王志輝等

摘 要：該文通過介紹Shafer氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成和開關(guān)功能，分析造成誤動(dòng)作原因，探討減少或降低誤動(dòng)作幾率對(duì)策，并結(jié)合工作實(shí)際提出解決建議。

關(guān)鍵詞：Shafer氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 誤動(dòng)作 分析與解決 對(duì)策

中圖分類號(hào)：TE973 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(zhǎng)距離輸油氣管線建成投入運(yùn)營(yíng)，我國油氣管道事業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。但是在管道運(yùn)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(shí)，需對(duì)事故點(diǎn)上下游線路截?cái)嚅y緊急關(guān)斷。Shafer氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以高壓天然氣或手泵作為動(dòng)力源，無需外加機(jī)械或電力設(shè)備，事故率低，經(jīng)濟(jì)性好，因此被廣泛應(yīng)用。

但在實(shí)際應(yīng)用過程中，受到外界環(huán)境和設(shè)備自身一些因素影響，氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作現(xiàn)象，造成輸送介質(zhì)局部停輸，給管線安全平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面影響。該文將以冀寧線為例針對(duì)Shafer氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤關(guān)斷現(xiàn)象進(jìn)行分析，重點(diǎn)對(duì)LineGuard電控單元深入探討，并提出相應(yīng)的解決對(duì)策。

1 Shafer氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

1.1 主要組成

Shafer氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由提升閥氣路控制塊、手動(dòng)泵裝置、執(zhí)行器、儲(chǔ)液罐、備用氣源罐、限位開關(guān)、LineGuard控制箱等部分組成。

1.2 開、關(guān)功能介紹

正常情況下，無論是場(chǎng)站、RTU閥室或普通閥室，Shafer氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)就地手動(dòng)液壓、手動(dòng)氣動(dòng)開關(guān)和滿足一定條件時(shí)自動(dòng)關(guān)閉功能。另外，場(chǎng)站和RTU閥室Shafer氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)還具備遠(yuǎn)程操作開關(guān)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(gè)部分。主要功能是采集在線介質(zhì)壓力，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)壓力值超出設(shè)定值時(shí)（壓力低限、高限和壓降速率），電控箱發(fā)出關(guān)閥命令，Shafer氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

2 Shafer氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤關(guān)斷原因分析

根據(jù)上述關(guān)閥條件可知，誤動(dòng)作關(guān)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(cuò)誤信號(hào)，造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤關(guān)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(nèi)部堵塞導(dǎo)致采樣壓力低于干線壓力，從而采集到錯(cuò)誤的壓力值；（2）壓力變送器抗干擾能力不夠強(qiáng)，變送器本身受到外界干擾導(dǎo)致變送器輸出信號(hào)與實(shí)測(cè)壓力值不一致；（3）壓力變送器本身故障導(dǎo)致其輸出信號(hào)不穩(wěn)定。

2.3 關(guān)閥電磁閥內(nèi)漏

電磁閥內(nèi)出現(xiàn)水、氣體雜質(zhì)導(dǎo)致內(nèi)漏，達(dá)到一定壓力的泄漏氣體將導(dǎo)致與執(zhí)行關(guān)閥命令一致的關(guān)閥動(dòng)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(yīng)該保持在11 V以上。隨著服役時(shí)間變長(zhǎng)，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(dāng)蓄電池輸出電壓低于11 V時(shí)可能引起閥門誤動(dòng)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(hào)形式，在采集壓力信號(hào)的過程中可能會(huì)受到環(huán)境、設(shè)備、管線等的雷電、電磁、電壓等干擾。

Lineguard控制機(jī)構(gòu)采用算法濾波的設(shè)計(jì)形式對(duì)以上干擾進(jìn)行消除。當(dāng)變送器采集到的壓力信號(hào)變化速率超過一定值時(shí)，程序?qū)毫π盘?hào)鎖定，并根據(jù)程序邏輯發(fā)出關(guān)閥命令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行關(guān)閥動(dòng)作。這一設(shè)計(jì)是針對(duì)當(dāng)變送器損壞或者雷電直接擊中閥室設(shè)備造成毀滅性事故時(shí)的有效措施。

但在實(shí)際使用過程中，因?yàn)樵O(shè)計(jì)上的缺陷，早期Lineguard 2200在投入使用時(shí)，壓力信號(hào)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(guān)保護(hù)措施，從而導(dǎo)致當(dāng)設(shè)備接地或者靜電屏蔽不到位時(shí)，壓力變送器受雷電感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)干擾發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)，電控單元根據(jù)正常程序運(yùn)行而發(fā)生誤關(guān)閥動(dòng)作。

3 故障診斷和成因排查方法

發(fā)生誤動(dòng)作后，應(yīng)該根據(jù)先易后難、先簡(jiǎn)單后復(fù)雜的原則對(duì)故障成因進(jìn)行排查，確認(rèn)故障成因，然后采取相應(yīng)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(yùn)行時(shí)會(huì)有不同的指示燈（例如正常運(yùn)行時(shí)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(hào)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(cè)有三種方法：（1）使用可燃?xì)怏w檢測(cè)儀對(duì)接口附近可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行檢測(cè)，通過可燃?xì)怏w濃度判斷是否存在泄漏點(diǎn)；（2）將肥皂水噴到接口附近，觀察是否會(huì)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(zhì)，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(diǎn)。

還有，檢查引壓管是否有堵塞?？赏ㄟ^電腦連接查看檢測(cè)壓力數(shù)值，并與旁通管線壓力表進(jìn)行比對(duì)。當(dāng)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(zhǔn)儀器檢查壓力變送器輸出信號(hào)，同時(shí)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(cè)量蓄電池輸出電壓，若輸出電壓低于11 V，則誤關(guān)閥原因可能為蓄電池輸出電壓?jiǎn)栴}。此外，若電壓測(cè)量正常，可以進(jìn)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(shè)置有專用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，但電壓歷史數(shù)據(jù)只能保存某一時(shí)間段（35 d）的歷史數(shù)據(jù)，所以故障診斷最好在誤關(guān)斷幾小時(shí)或者幾天內(nèi)完成。endprint

3.4 電磁閥泄露故障排查

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

3.5 控制主板故障排查

在基本排除外圍設(shè)備導(dǎo)致閥門誤關(guān)斷的可能性時(shí)，可以對(duì)控制主板進(jìn)行進(jìn)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(dǎo)致誤關(guān)斷診斷

這一故障原因的診斷需要結(jié)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)所在地的天氣情況。若同時(shí)符合以下幾點(diǎn)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(shí)發(fā)現(xiàn)壓力值已經(jīng)鎖定，同時(shí)出現(xiàn)Ponit Failure報(bào)警；其次，壓降速率處于一個(gè)極大的固定值且伴隨有高壓報(bào)警（Minor High）、高壓大事件報(bào)警（Major high）和壓降速率報(bào)警（Rate Alarm）；第三，事故出現(xiàn)時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)所處位置發(fā)生雷雨天氣；第四，壓力信號(hào)被保護(hù)措施自鎖后，控制系統(tǒng)未進(jìn)行斷電重啟。

4 故障實(shí)例分析

2013年8月10日凌晨3時(shí)許，冀寧線某天然氣分輸場(chǎng)站值班人員突然發(fā)現(xiàn)進(jìn)站壓力呈明顯下降趨勢(shì)，經(jīng)確認(rèn)該場(chǎng)站所處管線上游閥室Shafer氣液聯(lián)動(dòng)閥處于關(guān)斷狀態(tài)。

技術(shù)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后根據(jù)上述步驟對(duì)該Shafer氣液聯(lián)動(dòng)閥的關(guān)斷進(jìn)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(dòng)閥的關(guān)斷為誤關(guān)斷。按以上步驟進(jìn)行故障排查：首先，目測(cè)主板運(yùn)行基本正常；其次，測(cè)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(cè)試壓力變送器運(yùn)行正常。

經(jīng)Roclink軟件連接ROC控制系統(tǒng)后找到Lineguard報(bào)警記錄（如圖1）與上文分析一致；另外，事發(fā)當(dāng)時(shí)該閥室附近正是雷雨天氣。遂得出結(jié)論：該閥室是由雷電天氣引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使程序判斷失誤造成Shafer氣液聯(lián)動(dòng)閥誤關(guān)斷。

5 故障處置措施和預(yù)防方法

5.1 處置措施

找到執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤關(guān)斷的原因后，可以根據(jù)相應(yīng)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(dǎo)信號(hào)：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(fù)；（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(shí)更換蓄電池；（4）關(guān)閥電磁閥故障：此時(shí)可將該電磁閥拆卸后進(jìn)行維護(hù)和吹掃，確保閥內(nèi)無水和雜質(zhì)；（5）控制程序漏洞：重啟控制系統(tǒng)即可恢復(fù)。

5.2 預(yù)防辦法

為避免誤動(dòng)作情況出現(xiàn)，可采取以下預(yù)防辦法：（1）定期對(duì)電磁閥進(jìn)行檢查維護(hù)，及時(shí)排污；（2）傳感器檢定完畢后及時(shí)打開截止閥，并定期對(duì)引壓管接頭進(jìn)行泄露檢查；（3）在檢定過程中，要對(duì)壓力傳感器接線進(jìn)行仔細(xì)檢查，避免出現(xiàn)虛接情況，在日常維護(hù)中也應(yīng)注意檢查接線箱內(nèi)接線情況；（4）經(jīng)常監(jiān)控和測(cè)量蓄電池的輸出電壓，當(dāng)蓄電池蓄電能力下降供電電壓不足時(shí)及時(shí)更換蓄電池；

對(duì)于控制程序漏洞造成的誤關(guān)斷可以從以下四方面進(jìn)行預(yù)防和解決：

一是安裝相應(yīng)補(bǔ)丁程序

LineGuard2200控制主板在對(duì)雷電干擾下異常電壓和電流信號(hào)無法識(shí)別和篩選。針對(duì)這兩種漏洞，廠家專門制作相應(yīng)補(bǔ)丁程序：壓力檢測(cè)補(bǔ)丁程序?qū)τ诓杉瘔毫π盘?hào)一旦超出設(shè)定限值，補(bǔ)丁程序?qū)⑹箓鞲衅髦匦律想?，并穩(wěn)定5s后再對(duì)壓力進(jìn)行檢測(cè)，或重新熱啟動(dòng)以保證壓力傳感器恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

電源異常補(bǔ)丁程序用于檢測(cè)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(dòng)關(guān)斷狀態(tài)，補(bǔ)丁程序?qū)⑹棺詣?dòng)關(guān)斷功能失效，直至電源恢復(fù)正常；若處于自動(dòng)關(guān)斷狀態(tài)，補(bǔ)丁程序?qū)⒋詣?dòng)關(guān)斷動(dòng)作完成后，使自動(dòng)關(guān)斷功能失效，直至電源恢復(fù)正常。

二是加強(qiáng)雷電防護(hù)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(duì)感應(yīng)雷如靜電感應(yīng)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(duì)整個(gè)閥室進(jìn)行屏蔽保護(hù)，如增設(shè)帶門開口的屏蔽籠，在室內(nèi)沿墻壁四周再做一圈保護(hù)接地環(huán)（接入防雷地），接地環(huán)與屏蔽籠進(jìn)行有效的電氣連接。

此外，應(yīng)對(duì)閥室防雷防靜電接地、引壓管絕緣接頭和電控箱接地進(jìn)行全面細(xì)致檢測(cè)。在無法驗(yàn)證閥室內(nèi)其它外加裝置接地對(duì)閥室接地干擾情況前，建議對(duì)后期增設(shè)裝置接地進(jìn)行單獨(dú)安裝，如將普通閥室閥位遠(yuǎn)傳裝置接地改為單獨(dú)接地。

三是增加浪涌保護(hù)器和過流保護(hù)元件

早期安裝的LineGuard2200電控箱中，壓力傳感器信號(hào)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(hù)裝置。建議在傳感器線路中增設(shè)30VDC以下防浪涌保護(hù)器和20 mA以下電路過流保護(hù)元件（如PTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲）。當(dāng)雷電產(chǎn)生干擾時(shí)，防浪涌保護(hù)器能夠?qū)⒏哂?0VDC電壓過濾隔離，保護(hù)傳感器電壓正常；而當(dāng)感應(yīng)產(chǎn)生大于20 mA電流時(shí)，將使電路過流保護(hù)元件熔斷，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)干擾信號(hào)將不會(huì)輸入到主板。在電流值恢復(fù)正常后，電路過流保護(hù)元件將自行恢復(fù)，確保主板能正常采集到壓力信號(hào)。

四是取消高壓關(guān)斷機(jī)制和適當(dāng)延長(zhǎng)延時(shí)時(shí)間

考慮到管道超壓可能性極小，建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工藝，有選擇性禁用電控單元高壓關(guān)斷功能，在保障生產(chǎn)安全前提下適當(dāng)延長(zhǎng)延時(shí)時(shí)間，進(jìn)一步降低誤關(guān)斷幾率。

6 結(jié)語

Shafer氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)誤動(dòng)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(duì)Shafer氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)維護(hù)保養(yǎng)外，還應(yīng)增設(shè)防浪涌和電路過流保護(hù)裝置，并對(duì)電控單元漏洞進(jìn)行彌補(bǔ)，全力避免誤關(guān)斷事件出現(xiàn)。

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