EMERSON 48″安全閥基本工作原理分析

徐 偉 霍青國 閆 艷

（中油龍慧自動化工程有限公司，河北 廊坊065000）

0 引言

安全截斷閥（以下簡稱安全閥）主要被用于高危、易燃易爆、有毒、有害介質的關鍵工藝流程、關鍵設施（備）進出口處。安全閥的主要作用是在突發和緊急情況下快速關閉（或開啟）閥門以隔離（或釋放）相關介質，防止或減輕有害危險物質的蔓延和失控。其基本控制功能包括就地／遠程開、關閥門，ESD緊急關斷等。個別閥門因工藝設計需要，還會設置PST（Partial Stroke Test，部分行程測試）功能，或配備有專用的閥門測試軟件。筆者有幸在一特大型項目（32．9億美元EPC項目）中從事投產技術保障工作，其中就涉及到了48″安全截斷閥（以下簡稱SDV閥）的調試和故障檢修工作。因整套設備控制單元較多，本文主要分析閥門驅動頭的工作原理，希望對從事類似工作的同行起到一定參考作用。

該閥由艾默生Bettis提供驅動頭、Pibiviesse提供閥體組裝而成，此外還配有液壓控制單元，用于提供閥門動作所需的外部液壓驅動力。該液壓控制單元主要包含液壓泵、油箱、相關連鎖儀表及4套活塞式儲能器（活塞式儲油／氣鋼瓶）。整套SDV閥運行前，在儲能器空瓶狀態下，必須向儲能器預充氮氣13．5MPa，并按設備要求向液壓控制單元油箱加裝指定的驅動液壓油（該閥使用殼牌Tellus32系列液壓油）。整套閥門設備的正常工作壓力范圍是15～17．5MPa，最大不得超過20MPa。該SDV閥采用氣液聯動方式實現閥門開控制，當儲能器的氣液壓力低于16MPa時，液壓控制單元的液壓泵自動運行，以實現向儲能器升壓，為SDV閥開閥動作補充動力源。關閥動作由SDV閥驅動頭的缸內彈簧機構完成，無需外部動力源。若液壓控制單元故障無法自動運行時，儲能器中儲存的氣液壓力可供閥門正常開關3個行程。液壓控制單元還配有手動液壓泵，以滿足應急操作需求。

本文從SDV閥的驅動頭油路和控制電路2部分進行闡述，以便讀者了解這類閥門的主要工作原理。

1 SDV閥驅動頭油路工作原理

圖1所示的是閥門處于就地操作狀態，閥門位置全關到位，且各類電磁閥未接通24VDC時的初始狀態。閥門工作原理的分析是建立在以下基礎之上的：閥門處于遠程控制狀態，閥門位置全關到位，ESD電磁閥1．3a和1．3b正常受電、吸合動作。

1．1 初始狀態

若外部液壓供應正常，則液壓將從入口H1—經過濾器2—隔離閥1．1，將液壓送至就地壓力表3、緩沖罐1．9和電磁閥1．4（開關一體電磁閥，此時開閥油路暫未導通）；同時來自H1入口的液壓油也傳遞至PST電磁閥1．2和導向閥1．5（但該導向閥的狀態仍處于圖1所示狀態，因未得到來自ESD電磁閥1．3a和1．3b的激勵液壓）。

圖1 閥門初始狀態

SDV閥驅動頭液壓缸9內的液壓油（若有）將流經導向閥1．5，因導向閥1．5處于圖1所示位置，此時SDV閥驅動頭液壓缸的液壓油將繼續流經針形閥1．7，經接口H2返回液壓控制單元的油箱。所以此時的SDV閥處在全關位（即初始位置為全關位置），故回旋閥6的內部油路也處在圖1所示位置。

1．2 收到開命令

接到24VDC開閥信號后，激活電磁閥1．4開閥線圈，使得來自供油接口H1的液壓順利通過電磁閥1．4開閥油路，并由液壓進行自鎖以保持導通。之后，液壓油經過已激活并導通的ESD電磁閥1．3a和1．3b，將液壓油送至導向閥1．5的液壓激勵機械動作端。該液壓（即最小工作壓力150bar，15MPa）將使得導向閥1．5改變內部油路通道，使導向閥內部油路從針型閥1．7向針型閥1．6改變。

而PST電磁閥1．2初始狀態（未送電狀態）即為導通，至此，供油接口H1處液壓可以經激活后的導向閥1．5向SDV閥驅動頭液壓缸9提供液壓，使閥門進行開閥動作。

在開閥期間，因閥桿機械旋轉動作，閥桿凸輪機構將逐漸推動回旋閥6的機械觸頭。當閥門完全開到位后，閥桿凸輪的最外沿使得回旋閥6的機械觸頭動作（內部油路發生改變）。此時供油接口H1中的液壓，經緩沖罐1．9后的分支油路，向回旋閥6供壓。因回旋閥6被SDV閥的閥桿凸輪機構觸發，并改變了內部的油路，使得液壓通過回旋閥6，并作用到PST測試電磁閥1．2的激勵液壓端。

至此，整個開閥過程結束，并且已經滿足PST（部分行程）測試條件，可以進行PST測試、關閥或ESD操作。以下有2點需要補充說明：（1）2個ESD電磁閥1．3a和1．3b必須至少激活一路，否則閥門無法開啟（基于SIL－2安全設計的考慮，閥全開到位后，只有2個ESD電磁閥同時失電／故障才會觸發閥門關斷動作）。（2）PST電磁閥1．2激活動作需2個必要條件：一個是激勵液壓激活，另一個是24VDC電源，缺一不可。

1．3 收到PST命令

通過上述分析，當安全閥全開到位后，PST測試即可進行。當提供24VDC電源激活PST電磁閥1．2后，PST電磁閥1．2內部油路發生改變，從而斷開了導向閥1．5、流量控制閥1．6與供油接口H1的聯接，而使得導向閥1．5、流量控制閥1．6與回油管路H2導通，該動作使SDV閥驅動頭液壓缸9內壓力通過液壓單元的油箱接口H2回油瀉壓，即實現PST測試動作的第一步——關閥動作。而當SDV閥驅動頭上限位開關在閥門閉關至80%位置時，PST電磁閥1．2失電，該電磁閥內部管路再次恢復到供油狀態，閥門再次開啟至全開位。該功能可以對閥門的扭矩、控制指令接收情況等做定期檢查和維護。

對于長期不出現緊急狀況，又無法檢測設備是否正常工作的SDV閥門，配置該功能就顯得十分重要。該功能可以定期檢查閥門工作情況，通過定期檢修和維護，用戶可以提前發現和解決SDV閥的故障，可以使得SDV閥在關鍵時刻正常發揮其至關重要的角色。

圖2 SDV閥驅動頭的完整控制電路

1．4 收到關命令

SDV閥在任何位置接收到關閥命令（24 VDC）后，電磁閥1．4關閥線圈得電動作，此時電磁閥內部路徑切換至回油管路H2。電磁閥1．4的自鎖液壓、ESD電磁閥1．3a和1．3b管路液壓將從電磁閥1．4關閥油路泄放液壓至接口H2，該動作使得導向閥1．5的機械激勵液壓下降并丟失。因導向閥1．5的激勵液壓下降，致使導向閥1．5內部路徑從供壓管路H1切換至回油管路H2，從而觸發SDV閥驅動頭液壓缸9內液壓泄放。

該SDV閥的關閥動作采用彈簧機構為動力，當閥門驅動頭液壓缸內液壓下降時，彈簧機構開始動作，直至SDV閥全關到位。

1．5 收到ESD命令

在安全閥全開到位或開啟過程中的任意位置，若收到ESD關閥命令（即24VDC失電），則ESD電磁閥1．3a和1．3b將立即切換內部油路至初始狀態（如圖1所示）。這將使得導向閥1．5的激勵液壓經ESD電磁閥1．3b、1．3a通過與單向閥1．8連接的回油管路返回至H2接口。因導向閥1．5的激勵液壓丟失，致使導向閥1．5切換內部油路至初始狀態（如圖1所示），從而將SDV閥驅動頭9的液壓缸內液壓經導向閥1．5和針型閥1．7泄放至H2接口，以實現SDV閥關閥動作，直至全關到位。

該SDV閥的ESD電磁閥有失電自鎖功能，當ESD電磁閥重新得電后需要通過手動復位方能正常工作。即ESD電磁閥的24VDC電源恢復后，不會立即改變ESD電磁閥1．3a和1．3b的內部油路，必須再通過手動復位方可改變內部油路狀態。這個功能的目的，是為了杜絕因未得到現場操作人員確認設備，或工藝安全的情況下，自動打開閥門而造成誤動作。

通過現場操作人員對工藝和設備狀態的檢查，以及自動化系統控制人員對ESD命令取消的雙重確認，可有效避免單方面誤操作帶來的風險，這一點在Shell DEP．標準31．36．10．30中也有明確的規定。

2 SDV閥驅動頭控制電路工作原理

圖2顯示的是SDV閥驅動頭的完整控制電路。由于篇幅有限，這里只解釋PST測試回路，這有助于了解上述油路部分講到的內容。分析本電路圖的前提是：閥門控制處于就地狀態，僅考慮PST測試回路。⊕、Θ分別為直流電24V的正、負極，編號相同接線端子為關聯聯接?！癛ELAY”以下簡稱繼電器，編號不變。

首先，根據電路布置顯示，總接線排1號端子（正）首先聯接至閥門80%限位開關（云圖包圍部分），因限位開關取的是常閉（NC）觸點，所以來自總接線排1號端子的電源（正），通過80%限位開關的常閉觸點，被引至總接線排9號端子。9號端子有“A”、“B”兩路輸出。

此時，總接線排9號端子的電源由“A”電路經3#繼電器的22號腳導通至21號腳，并將電源輸送至總接線排的11號端子。就地PST測試按鈕的14號腳從總接線排的11號端子取電，并在按鈕按下時，經測試按鈕的13號腳送出電源（正）至總接線排12號端子。其主要目的是：用總接線排并聯的12號端子通過“P1”電路激活4#繼電器，使其內部電路通斷狀態發生改變。

同時，總接線排9號端子的電源經“B”電路，將其中一路電源輸送至4#繼電器的24號腳和11號腳。當按下PST測試按鈕時，4#繼電器動作，“B1”電源（正）從4#繼電器的24號、21號腳通過P2電路返回至總接線排12號端子，以實現對繼電器的自鎖功能。與此同時，另一路“B2”電源（正）被輸送至4#繼電器的11號腳，并在繼電器動作后，實現11號與14號腳導通，進而由總接線排13號端子給PST電磁閥1．2提供24VDC電源（正），以實現PST電磁閥1．2動作。

最后，當閥門關閉約20%時，SDV閥的80%限位開關被激活，使得限位開關內常閉（NC）觸點斷開。此時將導致總接線排9號端子失電（“A”、“B”電路失電）、4#繼電器解除自鎖，這將使得PST電磁閥1．2失電。結合上述油路工作原理的分析，SDV閥的PST電磁閥1．2將重新恢復如圖1所示狀態。至此，閥門PST測試結束。

3 結語

通過上述分析，讀者可以清楚地了解到此類SDV閥門的基本工作原理。由于篇幅有限，還有很多細節無法逐一展開，但該閥的核心控制原理已基本概述到位。相信通過本文的分析，可以使從事SDV閥調試、維護的工程師們有一個準確的參考依據，也可據此原理分析、診斷出此類閥門的故障原因，從而制定出有效可行的調試維護方案。