控制閥執(zhí)行機構(gòu)故障安全案例分析及確認(rèn)試驗

沙海勇

中石化第十建設(shè)有限公司 山東淄博 255438

1 概述

石油化工、煤化工生產(chǎn)的主要特點是生產(chǎn)工況高溫、高壓，原料和產(chǎn)品易燃易爆，控制過程復(fù)雜，穩(wěn)定性要求高，重要參數(shù)超限可能引發(fā)重大的安全生產(chǎn)事故，因此，化工裝置對于安全生產(chǎn)要求很高，設(shè)置有很多的保護方法，其中聯(lián)鎖保護系統(tǒng)是最主要的安全措施， 而執(zhí)行機構(gòu)是安全聯(lián)鎖保護系統(tǒng)的終端執(zhí)行部分，當(dāng)出現(xiàn)異常狀況時，要求其快速打開、關(guān)閉或者保位，以及通過氣動附件對儀表風(fēng)壓力的檢測， 進行預(yù)判迅速改變當(dāng)前危險狀態(tài)，轉(zhuǎn)換到安全工況,反之，將造成裝置的局部故障甚至裝置停車。因此這類控制閥在完成規(guī)定的檢查和調(diào)試項目外（按照規(guī)程要求控制閥執(zhí)行機構(gòu)的檢查和調(diào)試項目包括： 膜頭氣密性檢查、行程精度試驗、靈敏度試驗、行程時間試驗），為工況安全生產(chǎn)要求應(yīng)對突發(fā)狀況確保安全，需要進行故障安全試驗確認(rèn)。

故障安全確認(rèn)是指儀表系統(tǒng)出現(xiàn)故障時， 執(zhí)行機構(gòu)被置于預(yù)定安全位置的功能。對于執(zhí)行機構(gòu)而言，系統(tǒng)故障主要包括兩個方面：電源失效和氣源失效。電源失效是指用于兩位式執(zhí)行機構(gòu)控制用電磁閥失電狀態(tài)以及線路斷路等。 氣源失效則有儀表氣源突然中斷、 儀表氣源壓力低于設(shè)定值不能滿足執(zhí)行機構(gòu)對最低壓力的要求等情況。

故障安全位置包括了失氣-關(guān)閉、失氣-打開、失氣-鎖定三種狀態(tài)，任何一種位置都被認(rèn)為是保護工藝過程必需的。對雙氣缸氣動執(zhí)行機構(gòu)而言， 失效-安全作用方式需要采用連接到執(zhí)行機構(gòu)上的輔助部件實現(xiàn)。

2 案例分析

背景： 某煤化工氣化裝置， 氣化爐鎖斗系統(tǒng)中鎖渣閥的使用。

鎖渣閥情況：雙作用氣缸式鎖渣閥，附件有：雙電磁閥、單氣路轉(zhuǎn)換閥2臺、儲氣罐、單向閥，故障類型：FC。

氣源故障（失效）檢測：當(dāng)氣源壓力降至0.3～0.4MPaG（可設(shè)置）時，閥門在貯氣罐內(nèi)儀表風(fēng)壓力作用下閥門自動處于故障安全位置關(guān)閉狀態(tài)。

2.1 鎖斗系統(tǒng)組成及鎖渣閥

順控邏輯要求如圖1所示。

2.1.1 鎖斗系統(tǒng)組成

鎖 斗V-021308A、 鎖 斗 沖 洗 水 罐V-021309、 渣 池V-021310、鎖斗循環(huán)泵、上鎖渣閥KV-021308A（正常運行時，上鎖渣閥一直保持常開狀態(tài)）、中鎖渣閥KV-021309A、下鎖渣閥KV-021310A等鎖斗閥門以及其它附屬儀表。 渣池泵和撈渣機也是鎖渣系統(tǒng)的一部分而其操作與鎖渣邏輯無關(guān)。

2.1.2 鎖渣閥順控邏輯要求

為避免操作和控制失誤， 當(dāng)下鎖渣閥KV-021310A未關(guān)閉，中鎖渣閥KV-021309A不得打開。 中鎖渣閥KV-021309A打開前， 下鎖渣閥KV-021310A 必須關(guān)閉。 中鎖渣閥KV-021309A關(guān)閉后，下鎖渣閥KV-021310A才允許打開。 中鎖渣閥KV-021309A打開后，不允許沖洗閥KV-021313打開。

圖1 鎖斗系統(tǒng)組成及鎖渣閥順控邏輯要求

2.2 鎖渣閥氣路

控制原理如圖2所示

圖2 鎖渣閥氣路控制原理

執(zhí)行機構(gòu)電磁閥對故障安全要求是， 正常時處于勵磁（帶電）狀態(tài)，非正常時處于非勵磁（不帶電）狀態(tài)。 重要聯(lián)鎖電磁閥采用雙三通電磁閥方式，防止一個電磁閥故障出現(xiàn)拒動現(xiàn)象時，影響整體控制效果。 該鎖渣閥采用電磁閥冗余配置。

電磁閥D1和D2是冗余配置；D1、D2電磁閥驅(qū)動氣路轉(zhuǎn)換閥A工作，進而帶動氣缸工作。

氣路轉(zhuǎn)換閥B的F氣路必須接到氣罐單向閥前，其作用是檢測主氣路的氣源壓力是否低于過濾減壓閥C的設(shè)定壓力（也就是執(zhí)行機構(gòu)的最小儀表風(fēng)工作壓力）；如果當(dāng)主氣路的氣源壓力低于C的設(shè)定壓力時，儲氣罐氣源通過氣路轉(zhuǎn)換閥A進入氣缸，驅(qū)動活塞使閥門切換到故障安全位置，鎖渣閥關(guān)閉。

2.3 過程控制故障分析

根據(jù)雙作用氣缸式的特點： 閥門開關(guān)動作必須在一定的儀表風(fēng)壓力作用下才能執(zhí)行。氣化爐正常運行期間，上鎖渣閥一直保持常開狀態(tài)。假如沒有安裝氣源壓力檢測的附件氣路轉(zhuǎn)換閥，儀表風(fēng)此時出現(xiàn)故障， 儀表氣源壓力不能滿足控制閥最小工作壓力要求或儀表風(fēng)中斷，此時鎖斗程控繼續(xù)執(zhí)行，將消耗完儲罐的氣源。 當(dāng)鎖斗正處于收渣即KV-021309A閥門處于打開狀態(tài)，根據(jù)邏輯要求下鎖渣閥KV-021310A處于關(guān)閉位置，若此時鎖斗/激冷室差壓（PDIA-021309A） 低低發(fā)生需要關(guān)閉KV-021309A， 但此時儀表風(fēng)壓力不足以關(guān)閉閥門。 造成的后果：氣化爐一直在排渣會造成鎖斗設(shè)備及氣化爐堵塞。

通過氣動附件對儀表風(fēng)故障或失效的檢測，進行預(yù)判引導(dǎo)儲氣罐內(nèi)儲備儀表風(fēng)，使閥門切換至故障安全位置，改變當(dāng)前危險狀態(tài)。由此說明，氣源壓力檢測的重要性及進行故障安全試驗的必要性。

3 故障安全確認(rèn)試驗

3.1 電源故障試驗

工具設(shè)備：螺絲刀、萬用表。

電源故障指電磁閥供電線路出現(xiàn)短路、 斷路、 線路破損接地、隔離柵故障或供電功率小不能驅(qū)動電磁閥線圈勵磁，使電磁閥失電或不能動作，確認(rèn)控制閥應(yīng)位于預(yù)定的故障安全位置。斷路、 短路的判定可通過在控制系統(tǒng)側(cè)對能否測量到電磁閥正確的線圈阻抗進行判斷， 試驗方法是模擬回路故障， 讓電磁閥失電。 如；掰開回路保險、拆除現(xiàn)場側(cè)線路。

注意：恢復(fù)時應(yīng)通過控制系統(tǒng)操作界面將該閥置于“ OFF”,在電磁閥失電狀態(tài)下恢復(fù)線路，避免帶電恢復(fù)。確保線路在恢復(fù)及恢復(fù)后無斷路、短路、接地。

3.2 氣源故障試驗

工具設(shè)備；Φ8或Φ10的鋼管（根據(jù)控制閥執(zhí)行機構(gòu)使用鋼管的型號、 規(guī)格選擇）， 與之配套的終端接頭2個， 三通接頭1個，壓力表接頭1個、定值器一個、精密壓力表一臺、扳手兩把。

圖3 氣源故障試驗

如圖3所示，采用兩個單氣路轉(zhuǎn)換閥A和B和雙電磁閥A和B控制雙作用開關(guān)閥，氣路中配備有單向閥和儲氣罐，同時設(shè)置一個單氣路轉(zhuǎn)換閥用于檢測主氣路的氣源壓力， 儲氣罐用于氣源故障時的備用氣源。 從電動控制原理分析， 電磁閥A和B控制原理與單作用開關(guān)閥相同；從氣源故障角度上說，氣控閥A的壓力檢測端連接到氣罐單向閥前， 當(dāng)主氣路的氣源壓力低于設(shè)定壓力時，儲氣罐氣源通過氣路轉(zhuǎn)換閥A進入氣缸，驅(qū)動活塞使閥門切換到故障安全位置。

在進行檢查調(diào)試工作前， 以圖3所示完成氣路中試驗裝置的連接（紅色部分）和電路連接。

氣源故障檢測是通過執(zhí)行機構(gòu)上氣動附件氣路轉(zhuǎn)換閥完成的，多用于雙作用執(zhí)行機構(gòu)中。 試驗時，將開關(guān)閥置于與設(shè)計文件規(guī)定的故障安全位置相反的閥位， 在氣源入口安裝一臺定值器和一塊精密壓力表，調(diào)整氣源入口的定值器，首先將定值器的出口調(diào)至最大（等于系統(tǒng)總管壓力），然后緩慢調(diào)整定值器，使氣源壓力緩慢降低，觀察壓力表的變化直到氣路轉(zhuǎn)換閥動作，執(zhí)行機構(gòu)從現(xiàn)在位置動作至故障安全位置， 記錄執(zhí)行機開始動作時的壓力值，并記錄執(zhí)行機構(gòu)全行程時間，看是否符合設(shè)計要求。雙作用執(zhí)行機構(gòu)配置儲氣罐時， 應(yīng)檢查儲氣罐入口單向閥已打開，罐內(nèi)儀表風(fēng)充滿已進入執(zhí)行機構(gòu)。再緩慢調(diào)整定值器提高氣源壓力，直到調(diào)節(jié)閥從當(dāng)前位置又恢復(fù)到故障前位置，記錄恢復(fù)值，核對確認(rèn)試驗數(shù)據(jù)是否符合設(shè)計要求，若不符合則對氣路轉(zhuǎn)換閥調(diào)整， 直到滿足要求， 試驗結(jié)束將定值器與精密壓力表拆除，恢復(fù)原有管路，并做氣密檢查。

注意：對于重要的執(zhí)行機構(gòu)來說，開關(guān)時間是衡量其性能的主要參數(shù)，正常狀態(tài)下的開關(guān)時間測試，已在常規(guī)試驗中進行。在進行氣源故障安全確認(rèn)試驗時， 執(zhí)行機構(gòu)切換到安全位置所需時間同樣通過秒表測量， 測試結(jié)果與儀表規(guī)格書中規(guī)定的動作時間比對，應(yīng)符合設(shè)計對全行程開關(guān)時間的要求。如不符合要求可通過氣動放大器、快速釋放閥（快排閥）等氣動附件調(diào)整。

4 結(jié)束語

隨著石油化工生產(chǎn)工藝要求的提高，對氣動執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)節(jié)品質(zhì)和安全要求也在不斷變化， 本文僅僅是對其中故障安全試驗進行分析，還有多種組合方式實現(xiàn)著各種不同的功能。在檢查調(diào)試工作進行前，需要深入理解調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)配置的要求、實現(xiàn)的手段和最終目的，并以此作為檢查調(diào)試的依據(jù)，從而制定嚴(yán)謹(jǐn)合理的校驗方法，確保設(shè)備功能的完整性和動作的可靠性。