紧急切断阀的一种行程测试方法

高延荣

（中石化南京工程有限公司，南京 211000）

0 引言

紧急切断阀是一种快关式阀门，根据驱动方式不同可分为：电磁式、液压式、机械式和气动式[1]。气动式紧急切断阀在化工生产装置中最为常见，可以用于紧急排放和紧急切断等操作要求，适用于生产过程和生产设备的安全保护系统和一般的两位控制和开关操作要求的场合。紧急切断阀的工作状态与整个生产装置的安全运行息息相关。

图1 改进前切断阀附件示意图Fig.1 Schematic diagram of accessories of cut-off valve before improvement

图2 改进后切断阀附件示意图Fig.2 Schematic diagram of improved cut-off valve accessories

图3 智能数字阀门定位器Fig.3 Intelligent digital valve positioner

以天然气制氢装置为例，天然气制氢装置中的原料气入口切断阀是气动紧急切断阀，当遇到突发情况时，可以在现场和一定距离之外借助执行机构实现阀门的快速关断。当环境温度由于火灾等原因升高至特定的温度时，可以借助易熔装置来切断气路，使阀门回到安全位置。此阀门在装置稳定运行后一直处于打开状态，只有在装置联锁停车或紧急情况才会关闭，在生产过程中阀门动作频率极低。对于这种动作频率较低的紧急切断阀，如何在日常维护过程中判断阀门是否处于正常状态非常重要。本文结合项目实际情况，通过增加智能数字式阀门定位器和就地操作按钮的方法，可以在装置正常运行情况下对原料气入口切断阀进行测试。在装置停车检修期间，也可通过就地操作按钮对阀门进行全开和全关的全行程测试，操作简单实用。

1 紧急切断阀的应用

本文以原料气入口气动紧急切断阀61-XBV-6701 为例进行分析。改进前切断阀附件示意图如图1 所示，改进后切断阀附件示意图如图2 所示。

图2 中，XY-6701 为电磁阀，ZSL-6701 为关位限位开关，ZSH-6701 为开位限位开关，ZLL-6701A 为现场关位指示灯，ZLH-6701A 为现场开位指示灯，HS-6701DO 为DCS系统中的开阀按钮，HS-6701DC 为DCS 系统中的关阀按钮，ZLH-6701D 为DCS 系统中的阀门开位指示灯，ZLL-6701D为DCS 系统中的阀门关位指示灯，HS-6701A 为就地紧急关闭按钮，XY-6701C 为智能数字阀门定位器，LCP 为阀门就地操作盘。

通过图1、图2 的对比可以发现，改进后的切断阀增加了智能数字阀门定位器和就地操作盘。

1.1 智能阀门定位器

智能数字式阀门定位器如图3 所示，是一种基于微处理器的电流信号到气动信号转换的原件。数字式阀门定位器把调节器来的模拟信号4mA ～20mA DC 变成气动信号，再来推动气动执行器，定位器中的微处理器可以把阀门的位移信号通过HART 协议传到控制系统或个人计算机中进行双向通讯[2]。

图4 阀门就地操作盘Fig.4 Valve local operation panel

图5 智能阀门定位器与就地操作盘接线图Fig.5 Wiring diagram of intelligent valve positioner and local operation panel

安装在紧急切断阀上的数字式阀门定位器有3 个基本功能：

1）根据逻辑计算器的要求调节气动输出。

2）可以定期对阀门组件进行测试。

3）监控阀门的健康状况并根据监测结果发出警报。

1.2 阀门就地控制盘

阀门就地控制盘（LCP）一般与智能数字阀门定位器结合使用，用来对气动紧急切断阀进行关闭、打开，也可对阀门进行行程测试和复位。现场控制盘如图4 所示。

就地控制盘右侧从上到下分别为开阀、关阀和阀门测试按钮。左侧从上到下分别为绿色阀开指示、红色阀关指示和黄色阀门准备好复位指示灯。一般情况下，阀门的就地控制盘安装在靠近阀门的位置，以便在现场进行操作时可以直观地观察阀门的动作状态。

1.3 智能阀门定位器与就地控制盘的连接

阀门定位器与就地操作盘的连接方式有很多种，本文结合现场实际情况，选用最为简单实用的点对点的接线方式，既可以实现相应的控制功能，又可以节约电缆。阀门定位器与LCP 接线图如图5 所示。

如图5 所示，阀门就地操作盘与定位器只需一根3 芯电缆连接，定位器与ESD 系统只需一根2 芯电缆连接。就地操作盘内部左上角是供电方式选择开关，可以选择是24VDC 供电还是回路供电。当选择左侧回路供电开关时，阀门定位器通过ESD 系统的AO 回路供电，阀门定位器给就地操作盘供电。ESD 系统AO 信号的+/-分别与阀门定位器接线端子中的Loop +/-相接；阀门定位器接线端子中的Loop +/-与就地操作盘中的Loop +/-相接，定位器接线端子中的AUX +与就地操作盘中的AUX +相接。由于就地操作盘回路大约消耗4mA，故为了保证操作盘能够正常工作，ESD 系统输出电流最低应为8mA。

1.4 阀门行程测试

阀门行程测试分局部行程测试（PST）和全行程测试（FST）两种。

所谓阀门局部行程测试（PST）即是让阀门从正常工作状态按照一定的斜坡速率移至预先设定的目标位置，然后再以一定的速率返回正常工作状态的过程。在测试的过程中采集数据，通过分析这些数据来评估阀门组件的状态。局部行程测试只可在装置运行正常的情况下进行。

1）局部行程测试（PST）步骤

◇ 按下LCP 上最下部的“阀门测试”按钮3s 以上（最长不要超过10s）。

◇ 阀门由正常开度以特定的速度开始向PST 目标开度转动，当阀门转动时LCP 上的绿色开位指示灯开始闪烁。

◇ 阀门开到PST 设定的开度。

◇ 阀门从PST 设定的开度返回至正常开度，LCP 上的绿色开位指示灯不再闪烁，变为常亮。

2）人工干预下的局部行程测试（PST）步骤

◇ 按下LCP 上最下部的“阀门测试”按钮3s 以上（最长不要超过10s）。

◇ 阀门由正常开度以特定的速度开始向PST 目标开度转动，当阀门转动时LCP 上的绿色开位指示灯开始闪烁。

◇ 在阀门达到PST 设定的目标开度前，再次按下LCP下部的“阀门测试”按钮。

◇ 阀门立刻又以特定的速度返回至正常开度，LCP 上的绿色开位指示灯不再闪烁，变为常亮。

阀门局部行程测试时紧急切断阀的开度与供气压力关系示意图如图6 所示。

图6 阀门行程与供气压力关系示意图Fig.6 Diagram of the relationship between valve travel and air supply pressure

由图6 可见，当阀门局部行程测试开始后，阀门供气压力逐渐降低，当达到局部行程测试可触发的压力设定值后，阀门将以特定的斜坡速率向预先设定的目标位置移动，当达到设定的目标开始后又以特定的斜坡速率返回至正常开度。其中，阀门动作的斜坡速率、PST 目标开度等参数都可在初始化时通过475 手操器进行设定。为了保证局部行程测试时不影响装置的正常运行，设定的阀门PST 目标开度与阀门正常工况开度变化最大不应超过装置安全、平稳运行所允许的阀门最大开度。阀门设定的PST 斜坡速率和PST 目标开度由工艺专业最终确定。

所谓阀门全行程测试（FST）即是在停车工况下对阀门进行全行程（全开到全关或全关到全开）测试的过程。在测试的过程中采集数据，通过分析这些数据来评估阀门组件的状态。全行程测试可进一步发现局部行程测试未能发现的问题。全行程测试只可在装置停车期间进行。

a）系统指令全行程（FST）测试

◇ 减小智能数字阀门定位器的供电电流至4mA（适用于故障/断电关的阀门）。

◇ 阀门转向故障安全的位置（关位）。

◇ LCP 上的关位指示灯（红色）常亮，开位指示灯（绿色）和复位指示灯（黄色）不亮。

◇ 按下LCP 上部的开阀按钮，阀门保持故障安全位置（关位）不动。

◇ 增加智能数字阀门定位器供电电流至20mA，阀门继续保持在故障安全位置（关位）不动。

◇ 此时LCP 上的红色关位指示灯继续保持常亮，黄色指示灯变为常亮（准备好复位）。

◇ 按下LCP 下部的“阀门测试”按钮（复位）。

◇ LCP 上的关位红色指示灯熄灭，阀门转动至正常工作位置（开位），LCP 上的开位绿色指示灯常亮。

b）LCP 指令（FST）测试

◇ 按下LCP 上的“关闭”按钮。

◇ 阀门转向故障安全的位置（关位）。

◇ 此时LCP 上的关位指示灯（红色）变为常亮，黄色指示灯变为常亮（准备好复位）。

◇ 按下LCP 上的“打开”按钮。

◇ LCP 上的关位红色指示灯熄灭，阀门转动至正常工作位置（开位），LCP 上的开位绿色指示灯常亮。

在测试过程中，定位器可以自动搜集诊断的数据用于阀门故障排除。对诊断结果，也给出了建议的解决方法。智能数字阀门定位器可以识别的故障如下：

①切断阀卡死。

②电磁阀故障。

③阀门供气不足。

④气源污浊。

⑤外部气源泄漏（执行结构膜片或Tube 管）。

⑥活塞执行机构O 型圈故障。

⑦单作用执行机构弹簧损坏等。

2 应用情况

天然气制氢装置原料气入口紧急切断阀加装智能数字阀门定位器、就地操作盘后，经现场测试，运行良好，极大程度上保证了装置的安全、平稳运行，可以有效缩短阀门检修的周期，降本增效效果明显，运行效果令人满意。

3 结语

化工装置中的紧急切断阀通常只有电磁阀和阀位开关，这种组合虽然可以通过系统进行部分阀门测试，但仅靠电磁阀动作以及阀位开关的反馈信号来监测阀门的动作，没有其他的信息来判断阀门的状况。随着诊断技术的发展，数字化解决方案是普遍共识[3]。石油化工生产装置复杂，装置布置相对集中，工艺介质多有易燃易爆等性质，危险性较高，紧急切断阀是装置安全稳定运行的一个重要环节，定期对阀门进行诊断测试可在很大程度上保障装置的稳定运行；而在线行程测试和诊断，减少了装置的非计划停车，节能减排、降本增效效果明显，符合国家可持续发展战略的要求。