控制閥執行機構故障安全案例分析及確認試驗

沙海勇

中石化第十建設有限公司 山東淄博 255438

1 概述

石油化工、煤化工生產的主要特點是生產工況高溫、高壓，原料和產品易燃易爆，控制過程復雜，穩定性要求高，重要參數超限可能引發重大的安全生產事故，因此，化工裝置對于安全生產要求很高，設置有很多的保護方法，其中聯鎖保護系統是最主要的安全措施， 而執行機構是安全聯鎖保護系統的終端執行部分，當出現異常狀況時，要求其快速打開、關閉或者保位，以及通過氣動附件對儀表風壓力的檢測， 進行預判迅速改變當前危險狀態，轉換到安全工況,反之，將造成裝置的局部故障甚至裝置停車。因此這類控制閥在完成規定的檢查和調試項目外（按照規程要求控制閥執行機構的檢查和調試項目包括： 膜頭氣密性檢查、行程精度試驗、靈敏度試驗、行程時間試驗），為工況安全生產要求應對突發狀況確保安全，需要進行故障安全試驗確認。

故障安全確認是指儀表系統出現故障時， 執行機構被置于預定安全位置的功能。對于執行機構而言，系統故障主要包括兩個方面：電源失效和氣源失效。電源失效是指用于兩位式執行機構控制用電磁閥失電狀態以及線路斷路等。 氣源失效則有儀表氣源突然中斷、 儀表氣源壓力低于設定值不能滿足執行機構對最低壓力的要求等情況。

故障安全位置包括了失氣-關閉、失氣-打開、失氣-鎖定三種狀態，任何一種位置都被認為是保護工藝過程必需的。對雙氣缸氣動執行機構而言， 失效-安全作用方式需要采用連接到執行機構上的輔助部件實現。

2 案例分析

背景： 某煤化工氣化裝置， 氣化爐鎖斗系統中鎖渣閥的使用。

鎖渣閥情況：雙作用氣缸式鎖渣閥，附件有：雙電磁閥、單氣路轉換閥2臺、儲氣罐、單向閥，故障類型：FC。

氣源故障（失效）檢測：當氣源壓力降至0.3～0.4MPaG（可設置）時，閥門在貯氣罐內儀表風壓力作用下閥門自動處于故障安全位置關閉狀態。

2.1 鎖斗系統組成及鎖渣閥

順控邏輯要求如圖1所示。

2.1.1 鎖斗系統組成

鎖 斗V-021308A、 鎖 斗 沖 洗 水 罐V-021309、 渣 池V-021310、鎖斗循環泵、上鎖渣閥KV-021308A（正常運行時，上鎖渣閥一直保持常開狀態）、中鎖渣閥KV-021309A、下鎖渣閥KV-021310A等鎖斗閥門以及其它附屬儀表。 渣池泵和撈渣機也是鎖渣系統的一部分而其操作與鎖渣邏輯無關。

2.1.2 鎖渣閥順控邏輯要求

為避免操作和控制失誤， 當下鎖渣閥KV-021310A未關閉，中鎖渣閥KV-021309A不得打開。 中鎖渣閥KV-021309A打開前， 下鎖渣閥KV-021310A 必須關閉。 中鎖渣閥KV-021309A關閉后，下鎖渣閥KV-021310A才允許打開。 中鎖渣閥KV-021309A打開后，不允許沖洗閥KV-021313打開。

圖1 鎖斗系統組成及鎖渣閥順控邏輯要求

2.2 鎖渣閥氣路

控制原理如圖2所示

圖2 鎖渣閥氣路控制原理

執行機構電磁閥對故障安全要求是， 正常時處于勵磁（帶電）狀態，非正常時處于非勵磁（不帶電）狀態。 重要聯鎖電磁閥采用雙三通電磁閥方式，防止一個電磁閥故障出現拒動現象時，影響整體控制效果。 該鎖渣閥采用電磁閥冗余配置。

電磁閥D1和D2是冗余配置；D1、D2電磁閥驅動氣路轉換閥A工作，進而帶動氣缸工作。

氣路轉換閥B的F氣路必須接到氣罐單向閥前，其作用是檢測主氣路的氣源壓力是否低于過濾減壓閥C的設定壓力（也就是執行機構的最小儀表風工作壓力）；如果當主氣路的氣源壓力低于C的設定壓力時，儲氣罐氣源通過氣路轉換閥A進入氣缸，驅動活塞使閥門切換到故障安全位置，鎖渣閥關閉。

2.3 過程控制故障分析

根據雙作用氣缸式的特點： 閥門開關動作必須在一定的儀表風壓力作用下才能執行。氣化爐正常運行期間，上鎖渣閥一直保持常開狀態。假如沒有安裝氣源壓力檢測的附件氣路轉換閥，儀表風此時出現故障， 儀表氣源壓力不能滿足控制閥最小工作壓力要求或儀表風中斷，此時鎖斗程控繼續執行，將消耗完儲罐的氣源。 當鎖斗正處于收渣即KV-021309A閥門處于打開狀態，根據邏輯要求下鎖渣閥KV-021310A處于關閉位置，若此時鎖斗/激冷室差壓（PDIA-021309A） 低低發生需要關閉KV-021309A， 但此時儀表風壓力不足以關閉閥門。 造成的后果：氣化爐一直在排渣會造成鎖斗設備及氣化爐堵塞。

通過氣動附件對儀表風故障或失效的檢測，進行預判引導儲氣罐內儲備儀表風，使閥門切換至故障安全位置，改變當前危險狀態。由此說明，氣源壓力檢測的重要性及進行故障安全試驗的必要性。

3 故障安全確認試驗

3.1 電源故障試驗

工具設備：螺絲刀、萬用表。

電源故障指電磁閥供電線路出現短路、 斷路、 線路破損接地、隔離柵故障或供電功率小不能驅動電磁閥線圈勵磁，使電磁閥失電或不能動作，確認控制閥應位于預定的故障安全位置。斷路、 短路的判定可通過在控制系統側對能否測量到電磁閥正確的線圈阻抗進行判斷， 試驗方法是模擬回路故障， 讓電磁閥失電。 如；掰開回路保險、拆除現場側線路。

注意：恢復時應通過控制系統操作界面將該閥置于“ OFF”,在電磁閥失電狀態下恢復線路，避免帶電恢復。確保線路在恢復及恢復后無斷路、短路、接地。

3.2 氣源故障試驗

工具設備；Φ8或Φ10的鋼管（根據控制閥執行機構使用鋼管的型號、 規格選擇）， 與之配套的終端接頭2個， 三通接頭1個，壓力表接頭1個、定值器一個、精密壓力表一臺、扳手兩把。

圖3 氣源故障試驗

如圖3所示，采用兩個單氣路轉換閥A和B和雙電磁閥A和B控制雙作用開關閥，氣路中配備有單向閥和儲氣罐，同時設置一個單氣路轉換閥用于檢測主氣路的氣源壓力， 儲氣罐用于氣源故障時的備用氣源。 從電動控制原理分析， 電磁閥A和B控制原理與單作用開關閥相同；從氣源故障角度上說，氣控閥A的壓力檢測端連接到氣罐單向閥前， 當主氣路的氣源壓力低于設定壓力時，儲氣罐氣源通過氣路轉換閥A進入氣缸，驅動活塞使閥門切換到故障安全位置。

在進行檢查調試工作前， 以圖3所示完成氣路中試驗裝置的連接（紅色部分）和電路連接。

氣源故障檢測是通過執行機構上氣動附件氣路轉換閥完成的，多用于雙作用執行機構中。 試驗時，將開關閥置于與設計文件規定的故障安全位置相反的閥位， 在氣源入口安裝一臺定值器和一塊精密壓力表，調整氣源入口的定值器，首先將定值器的出口調至最大（等于系統總管壓力），然后緩慢調整定值器，使氣源壓力緩慢降低，觀察壓力表的變化直到氣路轉換閥動作，執行機構從現在位置動作至故障安全位置， 記錄執行機開始動作時的壓力值，并記錄執行機構全行程時間，看是否符合設計要求。雙作用執行機構配置儲氣罐時， 應檢查儲氣罐入口單向閥已打開，罐內儀表風充滿已進入執行機構。再緩慢調整定值器提高氣源壓力，直到調節閥從當前位置又恢復到故障前位置，記錄恢復值，核對確認試驗數據是否符合設計要求，若不符合則對氣路轉換閥調整， 直到滿足要求， 試驗結束將定值器與精密壓力表拆除，恢復原有管路，并做氣密檢查。

注意：對于重要的執行機構來說，開關時間是衡量其性能的主要參數，正常狀態下的開關時間測試，已在常規試驗中進行。在進行氣源故障安全確認試驗時， 執行機構切換到安全位置所需時間同樣通過秒表測量， 測試結果與儀表規格書中規定的動作時間比對，應符合設計對全行程開關時間的要求。如不符合要求可通過氣動放大器、快速釋放閥（快排閥）等氣動附件調整。

4 結束語

隨著石油化工生產工藝要求的提高，對氣動執行機構的調節品質和安全要求也在不斷變化， 本文僅僅是對其中故障安全試驗進行分析，還有多種組合方式實現著各種不同的功能。在檢查調試工作進行前，需要深入理解調節閥執行機構配置的要求、實現的手段和最終目的，并以此作為檢查調試的依據，從而制定嚴謹合理的校驗方法，確保設備功能的完整性和動作的可靠性。