罐根紧急切断阀液压系统的研究及优化设计

刘 亮 李 京 赵得强 解恒达 郭 峰

（龙口滨港液体化工码头有限公司，山东 龙口 265700）

0 引言

紧急切断阀能使正在运行的管路快速切断，并且脱离后的两部分相互独立封闭，它一般设置在罐根阀和操作阀之间，一旦作业区域内有事故发生，紧急切断阀能迅速切断油液或危险化学气体、液体，保障储罐装卸过程中的安全运转，避免事故进一步扩大，减少事故损失，从而保障人员生命及财产安全。目前国家对储罐紧急切断设置提出了更高标准，可查到的文献主要内容概括如下：指出紧急切断阀安装位置存在的问题；紧急切断阀驱动方式如何选择；液压回路元件选型；紧急切断功能如何实现；气动、电动和电液三种驱动方式如何选择。可见有关电液执行机构中的液压回路几乎没有深入研究。国产的电液执行机构在科技性、可靠性、独立性和安全性能等方面与国外先进产品存在着差距，导致了国内大量中高端电液执行机构市场被国外品牌占领 ，目前国内制造商一般主要致力于电液执行机构的集成化，液压回路停留在原有水平，没有新的突破。该文针对以上问题，分析了国内生产的紧急切断阀液压回路的基本原理，提出各自存在的问题，并对电液执行机构液压系统进行了优化。

1 电液执行机构液压回路分析

目前，电液执行机构包括电控部分和液压部分，主要分两种，一种是单作用电液执行机构，一种是双作用电液执行机构，主要是根据油缸类型确定的。单作用油缸电液执行机构只有全开、全关两种安全状态，失去强电情况出现时，压缩弹簧会驱动活塞杆将阀门保持在安全位置，达到紧急切断的目的，这与安全相关。双作用油缸电动执行机构在失去强电情况下，阀门一般常处于位置保持状态，经人员确认后再执行下一指令，这种执行机构通常用于过程操作，无关安全。

1.1 电液执行机构控制模块工作原理

电液执行机构控制模块系统采用闭环控制方式，可对各种干扰和非线性因素进行有效的动态校正，当执行机构的控制模块系统接收到中控室发出的指令时，动力源会启动，并迅速升高至所需油压，液压油在动力源和驱动模块的作用下，促使执行机构快速响应动作，一侧的油压转成机械能，另一侧油压则通过液压节流阀、截止阀等快速泄放至油箱。与此同时，电气控制模块收到反馈信号，电气控制模块系统对输入信号和反馈信号进行校正，当输入与反馈信号波形一致时，动力源停止工作，油缸活塞杆位置不变。电液执行机构具有功能齐全、结构紧凑、体积小、质量轻、输出力大、反应速度快、使用寿命长、快速启动、制动和换向及过载保护等特点。单作用电液执行机构基本原理如图1 所示。

控制方式分为手动操作按钮控制和远程自动控制两种，可随时切换；当机电液执行机构失电或故障时，阀门有快速切断及自锁保位功能。操作方式主要有三种，分别为手动模式、电动模式和紧急模式。

1.2 电液执行机构液压回路工作原理

单作用电液执行机构液压回路工作原理如图2 所示，具体工作原理如下。

图1 单作用电液执行机构基本原理

电动模式：按住面板上的开启按钮，电动液压泵开始动作，油箱中的液压油经电动液压泵和单向阀进入单作用油缸，活塞在油压的作用下产生推力，压缩油缸内的弹簧，实现阀门的快速开启。当需要停止时，松开开启按钮，实现阀门的保位状态。复位时，按住面板上的关闭按钮，二位两通电磁阀打开，油缸内的液压油在弹簧力的作用下开始泄压，液压油经二位两通电磁阀流入油箱，根据操作者的需求，实现阀门的保位或关闭。

手动模式：需要手动开启阀门时，先确保截止阀处于关闭状态，操作手动液压泵，手动液压泵自带单向阀，活塞杆滑动到所需位置后停止操作手动液压泵即可；需要关闭阀门或者减少阀门开度时，仍然手动打开截止阀，油缸内的活塞杆在弹簧作用下使油缸卸荷，实现阀门保位或者关闭。

图2 单作用电液执行机构液压回路原理图

紧急模式：当现场发生火灾并且防火罩内温度达到防火自泄阀所设定的温度时，防火自泄阀开启，油缸内的液压油在弹簧力的作用下快速泄压，实现阀门紧急切断，无需人为进行控制；复位时，根据现场条件，选择手动模式或者电动模式进行复位。

存在的问题：

（1）由于罐根阀一般都是常开的，油缸内液压油一直处于有压状态，导致弹簧一直处于被压缩状态。弹簧随着时间增长会出现衰减，从而使紧急切断效果减弱甚至失效。

（2）当管道正处于输送介质过程中并且出现二位两通电磁阀弱电异常断电情况，阀门会瞬间切断，管道内部压力会突升，可能导致码头输油臂设备与油船由于压力过大而脱离，从而出现介质泄漏情况，存在安全隐患。此时，无论通过手动模式还是电动模式都无法将阀门打开，因为所有的液压油均通过二位两通电磁阀卸载到油箱内，因此只能修复二位两通电磁阀供电才能打开阀门。

（3）二位两通电磁阀和防火自泄阀长时间处于常闭状态，阀芯难免出现需要复位时而无法复位，从而失去快速切断和紧急切断的功能。

宫腔粘连是指子宫内膜基底层受损，并修复困难，导致宫腔部分或全部粘连、闭塞，多发生于有宫腔操作手术患者中[1]，临床表现为腹痛、月经量少、闭经、流产及不孕等。通过宫腔镜下宫腔粘连分离术进行治疗，但是治疗后容易病灶复发，再次形成粘连及闭塞，阻止复发是治疗成败的关键。雌激素、孕激素周期性的与子宫内膜上的受体结合，而发挥其生物学效应[2]。本研究分析不同程度的宫腔粘连患者子宫内膜雌激素受体(ER)和受体孕激素(PR)的表达水平差异，以指导后期临床用药，现将结果总结如下。

（4）手动模式和电动模式互相切换时，必须关闭截止阀，若操作人员忘记关闭，无论启动电动液压泵还是手动液压泵，均无法使油缸动作。

（5）快速频繁换向会直接或间接地影响系统，造成管路接头松动，产生泄漏。

双作用电液执行机构液压回路中有液压储能元件蓄能器，用它代替了单作用电液执行机构中的弹簧，回路中的蓄能器具有自动冲压功能，若蓄能器压力不足12Mpa，电机会自动对蓄能器进行自动充压，此时需等待片刻直至充压结束再进行其他操作。双作用故障型紧急切断液压回路原理图，如图3 所示，具体工作原理如下。

电动模式：按住面板上的开启按钮，二位三通电磁阀a通电激励，阀芯移位，油箱中的液压油经开启单向阀、二位三通电磁阀a、应急关闭电磁阀和液压锁流入双作用油缸一端，使活塞向下移动，同时油缸另外一端液压油经液压锁、二位三通电磁阀b 流入油箱，实现快速切断，松开按钮实现保位；同理，按住关闭按钮，二位三通电磁阀b 动作，实现快速打开，松开按钮实现保位；无论阀门是在开启还是关闭过程中，均向蓄能器内部充压。

图3 双作用故障型紧急切断液压回路原理图

手动模式：手动打开二位三通电磁阀a，然后操纵手动液压泵，液压油经单向阀、二位三通电磁阀a、应急应急关闭电磁阀和液压锁进入油缸，活塞向下移动，实现阀门切断或保位；同理，手动打开二位三通电磁阀b，实现阀门打开或保位；无论阀门是在开启还是关闭过程中，也向蓄能器内部充压。

紧急模式：打开闸阀c ，蓄能器中的液压油经闸阀c 和液压锁流入双作用油缸，实现手动紧急切断，同理，打开闸阀a，实现手动紧急打开；当周围发生火灾时，应急关闭电磁阀受热自动动作，蓄能器中的液压油经应急关闭电磁阀、液压锁流入油缸，实现故障型紧急切断。

显然，与单作用电液执行机构相比，双作用电液执行机构将单作用电液执行机构存在的问题基本解决了，但仍然存在其他问题。

（2）二位三通电磁阀a 和二位三通电磁阀b 出现一旦出现故障，电动模式无法形成回路，活塞位置保存不变；

（3）应急关闭电磁阀出现故障，只能通过蓄能器打开或关闭阀门， 若连续操作，蓄能器能量不足，无法再次开断；

（4）液压锁与双作用油缸之间一般通过高压油管连接，由于管路长时间受腐蚀环境和阳光照射，难免出现渗漏甚至涨破，此时无论哪种模式均已失效；另外双作用电液执行机构也会因快速频繁换向而直接或间接地影响系统，造成管路接头松动。

2 优化设计及创新之处

虽然制造厂家一般可根据用户需求在上述电液执行机构基础上增加相应功能或者附件，例如在故障（断强电、断信号及火灾）或联锁（ESD）信号时实现阀门可靠运行，但未从根本上提出更合理的电液回路。该文结合现场生产实际、多年设备管理出现的问题，采用冗余设计方法对液压回路进行优化设计，原理图如图4 所示。

手动模式：打开手动阀a，使阀芯右移，操纵手动泵，液压油流入油缸，阀门打开；同理，手动阀a 阀芯左移，阀门关闭；在阀门关闭和打开过程中，部分液压油也流入蓄能器。

电动模式：打开手动阀b，使阀芯右移，液压泵的液压油经其流入油缸，阀门快速关闭；同理，手动阀b 阀芯左移，阀门快速开启；在阀门关闭和打开过程中，部分液压油也流入蓄能器。

紧急模式：当意外情况出现而需人为紧急切断时，手动操作电磁阀a 和电磁阀b，蓄能器液压油快速流经电磁阀a，进入油缸，活塞向下紧急移动，同时，液压油通过电磁阀b流入油箱，阀门实现故障型紧急切断；当出现火灾等异常情况而需要自动切断时，防火阀a 和防火阀b 中的任意一个响应，与此同时，防火阀c 和防火阀d 中的任意一个响应，蓄能器中的液压油经防火阀a 或防火阀b、液压锁，流入油缸，此时油缸的输出液压油经防火阀c 或防火阀d 流入油箱，实现防火型紧急切断。

图4 双作用复合型紧急切断液压回路原理图

通过图2、图3 和图4 的对比可知，图4 液压回路工作原理是通过以下方式解决了单双作用电液执行机构液压回路存在的问题，具体如下：

（1）在两个常开电磁阀同时断电才起作用，意外情况导致两个同时出现故障的概率非常之低，保证了系统的安全性。

（2）防火阀在没有火灾的情况下一般是常闭的，长时间得不到动作，因此一旦遇到紧急情况而需要动作时，可能阀芯无法复位，产生阀芯卡死现象，为了可靠运行，防火阀两端并联防火阀。

（3）三种模式相对独立，自由切换；电动模式的液压油并不是直接进入蓄能器，因此解决了蓄能器油路异常情况导致的整个系统瘫痪；电动模式通过两个液控单向阀增加了系统的可靠性，避免两个电磁阀有一个不动作而无法形成回路的问题；执行机构处两个常开电磁阀增加了24V 备用电池，保证电动执行机构在出现供电中断后仍能正常工作，关闭阀门。

（4）在外露的高压油管两端并联备用回路（备用回路包括手动电动复合型换向阀），一旦一支回路出现故障，让备用回路起作用可进一步确保整个液压系统的安全性，提高系统的可靠性。

3 结语

为了提高紧急切断阀电液执行机构的可靠性，该文通过分析现有的单作用和双作用电液执行机构液压回路基本工作原理，并分别指出存在的问题，再用冗余设计方法对其进行优化，设计出一套智能化程度高、运行平稳、速度快、响应时间短和可靠性高的电液执行机构液压回路，它可以快速开启或关闭阀门，切断油液或危险化学品气体、液体，从而确保人员生命和财产安全。