Shafer氣液聯(lián)動執(zhí)行機構誤動作分析與防治對策

王志輝等

摘 要：該文通過介紹Shafer氣液聯(lián)動執(zhí)行機構組成和開關功能，分析造成誤動作原因，探討減少或降低誤動作幾率對策，并結合工作實際提出解決建議。

關鍵詞：Shafer氣液聯(lián)動執(zhí)行機構 誤動作 分析與解決 對策

中圖分類號：TE973 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）01（c）-0077-02

隨著西氣東輸、川氣東送、陜京線和漠大線等大口徑、長距離輸油氣管線建成投入運營，我國油氣管道事業(yè)進入快速發(fā)展時期。但是在管道運行過程中，由于各種原因發(fā)生如油氣泄露、燃燒或爆炸等突發(fā)事故時，需對事故點上下游線路截斷閥緊急關斷。Shafer氣液聯(lián)動執(zhí)行機構以高壓天然氣或手泵作為動力源，無需外加機械或電力設備，事故率低，經(jīng)濟性好，因此被廣泛應用。

但在實際應用過程中，受到外界環(huán)境和設備自身一些因素影響，氣液聯(lián)動執(zhí)行機構會出現(xiàn)誤動作現(xiàn)象，造成輸送介質局部停輸，給管線安全平穩(wěn)運行產(chǎn)生負面影響。該文將以冀寧線為例針對Shafer氣液聯(lián)動執(zhí)行機構誤關斷現(xiàn)象進行分析，重點對LineGuard電控單元深入探討，并提出相應的解決對策。

1 Shafer氣液聯(lián)動執(zhí)行機構簡介

1.1 主要組成

Shafer氣液聯(lián)動執(zhí)行機構主要由提升閥氣路控制塊、手動泵裝置、執(zhí)行器、儲液罐、備用氣源罐、限位開關、LineGuard控制箱等部分組成。

1.2 開、關功能介紹

正常情況下，無論是場站、RTU閥室或普通閥室，Shafer氣液聯(lián)動執(zhí)行機構均可實現(xiàn)就地手動液壓、手動氣動開關和滿足一定條件時自動關閉功能。另外，場站和RTU閥室Shafer氣液聯(lián)動執(zhí)行機構還具備遠程操作開關功能。

LineGuard2200電控箱主要包括控制主板、壓力傳感器、電磁閥、電池組4個部分。主要功能是采集在線介質壓力，并與設定值進行比較，當檢測壓力值超出設定值時（壓力低限、高限和壓降速率），電控箱發(fā)出關閥命令，Shafer氣液聯(lián)動執(zhí)行機構將會自動關閉。

2 Shafer氣液聯(lián)動執(zhí)行機構誤關斷原因分析

根據(jù)上述關閥條件可知，誤動作關閥原因有以下5種可能。

2.1 控制主板故障

控制主板出現(xiàn)軟件或硬件故障后發(fā)出錯誤信號，造成執(zhí)行機構誤關斷。

2.2 壓力變送器故障

壓力變送器出現(xiàn)故障主要由以下幾種原因引起：（1）壓力變送器取壓口（引壓管路）發(fā)生泄漏或者內部堵塞導致采樣壓力低于干線壓力，從而采集到錯誤的壓力值；（2）壓力變送器抗干擾能力不夠強，變送器本身受到外界干擾導致變送器輸出信號與實測壓力值不一致；（3）壓力變送器本身故障導致其輸出信號不穩(wěn)定。

2.3 關閥電磁閥內漏

電磁閥內出現(xiàn)水、氣體雜質導致內漏，達到一定壓力的泄漏氣體將導致與執(zhí)行關閥命令一致的關閥動作。

2.4 控制系統(tǒng)太陽能供電故障

LineGuard電控箱通過太陽能電池板供電，根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，蓄電池電壓應該保持在11 V以上。隨著服役時間變長，電控箱中備用蓄電池出現(xiàn)老化，蓄電能力下降。若遭遇陰雨天氣，太陽能電池板無法正常供電，當蓄電池輸出電壓低于11 V時可能引起閥門誤動作。

2.5 控制程序自身漏洞

考慮到壓力變送器工作原理和信號形式，在采集壓力信號的過程中可能會受到環(huán)境、設備、管線等的雷電、電磁、電壓等干擾。

Lineguard控制機構采用算法濾波的設計形式對以上干擾進行消除。當變送器采集到的壓力信號變化速率超過一定值時，程序將壓力信號鎖定，并根據(jù)程序邏輯發(fā)出關閥命令，執(zhí)行機構執(zhí)行關閥動作。這一設計是針對當變送器損壞或者雷電直接擊中閥室設備造成毀滅性事故時的有效措施。

但在實際使用過程中，因為設計上的缺陷，早期Lineguard 2200在投入使用時，壓力信號與控制主板的模擬量輸入模塊（AI模塊）間沒有效隔離或相關保護措施，從而導致當設備接地或者靜電屏蔽不到位時，壓力變送器受雷電感應電動勢干擾發(fā)出錯誤信號，電控單元根據(jù)正常程序運行而發(fā)生誤關閥動作。

3 故障診斷和成因排查方法

發(fā)生誤動作后，應該根據(jù)先易后難、先簡單后復雜的原則對故障成因進行排查，確認故障成因，然后采取相應措施消除安全隱患。故障診斷和成因排查步驟如下：

3.1 控制主板故障初步判斷

控制主板正常運行時會有不同的指示燈（例如正常運行時STATUS保持常綠 DTR燈常紅等）。根據(jù)指示燈的明滅狀態(tài)和顏色可以初步判斷控制主板的損壞與否。

3.2 壓力變送器信號故障檢查

首先，檢查引壓管路上各截止閥是否處于打開狀態(tài)。

其次，檢查壓力變送器引壓管接口是否有泄漏現(xiàn)象。引壓管接口泄漏檢測有三種方法：（1）使用可燃氣體檢測儀對接口附近可燃氣體濃度進行檢測，通過可燃氣體濃度判斷是否存在泄漏點；（2）將肥皂水噴到接口附近，觀察是否會出現(xiàn)氣泡；（3）通過身體感官判斷，天然氣中含有微量硫化物等雜質，可以通過嗅覺判斷是否存在泄漏，此外觸覺和聽覺也可以用于輔助判斷是否存在泄漏點。

還有，檢查引壓管是否有堵塞?？赏ㄟ^電腦連接查看檢測壓力數(shù)值，并與旁通管線壓力表進行比對。當確定壓力變送器采集的壓力為干線壓力后，可用FLUKE 744或者其它過程控制校準儀器檢查壓力變送器輸出信號，同時也能判定壓力變送器的好壞。

3.3 太陽能電池板供電故障排查

測量蓄電池輸出電壓，若輸出電壓低于11 V，則誤關閥原因可能為蓄電池輸出電壓問題。此外，若電壓測量正常，可以進一步使用Roclink專業(yè)軟件查看電壓歷史記錄。該控制系統(tǒng)設置有專用數(shù)據(jù)存儲裝置，但電壓歷史數(shù)據(jù)只能保存某一時間段（35 d）的歷史數(shù)據(jù)，所以故障診斷最好在誤關斷幾小時或者幾天內完成。endprint

3.4 電磁閥泄露故障排查

電磁閥固定在控制箱內部，不便于拆卸，它的功能狀態(tài)可通過閥門動作事件記錄來判斷。若反復出現(xiàn)誤動作，且無其它外部原因則電磁閥泄露的可能性較大，同時可根據(jù)后續(xù)監(jiān)控確認故障成因。

3.5 控制主板故障排查

在基本排除外圍設備導致閥門誤關斷的可能性時，可以對控制主板進行進一步排查。根據(jù)Roclink軟件與ROC控制系統(tǒng)的連接情況可以判斷主板程序是否丟失、主板有無損壞等。

3.6 控制程序漏洞導致誤關斷診斷

這一故障原因的診斷需要結合執(zhí)行機構所在地的天氣情況。若同時符合以下幾點則可判定為程序漏洞引起：首先，用Roclink軟件連接ROC控制系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)壓力值已經(jīng)鎖定，同時出現(xiàn)Ponit Failure報警；其次，壓降速率處于一個極大的固定值且伴隨有高壓報警（Minor High）、高壓大事件報警（Major high）和壓降速率報警（Rate Alarm）；第三，事故出現(xiàn)時，執(zhí)行機構所處位置發(fā)生雷雨天氣；第四，壓力信號被保護措施自鎖后，控制系統(tǒng)未進行斷電重啟。

4 故障實例分析

2013年8月10日凌晨3時許，冀寧線某天然氣分輸場站值班人員突然發(fā)現(xiàn)進站壓力呈明顯下降趨勢，經(jīng)確認該場站所處管線上游閥室Shafer氣液聯(lián)動閥處于關斷狀態(tài)。

技術人員到達現(xiàn)場后根據(jù)上述步驟對該Shafer氣液聯(lián)動閥的關斷進行了診斷分析。在排除該閥室附近管線并無異常泄漏問題后，判斷此次Shafer氣液聯(lián)動閥的關斷為誤關斷。按以上步驟進行故障排查：首先，目測主板運行基本正常；其次，測量電池電壓為13 V，處于正常范圍；然后，觀察引壓管路無泄漏現(xiàn)象，且測試壓力變送器運行正常。

經(jīng)Roclink軟件連接ROC控制系統(tǒng)后找到Lineguard報警記錄（如圖1）與上文分析一致；另外，事發(fā)當時該閥室附近正是雷雨天氣。遂得出結論：該閥室是由雷電天氣引起的感應電動勢使程序判斷失誤造成Shafer氣液聯(lián)動閥誤關斷。

5 故障處置措施和預防方法

5.1 處置措施

找到執(zhí)行機構誤關斷的原因后，可以根據(jù)相應故障成因采取以下處置措施：（1）主板軟硬件故障：硬件故障直接更換主板，軟件故障可以重新上載控制程序；（2）變送器誤導信號：如果變送器已經(jīng)損壞則需要更換變送器，其它原因重啟控制系統(tǒng)即可恢復；（3）供電故障：若查看電壓歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)供電電壓不足，需要及時更換蓄電池；（4）關閥電磁閥故障：此時可將該電磁閥拆卸后進行維護和吹掃，確保閥內無水和雜質；（5）控制程序漏洞：重啟控制系統(tǒng)即可恢復。

5.2 預防辦法

為避免誤動作情況出現(xiàn)，可采取以下預防辦法：（1）定期對電磁閥進行檢查維護，及時排污；（2）傳感器檢定完畢后及時打開截止閥，并定期對引壓管接頭進行泄露檢查；（3）在檢定過程中，要對壓力傳感器接線進行仔細檢查，避免出現(xiàn)虛接情況，在日常維護中也應注意檢查接線箱內接線情況；（4）經(jīng)常監(jiān)控和測量蓄電池的輸出電壓，當蓄電池蓄電能力下降供電電壓不足時及時更換蓄電池；

對于控制程序漏洞造成的誤關斷可以從以下四方面進行預防和解決：

一是安裝相應補丁程序

LineGuard2200控制主板在對雷電干擾下異常電壓和電流信號無法識別和篩選。針對這兩種漏洞，廠家專門制作相應補丁程序：壓力檢測補丁程序對于采集壓力信號一旦超出設定限值，補丁程序將使傳感器重新上電，并穩(wěn)定5s后再對壓力進行檢測，或重新熱啟動以保證壓力傳感器恢復到正常工作狀態(tài)。

電源異常補丁程序用于檢測控制器電源電壓，若電源電壓低于壓力傳感器最低正常工作電壓，且系統(tǒng)為處于自動關斷狀態(tài)，補丁程序將使自動關斷功能失效，直至電源恢復正常；若處于自動關斷狀態(tài)，補丁程序將待自動關斷動作完成后，使自動關斷功能失效，直至電源恢復正常。

二是加強雷電防護措施

目前，閥室防雷防靜電接地基本可以避免直接雷擊情況出現(xiàn)，但是對感應雷如靜電感應和電磁脈沖輻射無法完全避免。

假如無法查明所有接地情況，建議對整個閥室進行屏蔽保護，如增設帶門開口的屏蔽籠，在室內沿墻壁四周再做一圈保護接地環(huán)（接入防雷地），接地環(huán)與屏蔽籠進行有效的電氣連接。

此外，應對閥室防雷防靜電接地、引壓管絕緣接頭和電控箱接地進行全面細致檢測。在無法驗證閥室內其它外加裝置接地對閥室接地干擾情況前，建議對后期增設裝置接地進行單獨安裝，如將普通閥室閥位遠傳裝置接地改為單獨接地。

三是增加浪涌保護器和過流保護元件

早期安裝的LineGuard2200電控箱中，壓力傳感器信號輸入通道與控制單元的AI模塊通道間未安裝防浪涌和電路過流保護裝置。建議在傳感器線路中增設30VDC以下防浪涌保護器和20 mA以下電路過流保護元件（如PTC自恢復保險絲）。當雷電產(chǎn)生干擾時，防浪涌保護器能夠將高于30VDC電壓過濾隔離，保護傳感器電壓正常；而當感應產(chǎn)生大于20 mA電流時，將使電路過流保護元件熔斷，感應電動勢干擾信號將不會輸入到主板。在電流值恢復正常后，電路過流保護元件將自行恢復，確保主板能正常采集到壓力信號。

四是取消高壓關斷機制和適當延長延時時間

考慮到管道超壓可能性極小，建議根據(jù)現(xiàn)場應用工藝，有選擇性禁用電控單元高壓關斷功能，在保障生產(chǎn)安全前提下適當延長延時時間，進一步降低誤關斷幾率。

6 結語

Shafer氣液聯(lián)動執(zhí)行機構出現(xiàn)誤動作現(xiàn)象除電磁閥、引壓管路、壓力傳感器和控制主板等硬件原因外，還有蓄電池電壓、雷電干擾和防雷防靜電接地、電控單元自身漏洞等因素。因此，在日常工作中，除需要定期對Shafer氣液聯(lián)動執(zhí)行機構維護保養(yǎng)外，還應增設防浪涌和電路過流保護裝置，并對電控單元漏洞進行彌補，全力避免誤關斷事件出現(xiàn)。

參考文獻

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