极寒地区的仪表设计问题探讨

夏车奎

(中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315100)

近年来，在内蒙古、新疆以及俄罗斯远东地区的化工建设项目越来越多。在这些地区的工程建设实践过程中，不得不考虑极端的气候环境对工程建设及后期运行、操作、维护等带来的影响。这些地区最低温度往往可达到气象学《寒冷程度等级表》的“极寒”等级[1](-40 ℃以下)，如俄罗斯阿穆尔州，极端温度甚至低至-52 ℃。对仪表设计人员来说，必须重视极寒天气对仪表可靠性和安全性等方面带来的影响[2-3]。所以有必要针对这种特殊的气候条件，研究相应的对策和方案，保障装置的长期稳定运行。

1 相关标准规范及现状

目前，中国仪表设计领域通常对工艺介质温度比较重视，往往忽视环境温度对自控仪表系统的影响。在极寒环境下仪表的设计应用，也常缺乏行业相关标准规范的支持，现行标准规范也多为通用规范。GB/T 14092.2—2009 《机械产品环境条件 寒冷》[4]仅划分了环境等级，其中3.7.1条规定了年最低气温为-50 ℃；GB/T 14091—2009 《机械产品环境参数分类及其严酷程度分级》[5]规定最低气温达到-55 ℃，基本涵盖了中国最低气温的范围。然而，这2项标准虽然对环境条件划分了严酷等级，但除了气温外，还考虑了湿度、空气压力、降水、太阳辐射等综合因素，对环境低温的针对性不强。

JB/T 7575—2013 《机械产品及元器件寒冷环境大气暴露试验方法和导则》[6]在文献[4]划分等级的基础上，规定了大气暴露试验的方法和导则，但是该标准适用范围大且笼统，指导仪表设计的意义有限。GB/T 2423.1—2008 《电子产品环境试验 第2部分： 试验方法 试验A： 低温》规定了环境试验方法，行业中常用的HG/T 20514—2014 《仪表及管线伴热和绝热保温设计规范》[7]和SH/T 3126—2013 《石油化工仪表及管道伴热和绝热设计规范》[8]重点规定了仪表及管线的伴热和绝热设计的技术要求，较少关注环境低温对仪表本身的影响。

同样，国外标准也多为试验或测试标准，如IEC 60668-2-1： 2007，IEC 60811-1-4： 2001等。环境比较严酷的俄罗斯，如GOST 15150-69标准对环境低温覆盖范围虽然更广，最低气温达-70 ℃，但也是通用标准。总之，国内外标准多关注的是对严酷环境的分类，以及通用领域的低温试验测试方法，对仪表领域的针对性不强，也较少对仪表选型、材料选择、电缆选用及对仪表本身的环境低温防护等作出详细规定。所以本文针对该情况，从仪表选型、电缆选用、仪表防护三个方面，梳理和探讨化工仪表设计应注意的问题。

2 仪表选型

处在极寒地区的化工装置，室内通常设有暖通设备，在正常操作条件下，一般不考虑室内仪表的耐环境低温性能。所以在条件允许情况下，应尽量把仪表设置在室内环境中。如条件所限须安装在室外，则应同时注意环境低温对仪表本身和测量介质的影响。仪表选型时，不同的测量参数选用的测量仪表类型除参考标准规范外，还受到业主及设计单位的经验习惯影响。本文针对极寒地区的气候条件，选取温度、压力、流量、液位等典型仪表，介绍这些仪表的选型建议和注意事项。

2.1 基于测量介质的考虑

安装在极寒地区室外的仪表，首先应注意环境低温对测量介质的影响。无论从投资、运行、维护还是节能角度考虑，选用非介质引出型仪表是一个比较好的方案。如压力/差压变送器在满足测量精度和响应时间要求的情况下，可选用毛细管远传型或直装式[9-10]。但当选用毛细管远传型变送器时，需要注意毛细管的直径和长度。如毛细管过细、过长或填充液温度系数过大，在环境温差过大时，可能引起较大的测量误差和滞后。另外，还要注意毛细管内充装液的适用温度范围，必须同时满足测量介质温度和环境低温的要求，典型填充液适用温度见表1所列。

表1 典型填充液适用温度 ℃

测量液位应尽量选用远传差压变送器外，可根据工况优先选用雷达、超声波等非接触式液位测量仪表或选用顶装式的浮筒、浮子、导波雷达等液位测量仪表；不推荐选用侧装式液位仪表。

2．2 仪表设备的耐候性

目前，大多数的仪表设备的主要电子元器件和电子线路板都可在-25 ℃环境中稳定运行，一些耐候性好的仪表在-40 ℃时也能长时间正常工作，但能够适应-40 ℃以下环境温度的仪表较少，尤其是带液晶显示(LCD)的仪表，在低于-15 ℃时就可能出现画面“变花”和“数字虚化”等现象。所以，仪表耐环境低温性能除受本身电子元件和电路性能限制外，LCD显示单元对低温敏感也是其中一个影响因素，所以宜选用不带LCD显示的型号。条件允许下，当表头除LCD显示单元外其他部分耐环境低温满足要求时，也可考虑采用带发光二极管显示(LED)的表头。此外，应优先选用经过GB/T 2423.1—2008(IEC 60068-2-1： 2007)试验的仪表设备，同时注意试验温度。典型仪表的耐环境低温性能见表2所列。

表2 典型仪表的耐环境低温性能 ℃

续表2

压力表和双金属温度计等就地仪表，常规型一般可耐-40 ℃环境低温。在极寒地区，需选用耐低温型，如压力表填充低温油，最低可耐-70 ℃。远传温度仪表，测温元件一般耐低温性能较好，但在昼夜环境温差大的地区，应尽量选择四线制、带一体式变送器的测温热电阻，需注意变送器表头的保温伴热。

主流的压力/差压变送器分为硅电容传感器和硅谐振式传感器两种形式[11]。硅电容传感器所需填充液，一般为硅油或惰性油，最低耐-40 ℃。硅谐振式传感器中的硅梁、硅膜片、空腔被封在微型真空中，使其不与充罐液接触，在低温环境或者是温差较大的场所中，稳定性更好。所以优先选择采用硅谐振式传感器的压力/差压变送器。

远传液位仪表无论选择非接触仪表或随设备保温伴热仪表，都需注意变送器及表头的保温伴热。流量仪表尽可能选用非介质引出型的，如电磁、超声波、涡街、质量等类型的流量计。该类流量计一般主流的耐环境低温为-40 ℃。在极寒地区，该类流量计的本体可随管道保温伴热，变送器及表头应有单独的防护措施。

分析类仪表往往对环境温度有一定的要求，一般考虑安装在室内或分析小屋内，不建议采用室外架装或柜装方案。

阀门在极寒地区的耐低温性能，重点在执行机构，至于阀体的耐环境低温性能可以参照低温阀门选型方法。低温阀门虽然针对的是低温介质，但也适用于解决耐环境低温的问题。低温阀门目前已有相对成熟的体系和产品，也有较多国内外标准支持，如GB/T 24918—2010，GB/T 24925—2010和MSS SP-134： 2012，BS 6364： 1984等。执行机构是限制阀门低温性能的重要因素，对于执行机构类型来说，气动执行机构的耐环境低温的性能通常强于电动执行机构。在低温环境中，电动执行机构的开关时间往往受到较大影响，而当采用气动执行机构时，还需注意仪表气源的露点温度。在操作压力下，应比当地年最低气温低10 ℃或以上。阀门的其他附件也应满足低温环境要求，如选用低温型电磁阀。

2．3 仪表的运输储存

在极寒地区，还应注意环境低温对仪表运输储存的影响。仪表运输储存环节的耐环境低温性能和操作运行时耐环境低温性能不能等同。仪表操作运行的最低环境温度，是指仪表能够长期稳定运行的环境温度条件。当环境温度低于仪表稳定运行的最低要求时，仪表不能稳定运行，但当环境温度恢复时，仪表的测量功能可能恢复也可能无法恢复。当不满足运输储存环境温度时，仪表往往会产生不可逆的影响，如测量精度降低，需重新校准，老化加快甚至损坏等。同时，运输储存的环境最低温度取值应根据项目储运条件确定。尽量选用符合GB/T 25480—2010《仪器仪表运输、储存基本环境条件及试验方法》的仪表，并注意最低运输储存环境温度等级。

大部分的仪表储存最低温度等同于操作时的耐低温水平，然而部分仪表，如pH计等分析仪表，不适合长期在低温环境储存。现场仪表到货后需越冬安装、试车的，需要注意储存温度。尤其是室内安装仪表，往往没有选用耐低温型仪表，即使现场已经安装，越冬时，也应做好临时保温措施。

3 耐寒电缆选用

在极寒地区，普通电缆容易出现电缆护套开裂、脆化甚至断裂等情况，给装置的运行带来较大的安全隐患。实际工程实践中，应选用耐寒电缆。耐寒电缆的相关标准规范较少，GB/T 2951.14—2008(IEC60811-1-4： 2004)中规定了电缆的耐低温试验方法[12]。其主要验证了电缆绝缘和护套材料在低温条件下的机械强度，如绝缘低温卷绕试验、绝缘低温拉伸试验、护套低温拉升试验、聚氯乙烯结缘和护套的低温冲击试验等。

需要注意的是，该标准针对的只是电缆绝缘和护套材料的试验，并没有规定温度标准，试验温度是按照电缆产品的标准规定执行的。选用电缆时，通常电缆厂家会标注电缆的最低操作温度和安装温度。一般来说，最低操作温度会低于安装温度，除此以外，需要着重关注试验温度，如IEC 60811(-50 ℃)，表示该电缆在-50 ℃温度条件下，通过IEC 60811： 2004低温试验。主流耐寒电缆的外护套一般采用极地级的聚氯乙烯(PVC)护套，交联聚乙烯(XLPE)绝缘材料。设计电缆桥架时，应注意最小弯曲半径，条件允许时，考虑适当放大电缆转弯半径。一般来说，推荐允许的弯曲半径： 非铠装的电缆不小于电缆外径的6倍，铠装电缆不小于电缆外径的12倍。桥架设计还应充分考虑热胀冷缩造成的影响，桥架盖板宜选用带斜坡的盖板，防止冰雪堆积。

另外，在极端环境的重要场合，对电缆进行低温检测目前也是研究的方向之一，如利用光纤光栅温度传感器，在高寒低温区等区域对电缆及周围环境的温度数据实时远程采集，增强了电缆运行系统的安全性、可靠性和可控性，为将来应对更为苛刻环境下的仪表电缆设计提供思路。

4 仪表设备防护

在极寒情况下，工艺管道通常也有保温伴热措施，常采用热水伴热或电伴热。直接安装在管道上的远传仪表如采用不带显示的表头，也可与管道一起做保温伴热[13]。但考虑到工艺管道的保温伴热指标与仪表的并不相同，同时为了便于仪表的调试操作，建议对仪表表头采用单独的保温伴热方案。以带表头的电磁流量计为例，本身没有仪表管线，只是流量计本身耐低温性能达不到最低环境设计温度。对于这种情况，与管道连接部分，可随管道一起保温伴热，表头部分单独保温。

在极寒地区，当对仪表本体或者测量管路采取保温伴热措施时，建议优先采用电伴热方案，尤其对于仪表布置相对分散的情况。因为在整个生产周期中，极寒地区的温度变化往往较大，而热水伴热和蒸汽伴热方式温度调节性能相对较差，操作不便，且管路输送耗散热量较大。同时，考虑到严酷的户外环境，从维护便利性角度出发，也应优先选用电伴热方案。所以，相较而言，电伴热方案配置更加灵活方便，温度可调性能好，利于监视，经济性也较好[14-16]。仪表电伴热典型安装方式如图1所示。

图1 仪表电伴热典型安装示意

图1中，保温箱可以采用阻燃防静电防震高密度玻璃纤维增强聚酯(GRP)材料制成，也可以采用柔性加热护套。保温箱或柔性加热护套内设有带温度控制器的电加热器。设定温度可设为20 ℃，有些情况下，为了节能考虑，满足仪表耐温条件的同时，可设为10 ℃。电伴热应具有温度报警和故障报警功能，尤其在重要回路中的仪表，其电加热控制器的报警信号可接入控制系统进行监控。该方面目前暂无相关标准规范可供参照，实践中，建议把安全仪表系统和计量系统的仪表的电加热器报警信号在中心控制室集中监视，仪表电伴热的结构示意如图2所示。

图2 仪表电伴热结构示意

5 结束语

极寒地区对仪表系统的影响涉及到仪表的方方面面，从设计、采购、施工贯穿整个项目建设周期。所以，首先在设计过程中，就应该充分考虑极端环境低温对仪表可能带来的影响。从本质安全角度出发，从仪表测量原理、安装位置、本身耐候性、材料选择等角度综合考虑，尽量选用无需伴热仪表。对于工艺条件需要以及目前技术所限，不可避免地选用不满足环境低温技术要求的仪表时，应采用合理的保温伴热方案，同时兼顾一定的经济性和易维护性。相信随着市场需要和技术进步，将来会有更多的仪表能够直接应用于各类严酷环境条件。