ)存

在極寒地區(qū)，還應(yīng)注意環(huán)境低溫對儀表運(yùn)輸儲(chǔ)存的影響。儀表運(yùn)輸儲(chǔ)存環(huán)節(jié)的耐環(huán)境低溫性能和操作運(yùn)行時(shí)耐環(huán)境低溫性能不能等同。儀表操作運(yùn)行的最低環(huán)境溫度，是指儀表能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行的環(huán)境溫度條件。當(dāng)環(huán)境溫度低于儀表穩(wěn)定運(yùn)行的最低要求時(shí)，儀表不能穩(wěn)定運(yùn)行，但當(dāng)環(huán)境溫度恢復(fù)時(shí)，儀表的測量功能可能恢復(fù)也可能無法恢復(fù)。當(dāng)不滿足運(yùn)輸儲(chǔ)存環(huán)境溫度時(shí)，儀表往往會(huì)產(chǎn)生不可逆的影響，如測量精度降低，需重新校準(zhǔn)，老化加快甚至損壞等。同時(shí)，運(yùn)輸儲(chǔ)存的環(huán)境最低溫度取值應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目儲(chǔ)運(yùn)條件確定。盡量選用符合GB/T 25480—2010《儀器儀表運(yùn)輸、儲(chǔ)存基本環(huán)境條件及試驗(yàn)方法》的儀表，并注意最低運(yùn)輸儲(chǔ)存環(huán)境溫度等級。

大部分的儀表儲(chǔ)存最低溫度等同于操作時(shí)的耐低溫水平，然而部分儀表，如pH計(jì)等分析儀表，不適合長期在低溫環(huán)境儲(chǔ)存。現(xiàn)場儀表到貨后需越冬安裝、試車的，需要注意儲(chǔ)存溫度。尤其是室內(nèi)安裝儀表，往往沒有選用耐低溫型儀表，即使現(xiàn)場已經(jīng)安裝，越冬時(shí)，也應(yīng)做好臨時(shí)保溫措施。

3 耐寒電纜選用

在極寒地區(qū)，普通電纜容易出現(xiàn)電纜護(hù)套開裂、脆化甚至斷裂等情況，給裝置的運(yùn)行帶來較大的安全隱患。實(shí)際工程實(shí)踐中，應(yīng)選用耐寒電纜。耐寒電纜的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范較少，GB/T 2951.14—2008(IEC60811-1-4： 2004)中規(guī)定了電纜的耐低溫試驗(yàn)方法[12]。其主要驗(yàn)證了電纜絕緣和護(hù)套材料在低溫條件下的機(jī)械強(qiáng)度，如絕緣低溫卷繞試驗(yàn)、絕緣低溫拉伸試驗(yàn)、護(hù)套低溫拉升試驗(yàn)、聚氯乙烯結(jié)緣和護(hù)套的低溫沖擊試驗(yàn)等。

需要注意的是，該標(biāo)準(zhǔn)針對的只是電纜絕緣和護(hù)套材料的試驗(yàn)，并沒有規(guī)定溫度標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)溫度是按照電纜產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行的。選用電纜時(shí)，通常電纜廠家會(huì)標(biāo)注電纜的最低操作溫度和安裝溫度。一般來說，最低操作溫度會(huì)低于安裝溫度，除此以外，需要著重關(guān)注試驗(yàn)溫度，如IEC 60811(-50 ℃)，表示該電纜在-50 ℃溫度條件下，通過IEC 60811： 2004低溫試驗(yàn)。主流耐寒電纜的外護(hù)套一般采用極地級的聚氯乙烯(PVC)護(hù)套，交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣材料。設(shè)計(jì)電纜橋架時(shí)，應(yīng)注意最小彎曲半徑，條件允許時(shí)，考慮適當(dāng)放大電纜轉(zhuǎn)彎半徑。一般來說，推薦允許的彎曲半徑： 非鎧裝的電纜不小于電纜外徑的6倍，鎧裝電纜不小于電纜外徑的12倍。橋架設(shè)計(jì)還應(yīng)充分考慮熱脹冷縮造成的影響，橋架蓋板宜選用帶斜坡的蓋板，防止冰雪堆積。

另外，在極端環(huán)境的重要場合，對電纜進(jìn)行低溫檢測目前也是研究的方向之一，如利用光纖光柵溫度傳感器，在高寒低溫區(qū)等區(qū)域?qū)﹄娎|及周圍環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程采集，增強(qiáng)了電纜運(yùn)行系統(tǒng)的安全性、可靠性和可控性，為將來應(yīng)對更為苛刻環(huán)境下的儀表電纜設(shè)計(jì)提供思路。

4 儀表設(shè)備防護(hù)

在極寒情況下，工藝管道通常也有保溫伴熱措施，常采用熱水伴熱或電伴熱。直接安裝在管道上的遠(yuǎn)傳儀表如采用不帶顯示的表頭，也可與管道一起做保溫伴熱[13]。但考慮到工藝管道的保溫伴熱指標(biāo)與儀表的并不相同，同時(shí)為了便于儀表的調(diào)試操作，建議對儀表表頭采用單獨(dú)的保溫伴熱方案。以帶表頭的電磁流量計(jì)為例，本身沒有儀表管線，只是流量計(jì)本身耐低溫性能達(dá)不到最低環(huán)境設(shè)計(jì)溫度。對于這種情況，與管道連接部分，可隨管道一起保溫伴熱，表頭部分單獨(dú)保溫。

在極寒地區(qū)，當(dāng)對儀表本體或者測量管路采取保溫伴熱措施時(shí)，建議優(yōu)先采用電伴熱方案，尤其對于儀表布置相對分散的情況。因?yàn)樵谡麄€(gè)生產(chǎn)周期中，極寒地區(qū)的溫度變化往往較大，而熱水伴熱和蒸汽伴熱方式溫度調(diào)節(jié)性能相對較差，操作不便，且管路輸送耗散熱量較大。同時(shí)，考慮到嚴(yán)酷的戶外環(huán)境，從維護(hù)便利性角度出發(fā)，也應(yīng)優(yōu)先選用電伴熱方案。所以，相較而言，電伴熱方案配置更加靈活方便，溫度可調(diào)性能好，利于監(jiān)視，經(jīng)濟(jì)性也較好[14-16]。儀表電伴熱典型安裝方式如圖1所示。

圖1 儀表電伴熱典型安裝示意

圖1中，保溫箱可以采用阻燃防靜電防震高密度玻璃纖維增強(qiáng)聚酯(GRP)材料制成，也可以采用柔性加熱護(hù)套。保溫箱或柔性加熱護(hù)套內(nèi)設(shè)有帶溫度控制器的電加熱器。設(shè)定溫度可設(shè)為20 ℃，有些情況下，為了節(jié)能考慮，滿足儀表耐溫條件的同時(shí)，可設(shè)為10 ℃。電伴熱應(yīng)具有溫度報(bào)警和故障報(bào)警功能，尤其在重要回路中的儀表，其電加熱控制器的報(bào)警信號(hào)可接入控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。該方面目前暫無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可供參照，實(shí)踐中，建議把安全儀表系統(tǒng)和計(jì)量系統(tǒng)的儀表的電加熱器報(bào)警信號(hào)在中心控制室集中監(jiān)視，儀表電伴熱的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 儀表電伴熱結(jié)構(gòu)示意

5 結(jié)束語

極寒地區(qū)對儀表系統(tǒng)的影響涉及到儀表的方方面面，從設(shè)計(jì)、采購、施工貫穿整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)周期。所以，首先在設(shè)計(jì)過程中，就應(yīng)該充分考慮極端環(huán)境低溫對儀表可能帶來的影響。從本質(zhì)安全角度出發(fā)，從儀表測量原理、安裝位置、本身耐候性、材料選擇等角度綜合考慮，盡量選用無需伴熱儀表。對于工藝條件需要以及目前技術(shù)所限，不可避免地選用不滿足環(huán)境低溫技術(shù)要求的儀表時(shí)，應(yīng)采用合理的保溫伴熱方案，同時(shí)兼顧一定的經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性。相信隨著市場需要和技術(shù)進(jìn)步，將來會(huì)有更多的儀表能夠直接應(yīng)用于各類嚴(yán)酷環(huán)境條件。