罐根緊急切斷閥液壓系統(tǒng)的研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 亮 李 京 趙得強(qiáng) 解恒達(dá) 郭 峰

（龍口濱港液體化工碼頭有限公司，山東 龍口 265700）

0 引言

緊急切斷閥能使正在運(yùn)行的管路快速切斷，并且脫離后的兩部分相互獨(dú)立封閉，它一般設(shè)置在罐根閥和操作閥之間，一旦作業(yè)區(qū)域內(nèi)有事故發(fā)生，緊急切斷閥能迅速切斷油液或危險(xiǎn)化學(xué)氣體、液體，保障儲(chǔ)罐裝卸過(guò)程中的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大，減少事故損失，從而保障人員生命及財(cái)產(chǎn)安全。目前國(guó)家對(duì)儲(chǔ)罐緊急切斷設(shè)置提出了更高標(biāo)準(zhǔn)，可查到的文獻(xiàn)主要內(nèi)容概括如下：指出緊急切斷閥安裝位置存在的問(wèn)題；緊急切斷閥驅(qū)動(dòng)方式如何選擇；液壓回路元件選型；緊急切斷功能如何實(shí)現(xiàn)；氣動(dòng)、電動(dòng)和電液三種驅(qū)動(dòng)方式如何選擇?？梢?jiàn)有關(guān)電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的液壓回路幾乎沒(méi)有深入研究。國(guó)產(chǎn)的電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)在科技性、可靠性、獨(dú)立性和安全性能等方面與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品存在著差距，導(dǎo)致了國(guó)內(nèi)大量中高端電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)市場(chǎng)被國(guó)外品牌占領(lǐng) ，目前國(guó)內(nèi)制造商一般主要致力于電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的集成化，液壓回路停留在原有水平，沒(méi)有新的突破。該文針對(duì)以上問(wèn)題，分析了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的緊急切斷閥液壓回路的基本原理，提出各自存在的問(wèn)題，并對(duì)電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓回路分析

目前，電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電控部分和液壓部分，主要分兩種，一種是單作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一種是雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要是根據(jù)油缸類(lèi)型確定的。單作用油缸電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有全開(kāi)、全關(guān)兩種安全狀態(tài)，失去強(qiáng)電情況出現(xiàn)時(shí)，壓縮彈簧會(huì)驅(qū)動(dòng)活塞桿將閥門(mén)保持在安全位置，達(dá)到緊急切斷的目的，這與安全相關(guān)。雙作用油缸電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在失去強(qiáng)電情況下，閥門(mén)一般常處于位置保持狀態(tài)，經(jīng)人員確認(rèn)后再執(zhí)行下一指令，這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常用于過(guò)程操作，無(wú)關(guān)安全。

1.1 電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊工作原理

電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式，可對(duì)各種干擾和非線(xiàn)性因素進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)校正，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制模塊系統(tǒng)接收到中控室發(fā)出的指令時(shí)，動(dòng)力源會(huì)啟動(dòng)，并迅速升高至所需油壓，液壓油在動(dòng)力源和驅(qū)動(dòng)模塊的作用下，促使執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速響應(yīng)動(dòng)作，一側(cè)的油壓轉(zhuǎn)成機(jī)械能，另一側(cè)油壓則通過(guò)液壓節(jié)流閥、截止閥等快速泄放至油箱。與此同時(shí)，電氣控制模塊收到反饋信號(hào)，電氣控制模塊系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行校正，當(dāng)輸入與反饋信號(hào)波形一致時(shí)，動(dòng)力源停止工作，油缸活塞桿位置不變。電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有功能齊全、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、輸出力大、反應(yīng)速度快、使用壽命長(zhǎng)、快速啟動(dòng)、制動(dòng)和換向及過(guò)載保護(hù)等特點(diǎn)。單作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本原理如圖1 所示。

控制方式分為手動(dòng)操作按鈕控制和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制兩種，可隨時(shí)切換；當(dāng)機(jī)電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)失電或故障時(shí)，閥門(mén)有快速切斷及自鎖保位功能。操作方式主要有三種，分別為手動(dòng)模式、電動(dòng)模式和緊急模式。

1.2 電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓回路工作原理

單作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓回路工作原理如圖2 所示，具體工作原理如下。

圖1 單作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本原理

電動(dòng)模式：按住面板上的開(kāi)啟按鈕，電動(dòng)液壓泵開(kāi)始動(dòng)作，油箱中的液壓油經(jīng)電動(dòng)液壓泵和單向閥進(jìn)入單作用油缸，活塞在油壓的作用下產(chǎn)生推力，壓縮油缸內(nèi)的彈簧，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的快速開(kāi)啟。當(dāng)需要停止時(shí)，松開(kāi)開(kāi)啟按鈕，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的保位狀態(tài)。復(fù)位時(shí)，按住面板上的關(guān)閉按鈕，二位兩通電磁閥打開(kāi)，油缸內(nèi)的液壓油在彈簧力的作用下開(kāi)始泄壓，液壓油經(jīng)二位兩通電磁閥流入油箱，根據(jù)操作者的需求，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的保位或關(guān)閉。

手動(dòng)模式：需要手動(dòng)開(kāi)啟閥門(mén)時(shí)，先確保截止閥處于關(guān)閉狀態(tài)，操作手動(dòng)液壓泵，手動(dòng)液壓泵自帶單向閥，活塞桿滑動(dòng)到所需位置后停止操作手動(dòng)液壓泵即可；需要關(guān)閉閥門(mén)或者減少閥門(mén)開(kāi)度時(shí)，仍然手動(dòng)打開(kāi)截止閥，油缸內(nèi)的活塞桿在彈簧作用下使油缸卸荷，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)保位或者關(guān)閉。

圖2 單作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓回路原理圖

緊急模式：當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生火災(zāi)并且防火罩內(nèi)溫度達(dá)到防火自泄閥所設(shè)定的溫度時(shí)，防火自泄閥開(kāi)啟，油缸內(nèi)的液壓油在彈簧力的作用下快速泄壓，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)緊急切斷，無(wú)需人為進(jìn)行控制；復(fù)位時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，選擇手動(dòng)模式或者電動(dòng)模式進(jìn)行復(fù)位。

存在的問(wèn)題：

（1）由于罐根閥一般都是常開(kāi)的，油缸內(nèi)液壓油一直處于有壓狀態(tài)，導(dǎo)致彈簧一直處于被壓縮狀態(tài)。彈簧隨著時(shí)間增長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)衰減，從而使緊急切斷效果減弱甚至失效。

（2）當(dāng)管道正處于輸送介質(zhì)過(guò)程中并且出現(xiàn)二位兩通電磁閥弱電異常斷電情況，閥門(mén)會(huì)瞬間切斷，管道內(nèi)部壓力會(huì)突升，可能導(dǎo)致碼頭輸油臂設(shè)備與油船由于壓力過(guò)大而脫離，從而出現(xiàn)介質(zhì)泄漏情況，存在安全隱患。此時(shí)，無(wú)論通過(guò)手動(dòng)模式還是電動(dòng)模式都無(wú)法將閥門(mén)打開(kāi)，因?yàn)樗械囊簤河途ㄟ^(guò)二位兩通電磁閥卸載到油箱內(nèi)，因此只能修復(fù)二位兩通電磁閥供電才能打開(kāi)閥門(mén)。

（3）二位兩通電磁閥和防火自泄閥長(zhǎng)時(shí)間處于常閉狀態(tài)，閥芯難免出現(xiàn)需要復(fù)位時(shí)而無(wú)法復(fù)位，從而失去快速切斷和緊急切斷的功能。

宮腔粘連是指子宮內(nèi)膜基底層受損，并修復(fù)困難，導(dǎo)致宮腔部分或全部粘連、閉塞，多發(fā)生于有宮腔操作手術(shù)患者中[1]，臨床表現(xiàn)為腹痛、月經(jīng)量少、閉經(jīng)、流產(chǎn)及不孕等。通過(guò)宮腔鏡下宮腔粘連分離術(shù)進(jìn)行治療，但是治療后容易病灶復(fù)發(fā)，再次形成粘連及閉塞，阻止復(fù)發(fā)是治療成敗的關(guān)鍵。雌激素、孕激素周期性的與子宮內(nèi)膜上的受體結(jié)合，而發(fā)揮其生物學(xué)效應(yīng)[2]。本研究分析不同程度的宮腔粘連患者子宮內(nèi)膜雌激素受體(ER)和受體孕激素(PR)的表達(dá)水平差異，以指導(dǎo)后期臨床用藥，現(xiàn)將結(jié)果總結(jié)如下。

（4）手動(dòng)模式和電動(dòng)模式互相切換時(shí)，必須關(guān)閉截止閥，若操作人員忘記關(guān)閉，無(wú)論啟動(dòng)電動(dòng)液壓泵還是手動(dòng)液壓泵，均無(wú)法使油缸動(dòng)作。

（5）快速頻繁換向會(huì)直接或間接地影響系統(tǒng)，造成管路接頭松動(dòng)，產(chǎn)生泄漏。

雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓回路中有液壓儲(chǔ)能元件蓄能器，用它代替了單作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的彈簧，回路中的蓄能器具有自動(dòng)沖壓功能，若蓄能器壓力不足12Mpa，電機(jī)會(huì)自動(dòng)對(duì)蓄能器進(jìn)行自動(dòng)充壓，此時(shí)需等待片刻直至充壓結(jié)束再進(jìn)行其他操作。雙作用故障型緊急切斷液壓回路原理圖，如圖3 所示，具體工作原理如下。

電動(dòng)模式：按住面板上的開(kāi)啟按鈕，二位三通電磁閥a通電激勵(lì)，閥芯移位，油箱中的液壓油經(jīng)開(kāi)啟單向閥、二位三通電磁閥a、應(yīng)急關(guān)閉電磁閥和液壓鎖流入雙作用油缸一端，使活塞向下移動(dòng)，同時(shí)油缸另外一端液壓油經(jīng)液壓鎖、二位三通電磁閥b 流入油箱，實(shí)現(xiàn)快速切斷，松開(kāi)按鈕實(shí)現(xiàn)保位；同理，按住關(guān)閉按鈕，二位三通電磁閥b 動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)快速打開(kāi)，松開(kāi)按鈕實(shí)現(xiàn)保位；無(wú)論閥門(mén)是在開(kāi)啟還是關(guān)閉過(guò)程中，均向蓄能器內(nèi)部充壓。

圖3 雙作用故障型緊急切斷液壓回路原理圖

手動(dòng)模式：手動(dòng)打開(kāi)二位三通電磁閥a，然后操縱手動(dòng)液壓泵，液壓油經(jīng)單向閥、二位三通電磁閥a、應(yīng)急應(yīng)急關(guān)閉電磁閥和液壓鎖進(jìn)入油缸，活塞向下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)切斷或保位；同理，手動(dòng)打開(kāi)二位三通電磁閥b，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)打開(kāi)或保位；無(wú)論閥門(mén)是在開(kāi)啟還是關(guān)閉過(guò)程中，也向蓄能器內(nèi)部充壓。

緊急模式：打開(kāi)閘閥c ，蓄能器中的液壓油經(jīng)閘閥c 和液壓鎖流入雙作用油缸，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)緊急切斷，同理，打開(kāi)閘閥a，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)緊急打開(kāi)；當(dāng)周?chē)l(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)急關(guān)閉電磁閥受熱自動(dòng)動(dòng)作，蓄能器中的液壓油經(jīng)應(yīng)急關(guān)閉電磁閥、液壓鎖流入油缸，實(shí)現(xiàn)故障型緊急切斷。

顯然，與單作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)相比，雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)將單作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在的問(wèn)題基本解決了，但仍然存在其他問(wèn)題。

（2）二位三通電磁閥a 和二位三通電磁閥b 出現(xiàn)一旦出現(xiàn)故障，電動(dòng)模式無(wú)法形成回路，活塞位置保存不變；

（3）應(yīng)急關(guān)閉電磁閥出現(xiàn)故障，只能通過(guò)蓄能器打開(kāi)或關(guān)閉閥門(mén)， 若連續(xù)操作，蓄能器能量不足，無(wú)法再次開(kāi)斷；

（4）液壓鎖與雙作用油缸之間一般通過(guò)高壓油管連接，由于管路長(zhǎng)時(shí)間受腐蝕環(huán)境和陽(yáng)光照射，難免出現(xiàn)滲漏甚至漲破，此時(shí)無(wú)論哪種模式均已失效；另外雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)也會(huì)因快速頻繁換向而直接或間接地影響系統(tǒng)，造成管路接頭松動(dòng)。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)及創(chuàng)新之處

雖然制造廠(chǎng)家一般可根據(jù)用戶(hù)需求在上述電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上增加相應(yīng)功能或者附件，例如在故障（斷強(qiáng)電、斷信號(hào)及火災(zāi)）或聯(lián)鎖（ESD）信號(hào)時(shí)實(shí)現(xiàn)閥門(mén)可靠運(yùn)行，但未從根本上提出更合理的電液回路。該文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際、多年設(shè)備管理出現(xiàn)的問(wèn)題，采用冗余設(shè)計(jì)方法對(duì)液壓回路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，原理圖如圖4 所示。

手動(dòng)模式：打開(kāi)手動(dòng)閥a，使閥芯右移，操縱手動(dòng)泵，液壓油流入油缸，閥門(mén)打開(kāi)；同理，手動(dòng)閥a 閥芯左移，閥門(mén)關(guān)閉；在閥門(mén)關(guān)閉和打開(kāi)過(guò)程中，部分液壓油也流入蓄能器。

電動(dòng)模式：打開(kāi)手動(dòng)閥b，使閥芯右移，液壓泵的液壓油經(jīng)其流入油缸，閥門(mén)快速關(guān)閉；同理，手動(dòng)閥b 閥芯左移，閥門(mén)快速開(kāi)啟；在閥門(mén)關(guān)閉和打開(kāi)過(guò)程中，部分液壓油也流入蓄能器。

緊急模式：當(dāng)意外情況出現(xiàn)而需人為緊急切斷時(shí)，手動(dòng)操作電磁閥a 和電磁閥b，蓄能器液壓油快速流經(jīng)電磁閥a，進(jìn)入油缸，活塞向下緊急移動(dòng)，同時(shí)，液壓油通過(guò)電磁閥b流入油箱，閥門(mén)實(shí)現(xiàn)故障型緊急切斷；當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)等異常情況而需要自動(dòng)切斷時(shí)，防火閥a 和防火閥b 中的任意一個(gè)響應(yīng)，與此同時(shí)，防火閥c 和防火閥d 中的任意一個(gè)響應(yīng)，蓄能器中的液壓油經(jīng)防火閥a 或防火閥b、液壓鎖，流入油缸，此時(shí)油缸的輸出液壓油經(jīng)防火閥c 或防火閥d 流入油箱，實(shí)現(xiàn)防火型緊急切斷。

圖4 雙作用復(fù)合型緊急切斷液壓回路原理圖

通過(guò)圖2、圖3 和圖4 的對(duì)比可知，圖4 液壓回路工作原理是通過(guò)以下方式解決了單雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓回路存在的問(wèn)題，具體如下：

（1）在兩個(gè)常開(kāi)電磁閥同時(shí)斷電才起作用，意外情況導(dǎo)致兩個(gè)同時(shí)出現(xiàn)故障的概率非常之低，保證了系統(tǒng)的安全性。

（2）防火閥在沒(méi)有火災(zāi)的情況下一般是常閉的，長(zhǎng)時(shí)間得不到動(dòng)作，因此一旦遇到緊急情況而需要?jiǎng)幼鲿r(shí)，可能閥芯無(wú)法復(fù)位，產(chǎn)生閥芯卡死現(xiàn)象，為了可靠運(yùn)行，防火閥兩端并聯(lián)防火閥。

（3）三種模式相對(duì)獨(dú)立，自由切換；電動(dòng)模式的液壓油并不是直接進(jìn)入蓄能器，因此解決了蓄能器油路異常情況導(dǎo)致的整個(gè)系統(tǒng)癱瘓；電動(dòng)模式通過(guò)兩個(gè)液控單向閥增加了系統(tǒng)的可靠性，避免兩個(gè)電磁閥有一個(gè)不動(dòng)作而無(wú)法形成回路的問(wèn)題；執(zhí)行機(jī)構(gòu)處兩個(gè)常開(kāi)電磁閥增加了24V 備用電池，保證電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在出現(xiàn)供電中斷后仍能正常工作，關(guān)閉閥門(mén)。

（4）在外露的高壓油管兩端并聯(lián)備用回路（備用回路包括手動(dòng)電動(dòng)復(fù)合型換向閥），一旦一支回路出現(xiàn)故障，讓備用回路起作用可進(jìn)一步確保整個(gè)液壓系統(tǒng)的安全性，提高系統(tǒng)的可靠性。

3 結(jié)語(yǔ)

為了提高緊急切斷閥電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性，該文通過(guò)分析現(xiàn)有的單作用和雙作用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓回路基本工作原理，并分別指出存在的問(wèn)題，再用冗余設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一套智能化程度高、運(yùn)行平穩(wěn)、速度快、響應(yīng)時(shí)間短和可靠性高的電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓回路，它可以快速開(kāi)啟或關(guān)閉閥門(mén)，切斷油液或危險(xiǎn)化學(xué)品氣體、液體，從而確保人員生命和財(cái)產(chǎn)安全。