電液聯(lián)動閥門儀表自控系統(tǒng)絕緣隔離改造技術(shù)探討

上海天然氣管網(wǎng)有限公司 黃霄霆

長輸油氣管道輸送線路根據(jù)地區(qū)等級不同每隔8～32 km設(shè)置一處截斷閥門。閥門選型一般優(yōu)先考慮具備遠程操控的電動閥門，確保一旦出現(xiàn)事故時，可對閥門緊急進行遠程關(guān)閉，盡可能降低事故發(fā)生產(chǎn)生的后果。我公司長輸管線閥室主閥大多選用德國舒克的電液聯(lián)動閥門。該閥門結(jié)構(gòu)簡單，通過電系統(tǒng)(380 V強電，24 V弱電信號)控制啟閉，操作方便。但多數(shù)電動閥門兩端管道未安裝絕緣接頭，并且閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計未考慮與儀表電系統(tǒng)之間的絕緣隔離，就造成管道通過電動機外殼、溫度變送器和壓力變送器等部位可以直接與防雷/安全/靜電接地相連，導致管道上的陰極保護電流在接地連接處流失。尤其是在地鐵雜散電流干擾區(qū)域，土壤中直流電流可自由通過電系統(tǒng)中接地連接進出管道，加大管中電流，增加管道被腐蝕的風險。

為了解決陰極保護系統(tǒng)和電系統(tǒng)無絕緣導致陰極保護電流流失、雜散電流自由進出管道的現(xiàn)狀，本文采取陰極保護系統(tǒng)和電系統(tǒng)分離的思路，將管道和電系統(tǒng)通過絕緣裝置隔離，提高管道陰極保護效果，杜絕雜散電流通過電系統(tǒng)中接地連接流入流出管道。

1 電連通原因分析

電動閥門自控系統(tǒng)由溫度變送器、壓力變送器、電動執(zhí)行機構(gòu)組成，見圖1。溫度變送器與壓力變送器由24 V供電系統(tǒng)供電，電動機由380 V供電系統(tǒng)供電，為滿足防雷接地、安全接地和靜電接地要求，溫度變送器、壓力變送器、電動機外殼一端均需要與接地連通以確保安全，見圖2。同時溫度變送器另一端通過測溫隔爆管金屬外殼與閥門本體電連通，壓力變送器另一端通過引壓管與閥門本體電連通，電動機另一端通過液壓管和電動機金屬外殼均可與閥門本體電連通，正是由于電動閥門這種無絕緣的結(jié)構(gòu)設(shè)計，致使管道系統(tǒng)和接地系統(tǒng)連通在一起，陰極保護系統(tǒng)和電系統(tǒng)無絕緣隔離，影響管道陰極保護效果，為雜散電流的流入/流出提供順暢的通道。

圖1 電動閥門儀表自控系統(tǒng)

圖2 閥室接地設(shè)計

2 改造技術(shù)方案分析

2.1 鋅包鋼單獨接地法

鋅包鋼單獨接地法，原理是斷開管道系統(tǒng)與原接地極的連接，為管道系統(tǒng)重新安裝鋅包鋼接地極，如圖3所示。接地電阻小于4 Ω，與原接地極相比，鋅包鋼接地自然電位更負，接地電阻更大，很大程度上減少了陰極保護電流的流失和雜散電流流入/流出的大小，但缺點是并不能從本質(zhì)上完全杜絕直流電通過接地造成的漏電現(xiàn)象，仍然存在陰極保護電流流失和雜散電流流入/流出管道的情況。

圖3 鋅包鋼單獨接地法原理

2.2 固態(tài)去耦合器法

固態(tài)去耦合器從結(jié)構(gòu)上簡單描述是電容、二極管和浪涌保護器的并聯(lián)電路模型，如圖4所示。固態(tài)去耦合器法原理是在管道系統(tǒng)和接地系統(tǒng)之間串聯(lián)固態(tài)去耦合器，如圖5所示。電壓閾值選擇＋1/－3 V，既保證故障、雷電等交流電流可以通過電容與接地直接導通，又能使管道和接地的直流電壓差在＋1～－3 V閾值范圍內(nèi)電隔離。

圖4 固態(tài)去耦合器結(jié)構(gòu)

圖5 固態(tài)去耦合器法原理

表1和表2分別為采用固態(tài)去耦合器改造前后，管地電位、接地極電位和接地極電流的測量值。從管地電位變化分析，改造后，白天雜散電流干擾時，最大值更大，最小值更小。這是由于管道和接地極安裝固態(tài)去耦合器，電壓閾值內(nèi)管道系統(tǒng)和接地系統(tǒng)絕緣隔離，管道失去了接地極的鉗制作用，波動幅度變大，但整體平均值變?。灰归g無干擾時，穩(wěn)定的管地電位從改造前的－0.85 V變?yōu)楦脑旌蟮模?.25 V，陰極保護效果提升。從接地極電位變化分析，改造后，白天干擾時，接地極電位仍有－0.4～－0.93 V的波動幅度，說明接地極仍受外界雜散電流干擾，未能與管道實現(xiàn)徹底電絕緣，但改造后夜間接地極電位與管地電位相差明顯，說明夜間無干擾時，固態(tài)去耦合器能使接地極與管道徹底實現(xiàn)電絕緣。從接地極電流變化分析，改造后，白天干擾時，電流流入/流出平均值均明顯減小。由于電壓負向閾值絕對值更大，流入平均值降低更為明顯，即接地極吸收陰極保護電流或雜散電流明顯降低，但無法徹底電絕緣；在夜間無干擾時，改造前接地極吸收陰極保護電流500 mA，但改造后接地極吸收陰極保護電流為0，同樣說明此時固態(tài)去耦合器能使接地極與管道徹底實現(xiàn)電絕緣。上述分析可知：白天雜散電流干擾超過固態(tài)去耦合器電壓閾值時，管道系統(tǒng)和接地極系統(tǒng)未能實現(xiàn)徹底電絕緣；夜間無干擾狀態(tài)下，電絕緣效果很好。

表1 固態(tài)去耦合器改造前后電位 V

表2 固態(tài)去耦合器改造前后電流 mA

2.3 絕緣隔離法

通過電連通原因分析可知，在溫度變送器，壓力變送器、液壓管、電動機金屬外殼與閥門連接處安裝絕緣接頭或絕緣面板，見圖6。由圖6可知，可以達到管道系統(tǒng)和電系統(tǒng)相互絕緣隔離的目的，電動閥門通過接地直流漏電情況可完全解決。

圖6 電動閥門

圖7和圖8分別為電動閥門改造前后管地電位和接地電位隨時間的變化圖。由圖7分析可知，絕緣隔離改造后，盡管管地電位波動幅度變大，但從實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，白天干擾狀態(tài)下，改造前管地電位的平均值為－1.185V，改造后管地電位平均值為－1.346V；夜間無干擾情況下，改造前管地電位平均值為－1.187V，改造后管地電位平均值為－1.365V，可見改造后陰極保護效果明顯改善；由圖8分析可知，改造后接地電位波動明顯降低，接地電位平穩(wěn)，說明管道系統(tǒng)與接地系統(tǒng)完全絕緣隔離，陰極保護系統(tǒng)與電系統(tǒng)已經(jīng)分離管理。

圖7 絕緣改造前后管地電位變化

圖8 絕緣改造前后接地電位變化

2.4 改造方案評價

自2017年起，陸續(xù)采用鋅包鋼單獨接地法、固態(tài)去耦合器法和絕緣隔離法對電動閥門直流漏電問題進行改造治理。經(jīng)過這些年的實踐應(yīng)用和比較，對上述改造方案效果評價總結(jié)如表3所示?？梢缘贸觯翰捎媒^緣隔離法能較徹底地將管道系統(tǒng)與接地系統(tǒng)進行絕緣隔離，杜絕陰極保護電流流失和雜散電流通過接地極流入/流出管道，日常只需簡單檢測，免維護，是最理想的電動閥門接地漏電改造方式。

表3 電動閥門直流漏電改造方案效果評價

3 絕緣隔離法改造施工流程

絕緣隔離法改造的施工流程，主要分為以下幾步：

(1) 為確保施工人員和設(shè)備安全，現(xiàn)場作業(yè)前，斷開電動閥門電源線。

(2) 壓力變送器引壓管加裝絕緣接頭和高壓卡套。關(guān)閉壓力變送器前端開關(guān)針閥，通過連接卡套放空引壓管內(nèi)氣體(管徑10 mm，極少量氣體)，拆卸引壓管，用進口轉(zhuǎn)動割刀對引壓管進行精確剪短后安裝絕緣接頭和高壓卡套接頭，最后安裝引壓管，完成壓力變送器引壓管端絕緣接頭安裝。

(3) 溫度變送器加裝絕緣接頭。溫度變送器下是管道隔離通道管，不存在氣體泄漏問題。擰出后，在溫變下側(cè)加裝絕緣接頭。

(4) 油壓管加裝絕緣接頭和高壓卡套。先進行泄壓，從泄油口放出液壓油，確保壓力釋放；同時拆卸整個執(zhí)行機構(gòu)的動力頭。用進口轉(zhuǎn)動割刀對油壓管進行精確剪短后加裝進油管絕緣接頭、進油管高壓卡套接頭，出油管絕緣接頭、出油管高壓卡套接頭。

(5) 電動機外殼和閥體間加裝絕緣。在外殼與閥體之間加裝絕緣板，金屬螺絲外殼加裝定制的絕緣螺絲套，金屬螺母與外殼之間加裝絕緣墊片，確保閥門本體與電動機外殼絕緣隔離。

上述改造步驟完成后，打開壓力變送器前端開關(guān)針閥，確保高壓卡套承壓合格、無漏氣；電動機補充液壓油，電動和手動測試油壓管高壓卡套承壓合格、無漏油。然后，24 h采集管道和接地電位，測試電動閥門絕緣改造效果。

在改造過程中，發(fā)現(xiàn)溫度變送器尚有2處可能與管道相通的部位，現(xiàn)場經(jīng)過分析，也都采取了相應(yīng)的解決辦法。一處是熱電阻外纏繞絕緣膠帶，以避免與其安裝的通道管內(nèi)壁接觸的可能；另一處是測溫模塊的元器件與金屬安裝底座之間增加兩片半圓形絕緣墊片。這樣基本保證了溫度變送器接地與管道閥門本體之間的絕緣隔離。

4 結(jié)語

多年的改造實踐證明，鋅包鋼單獨接地法和固態(tài)去耦合器法并不能完全杜絕陰極保護電流流失和直流雜散電流流入/流出管道，均有局限性；絕緣隔離法是最徹底、最有效的電動閥門直流漏電改造方法。絕緣隔離法改造后，雖然管道管地電位波動幅度增加，白天干擾情況下和夜間無干擾情況下的管道電位平均值均更負，但陰極保護效果好，改造是有效的。

當然，如果在新建管線時就能貫徹“絕緣隔離”的理念，新安裝的電動閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計上需具備絕緣隔離功能、埋地管線與閥門之間采用絕緣接頭等，可使今后管線運行期間陰極保護系統(tǒng)更好地發(fā)揮作用。