EMERSON 48″安全阀基本工作原理分析

2014-12-21霍青国

机电信息 2014年27期

徐伟霍青国闫艳

（中油龙慧自动化工程有限公司，河北廊坊065000）

0 引言

安全截断阀（以下简称安全阀）主要被用于高危、易燃易爆、有毒、有害介质的关键工艺流程、关键设施（备）进出口处。安全阀的主要作用是在突发和紧急情况下快速关闭（或开启）阀门以隔离（或释放）相关介质，防止或减轻有害危险物质的蔓延和失控。其基本控制功能包括就地／远程开、关阀门，ESD紧急关断等。个别阀门因工艺设计需要，还会设置PST（Partial Stroke Test，部分行程测试）功能，或配备有专用的阀门测试软件。笔者有幸在一特大型项目（32．9亿美元EPC项目）中从事投产技术保障工作，其中就涉及到了48″安全截断阀（以下简称SDV阀）的调试和故障检修工作。因整套设备控制单元较多，本文主要分析阀门驱动头的工作原理，希望对从事类似工作的同行起到一定参考作用。

该阀由艾默生Bettis提供驱动头、Pibiviesse提供阀体组装而成，此外还配有液压控制单元，用于提供阀门动作所需的外部液压驱动力。该液压控制单元主要包含液压泵、油箱、相关连锁仪表及4套活塞式储能器（活塞式储油／气钢瓶）。整套SDV阀运行前，在储能器空瓶状态下，必须向储能器预充氮气13．5MPa，并按设备要求向液压控制单元油箱加装指定的驱动液压油（该阀使用壳牌Tellus32系列液压油）。整套阀门设备的正常工作压力范围是15～17．5MPa，最大不得超过20MPa。该SDV阀采用气液联动方式实现阀门开控制，当储能器的气液压力低于16MPa时，液压控制单元的液压泵自动运行，以实现向储能器升压，为SDV阀开阀动作补充动力源。关阀动作由SDV阀驱动头的缸内弹簧机构完成，无需外部动力源。若液压控制单元故障无法自动运行时，储能器中储存的气液压力可供阀门正常开关3个行程。液压控制单元还配有手动液压泵，以满足应急操作需求。

本文从SDV阀的驱动头油路和控制电路2部分进行阐述，以便读者了解这类阀门的主要工作原理。

1 SDV阀驱动头油路工作原理

图1所示的是阀门处于就地操作状态，阀门位置全关到位，且各类电磁阀未接通24VDC时的初始状态。阀门工作原理的分析是建立在以下基础之上的：阀门处于远程控制状态，阀门位置全关到位，ESD电磁阀1．3a和1．3b正常受电、吸合动作。

1．1 初始状态

若外部液压供应正常，则液压将从入口H1—经过滤器2—隔离阀1．1，将液压送至就地压力表3、缓冲罐1．9和电磁阀1．4（开关一体电磁阀，此时开阀油路暂未导通）；同时来自H1入口的液压油也传递至PST电磁阀1．2和导向阀1．5（但该导向阀的状态仍处于图1所示状态，因未得到来自ESD电磁阀1．3a和1．3b的激励液压）。

图1 阀门初始状态

SDV阀驱动头液压缸9内的液压油（若有）将流经导向阀1．5，因导向阀1．5处于图1所示位置，此时SDV阀驱动头液压缸的液压油将继续流经针形阀1．7，经接口H2返回液压控制单元的油箱。所以此时的SDV阀处在全关位（即初始位置为全关位置），故回旋阀6的内部油路也处在图1所示位置。

1．2 收到开命令

接到24VDC开阀信号后，激活电磁阀1．4开阀线圈，使得来自供油接口H1的液压顺利通过电磁阀1．4开阀油路，并由液压进行自锁以保持导通。之后，液压油经过已激活并导通的ESD电磁阀1．3a和1．3b，将液压油送至导向阀1．5的液压激励机械动作端。该液压（即最小工作压力150bar，15MPa）将使得导向阀1．5改变内部油路通道，使导向阀内部油路从针型阀1．7向针型阀1．6改变。

而PST电磁阀1．2初始状态（未送电状态）即为导通，至此，供油接口H1处液压可以经激活后的导向阀1．5向SDV阀驱动头液压缸9提供液压，使阀门进行开阀动作。

在开阀期间，因阀杆机械旋转动作，阀杆凸轮机构将逐渐推动回旋阀6的机械触头。当阀门完全开到位后，阀杆凸轮的最外沿使得回旋阀6的机械触头动作（内部油路发生改变）。此时供油接口H1中的液压，经缓冲罐1．9后的分支油路，向回旋阀6供压。因回旋阀6被SDV阀的阀杆凸轮机构触发，并改变了内部的油路，使得液压通过回旋阀6，并作用到PST测试电磁阀1．2的激励液压端。

至此，整个开阀过程结束，并且已经满足PST（部分行程）测试条件，可以进行PST测试、关阀或ESD操作。以下有2点需要补充说明：（1）2个ESD电磁阀1．3a和1．3b必须至少激活一路，否则阀门无法开启（基于SIL－2安全设计的考虑，阀全开到位后，只有2个ESD电磁阀同时失电／故障才会触发阀门关断动作）。（2）PST电磁阀1．2激活动作需2个必要条件：一个是激励液压激活，另一个是24VDC电源，缺一不可。

1．3 收到PST命令

通过上述分析，当安全阀全开到位后，PST测试即可进行。当提供24VDC电源激活PST电磁阀1．2后，PST电磁阀1．2内部油路发生改变，从而断开了导向阀1．5、流量控制阀1．6与供油接口H1的联接，而使得导向阀1．5、流量控制阀1．6与回油管路H2导通，该动作使SDV阀驱动头液压缸9内压力通过液压单元的油箱接口H2回油泻压，即实现PST测试动作的第一步——关阀动作。而当SDV阀驱动头上限位开关在阀门闭关至80%位置时，PST电磁阀1．2失电，该电磁阀内部管路再次恢复到供油状态，阀门再次开启至全开位。该功能可以对阀门的扭矩、控制指令接收情况等做定期检查和维护。

对于长期不出现紧急状况，又无法检测设备是否正常工作的SDV阀门，配置该功能就显得十分重要。该功能可以定期检查阀门工作情况，通过定期检修和维护，用户可以提前发现和解决SDV阀的故障，可以使得SDV阀在关键时刻正常发挥其至关重要的角色。

图2 SDV阀驱动头的完整控制电路

1．4 收到关命令

SDV阀在任何位置接收到关阀命令（24 VDC）后，电磁阀1．4关阀线圈得电动作，此时电磁阀内部路径切换至回油管路H2。电磁阀1．4的自锁液压、ESD电磁阀1．3a和1．3b管路液压将从电磁阀1．4关阀油路泄放液压至接口H2，该动作使得导向阀1．5的机械激励液压下降并丢失。因导向阀1．5的激励液压下降，致使导向阀1．5内部路径从供压管路H1切换至回油管路H2，从而触发SDV阀驱动头液压缸9内液压泄放。

该SDV阀的关阀动作采用弹簧机构为动力，当阀门驱动头液压缸内液压下降时，弹簧机构开始动作，直至SDV阀全关到位。

1．5 收到ESD命令

在安全阀全开到位或开启过程中的任意位置，若收到ESD关阀命令（即24VDC失电），则ESD电磁阀1．3a和1．3b将立即切换内部油路至初始状态（如图1所示）。这将使得导向阀1．5的激励液压经ESD电磁阀1．3b、1．3a通过与单向阀1．8连接的回油管路返回至H2接口。因导向阀1．5的激励液压丢失，致使导向阀1．5切换内部油路至初始状态（如图1所示），从而将SDV阀驱动头9的液压缸内液压经导向阀1．5和针型阀1．7泄放至H2接口，以实现SDV阀关阀动作，直至全关到位。

该SDV阀的ESD电磁阀有失电自锁功能，当ESD电磁阀重新得电后需要通过手动复位方能正常工作。即ESD电磁阀的24VDC电源恢复后，不会立即改变ESD电磁阀1．3a和1．3b的内部油路，必须再通过手动复位方可改变内部油路状态。这个功能的目的，是为了杜绝因未得到现场操作人员确认设备，或工艺安全的情况下，自动打开阀门而造成误动作。

通过现场操作人员对工艺和设备状态的检查，以及自动化系统控制人员对ESD命令取消的双重确认，可有效避免单方面误操作带来的风险，这一点在Shell DEP．标准31．36．10．30中也有明确的规定。

2 SDV阀驱动头控制电路工作原理

图2显示的是SDV阀驱动头的完整控制电路。由于篇幅有限，这里只解释PST测试回路，这有助于了解上述油路部分讲到的内容。分析本电路图的前提是：阀门控制处于就地状态，仅考虑PST测试回路。⊕、Θ分别为直流电24V的正、负极，编号相同接线端子为关联联接。“RELAY”以下简称继电器，编号不变。

首先，根据电路布置显示，总接线排1号端子（正）首先联接至阀门80%限位开关（云图包围部分），因限位开关取的是常闭（NC）触点，所以来自总接线排1号端子的电源（正），通过80%限位开关的常闭触点，被引至总接线排9号端子。9号端子有“A”、“B”两路输出。

此时，总接线排9号端子的电源由“A”电路经3#继电器的22号脚导通至21号脚，并将电源输送至总接线排的11号端子。就地PST测试按钮的14号脚从总接线排的11号端子取电，并在按钮按下时，经测试按钮的13号脚送出电源（正）至总接线排12号端子。其主要目的是：用总接线排并联的12号端子通过“P1”电路激活4#继电器，使其内部电路通断状态发生改变。

同时，总接线排9号端子的电源经“B”电路，将其中一路电源输送至4#继电器的24号脚和11号脚。当按下PST测试按钮时，4#继电器动作，“B1”电源（正）从4#继电器的24号、21号脚通过P2电路返回至总接线排12号端子，以实现对继电器的自锁功能。与此同时，另一路“B2”电源（正）被输送至4#继电器的11号脚，并在继电器动作后，实现11号与14号脚导通，进而由总接线排13号端子给PST电磁阀1．2提供24VDC电源（正），以实现PST电磁阀1．2动作。

最后，当阀门关闭约20%时，SDV阀的80%限位开关被激活，使得限位开关内常闭（NC）触点断开。此时将导致总接线排9号端子失电（“A”、“B”电路失电）、4#继电器解除自锁，这将使得PST电磁阀1．2失电。结合上述油路工作原理的分析，SDV阀的PST电磁阀1．2将重新恢复如图1所示状态。至此，阀门PST测试结束。