海上平台磁致伸缩液位计跳变原因及解决办法

吴高波 王桂钧（中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东 湛江524057）

某海上平台隶属于中海石油（中国）有限公司湛江分公司，2018年7月开始试生产，至今1年多以来，接入中控系统的磁致伸缩液位变送器发生大范围的显示值跳变和故障，共导致5次以上生产关停，多次调节阀控制不稳，严重影响了平台的安全生产和生产时效，牵涉了大量的人力物力，甚至导致了一些次生问题，对平台设备的正常运行造成严重威胁。

平台磁致伸缩液位变送器共计有81 台，分属3 个品牌，其中一个品牌液位变送器有14 台，表现较好，但其余2 个品牌总计产生过跳变或故障的涉及到其中的24 台，故障率高达36.2%，参与ESD 逻辑关断的共有10 台，不参与关断的其他14台异常的液位跳变导致发出的虚假控制指令也会间接造成关断。各品牌液位变送器都为同一批次、同一工程建造阶段安装和调试。

1 磁致伸缩液位变送器简介

磁致伸缩液位变送器利用的是磁致伸缩原理设计而成，利用传感管内磁致伸缩线上脉冲电流向下传送产生的环形磁场，与磁性浮球的磁场相互作用产生扭力波，通过检测扭力波传输的时间从而判断浮球的位置，进而准确判断出液面位置[1]。

2 故障现象

从投产伊始，磁致伸缩液位变送器开始出现大范围显示值跳变，典型的故障现象主要有：

（1）周期性跳变：一直不稳定，始终处于跳变状态，跳变幅度范围较大，但未达到关停设点值。

（2）尖峰跳变：大部分时间运行较稳定，但偶尔出现向上或向下的尖峰跳变，超过高高/低低设定值，引起关停。

（3）液位变化时输出不变，液位显示逐渐从正常值降低至最低液位等。

3 故障原因排查

3.1 中控系统排查

（1）中控系统卡件故障。在线检查中控系统，确认硬件组态、程序、参数设置正确，所有卡件运行正常，排除了卡件的问题。

（2）中控系统软件问题。在组态软件中，手动给定模拟量值，画面显示正常，排除了监控软件的问题。

（3）接线问题。检查中控控制柜、中间接线箱、液位变送器等接线都正确，各点接触良好；分别从接线柜端子排上和现场变送器处用毫安信号发生器模拟输人4-20mA 电流信号，中控都显示正常，未出现异常跳变的情况，排除了接线问题。

3.2 环境因素排查

（1）振动

查找液位变送器设计数据表，对压缩机橇内的液位变送器提出增加隔振环的要求，而对其他区域没有这一要求。但实际上，离压缩机近的区域振动也很大，这些区域与压缩机区域内安装的液位变送器跳变情况差别非常明显，要频繁得多。因此振动是导致变送器跳变的主因之一。

（2）电磁干扰

平台共7 台天然气压缩机，其中有6 台由变频器和变频电机驱动，此外，其他区域也有使用变频驱动设备。变频设备产生的电磁干扰明显表现在压缩机本体的热电阻温度跳变上，导致热电阻温度在变频电机不启动时正常，但在变频电机启动运行时必然发生±10℃的跳变。由此推断出现场确实存在电磁干扰，而通过示波器连接液位变送器接线板，观察曲线图也检测到了这种干扰，是导致液位变送器跳变的主因之一。

3.3 液位变送器自身因素排查

（1）门槛电压

出现无序跳变后，适当调高门槛电压，部分液位变送器跳变情况得到明显好转，但部分跳变问题无法解决，仍时有发生。较多液位变送器需调整门槛电压，设置不合适是导致液位变送器跳变的主要原因之一。

（2）剩磁影响

实际液位变化时输出不变，使用磁铁靠近探杆时输出有变化。此时探杆上应残余有剩磁，需用磁棒或浮子自底到顶的滑探杆来消除。此类情况出现较少，非主因。

（3）变送模块、探杆、浮子故障

跳变始终无法解决的液位变送器，部分经更换变送模块后显示正常，部分需更换探杆才能解决问题。浮子存在几种情况：浮子在压力作用下被严重压扁、开裂进液、磁性减弱，这些问题都会导致变送器故障，需要更换。产品质量问题缺陷较明显，是主因之一。

4 问题原因分析

（1）门槛电压

分析磁致伸缩信号曲线图发现，起始电流脉冲波发出开始计时，一直到扭应力波值超过预先设定的门槛电压值时停止计时，由这个时间间隔换算出液位高度；若门槛电压设置过高，超过扭应力波峰值，则会始终检测不到扭应力波，变送器无输出；若门槛电压设置过低，则会先检测到一些杂波，导致测量不准，而且杂波的产生无规律，会出现液位跳变的情况。

（2）电磁干扰

变频电机对电网而言是非线性负载，当电流流经负载时，与所加的电压呈非线性关系，或者输出的电流本身不是标准的正弦波，从而产生谐波，进而对其他电子、电气设备产生谐波干扰。干扰途径与一般电磁干扰途径一致，主要分电磁辐射、传导、感应耦合。这些干扰会影响液位变送器电子元器件的正常运行及液位变送器本身磁场的稳定性，或在信号电缆中因感应耦合而产生信号传输波动，从而导致跳变。

（3）振动

一般液位变送器都有抗振的要求，但当振动过大时，超过了仪表安装环境的要求，而液位变送器挂扣在测量筒上没有缓冲垫，加剧了振动的影响，直接体现在几个方面：加速元器件的老化；影响电子元器件工作稳定性；受振动的影响，浮子与探杆之间的间距突变，影响磁场的稳定性等，从而影响到液位显示的稳定。人为对液位变送器探杆进行小幅度的击打实验，明显观察到液位显示值的跳变。

（4）自身特性

磁致伸缩液位变送器本身的工作原理决定了其电气回路结构复杂，对元器件工作稳定性、精确度要求很高，但现场跳变的液位变送器，国外品牌国内生产制造，并非一体式安装制造，制造工艺或精度要求不一定达标；产品应用经验不足，未在海上平台环境大范围使用过，未针对特殊的环境进行过软硬件升级改造；选型时也未针对高电磁干扰、高振动的情况提出更高的招标要求。这些因素综合作用下，导致了目前液位变送器稳定性不足的现状。

5 解决方法分析

5.1 环境因素

（1）振动。降低振动，在探杆与测量筒之间增加隔振环，重新调整设置探杆与浮子之间的间距。

（2）电磁干扰。采用增加屏蔽等措施降低电磁辐射；严格按照规范要求做好各项屏蔽接地；在变送器与中控卡件之间增加模拟信号隔离器，过滤降低跳变信号的干扰，提高稳定性；中控程序中增加延时滤波程序，降低电磁干扰的影响。

5.2 自身因素

（1）调节门槛电压。门槛电压不能过高或过低，最好在连接示波器后，根据其显示的曲线图调整门槛电压至扭力波峰值范围内1/2 处。若没有示波器，顺时针或逆时针调整门槛电压一次2～3圈至表头输出正常为止。

（2）元器件故障。掌握磁致伸缩液位工作原理及日常维护处理方法，当变送模块、探杆、浮子等出现故障时，及时锁定故障根源，维修或替换备件。

（3）选型问题。选型时必须充分考虑现场高振动、高电磁干扰的特殊情况，对液位变送器本身提出更高的要求；同时，可选择电气回路更简单的干簧电阻式液位变送器，经过实践检验，其在抗振和抗电磁干扰方面表现远优于磁致伸缩液位变送器。

（4）稳定性问题。某品牌磁致液位变送器在之前的实际应用中也经历过大范围跳变的情况，但在深入分析故障现象和原因后，针对液位计硬件与软件设施的电磁兼容的多项要求进行了大量的升级改造工作，在承受射频电磁场辐射、射频场磁感应的传导骚扰、电快速瞬变冲群、浪涌冲击等方面有了改观，大大提升了液位变送器的稳定性。

6 结语

文章从海上平台案例出发，结合现场排查，从理论上分析得出磁致伸缩液位变送器跳变的具体原因，并从环境和本身两个方面提出了解决方案。但受现场实际情况所限及时间和成本等因素影响，某些解决措施还需经长期的观察，确定是否从根源真正解决了问题。同时，液位变送器本身存在的一些缺陷需现场人员和厂家共同努力，从各个方面深入研究解决，保障现场生产的平稳运行。