海上平臺磁致伸縮液位計跳變原因及解決辦法

吳高波 王桂鈞（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江524057）

某海上平臺隸屬于中海石油（中國）有限公司湛江分公司，2018年7月開始試生產(chǎn)，至今1年多以來，接入中控系統(tǒng)的磁致伸縮液位變送器發(fā)生大范圍的顯示值跳變和故障，共導致5次以上生產(chǎn)關停，多次調節(jié)閥控制不穩(wěn)，嚴重影響了平臺的安全生產(chǎn)和生產(chǎn)時效，牽涉了大量的人力物力，甚至導致了一些次生問題，對平臺設備的正常運行造成嚴重威脅。

平臺磁致伸縮液位變送器共計有81 臺，分屬3 個品牌，其中一個品牌液位變送器有14 臺，表現(xiàn)較好，但其余2 個品牌總計產(chǎn)生過跳變或故障的涉及到其中的24 臺，故障率高達36.2%，參與ESD 邏輯關斷的共有10 臺，不參與關斷的其他14臺異常的液位跳變導致發(fā)出的虛假控制指令也會間接造成關斷。各品牌液位變送器都為同一批次、同一工程建造階段安裝和調試。

1 磁致伸縮液位變送器簡介

磁致伸縮液位變送器利用的是磁致伸縮原理設計而成，利用傳感管內(nèi)磁致伸縮線上脈沖電流向下傳送產(chǎn)生的環(huán)形磁場，與磁性浮球的磁場相互作用產(chǎn)生扭力波，通過檢測扭力波傳輸?shù)臅r間從而判斷浮球的位置，進而準確判斷出液面位置[1]。

2 故障現(xiàn)象

從投產(chǎn)伊始，磁致伸縮液位變送器開始出現(xiàn)大范圍顯示值跳變，典型的故障現(xiàn)象主要有：

（1）周期性跳變：一直不穩(wěn)定，始終處于跳變狀態(tài)，跳變幅度范圍較大，但未達到關停設點值。

（2）尖峰跳變：大部分時間運行較穩(wěn)定，但偶爾出現(xiàn)向上或向下的尖峰跳變，超過高高/低低設定值，引起關停。

（3）液位變化時輸出不變，液位顯示逐漸從正常值降低至最低液位等。

3 故障原因排查

3.1 中控系統(tǒng)排查

（1）中控系統(tǒng)卡件故障。在線檢查中控系統(tǒng)，確認硬件組態(tài)、程序、參數(shù)設置正確，所有卡件運行正常，排除了卡件的問題。

（2）中控系統(tǒng)軟件問題。在組態(tài)軟件中，手動給定模擬量值，畫面顯示正常，排除了監(jiān)控軟件的問題。

（3）接線問題。檢查中控控制柜、中間接線箱、液位變送器等接線都正確，各點接觸良好；分別從接線柜端子排上和現(xiàn)場變送器處用毫安信號發(fā)生器模擬輸人4-20mA 電流信號，中控都顯示正常，未出現(xiàn)異常跳變的情況，排除了接線問題。

3.2 環(huán)境因素排查

（1）振動

查找液位變送器設計數(shù)據(jù)表，對壓縮機橇內(nèi)的液位變送器提出增加隔振環(huán)的要求，而對其他區(qū)域沒有這一要求。但實際上，離壓縮機近的區(qū)域振動也很大，這些區(qū)域與壓縮機區(qū)域內(nèi)安裝的液位變送器跳變情況差別非常明顯，要頻繁得多。因此振動是導致變送器跳變的主因之一。

（2）電磁干擾

平臺共7 臺天然氣壓縮機，其中有6 臺由變頻器和變頻電機驅動，此外，其他區(qū)域也有使用變頻驅動設備。變頻設備產(chǎn)生的電磁干擾明顯表現(xiàn)在壓縮機本體的熱電阻溫度跳變上，導致熱電阻溫度在變頻電機不啟動時正常，但在變頻電機啟動運行時必然發(fā)生±10℃的跳變。由此推斷出現(xiàn)場確實存在電磁干擾，而通過示波器連接液位變送器接線板，觀察曲線圖也檢測到了這種干擾，是導致液位變送器跳變的主因之一。

3.3 液位變送器自身因素排查

（1）門檻電壓

出現(xiàn)無序跳變后，適當調高門檻電壓，部分液位變送器跳變情況得到明顯好轉，但部分跳變問題無法解決，仍時有發(fā)生。較多液位變送器需調整門檻電壓，設置不合適是導致液位變送器跳變的主要原因之一。

（2）剩磁影響

實際液位變化時輸出不變，使用磁鐵靠近探桿時輸出有變化。此時探桿上應殘余有剩磁，需用磁棒或浮子自底到頂?shù)幕綏U來消除。此類情況出現(xiàn)較少，非主因。

（3）變送模塊、探桿、浮子故障

跳變始終無法解決的液位變送器，部分經(jīng)更換變送模塊后顯示正常，部分需更換探桿才能解決問題。浮子存在幾種情況：浮子在壓力作用下被嚴重壓扁、開裂進液、磁性減弱，這些問題都會導致變送器故障，需要更換。產(chǎn)品質量問題缺陷較明顯，是主因之一。

4 問題原因分析

（1）門檻電壓

分析磁致伸縮信號曲線圖發(fā)現(xiàn)，起始電流脈沖波發(fā)出開始計時，一直到扭應力波值超過預先設定的門檻電壓值時停止計時，由這個時間間隔換算出液位高度；若門檻電壓設置過高，超過扭應力波峰值，則會始終檢測不到扭應力波，變送器無輸出；若門檻電壓設置過低，則會先檢測到一些雜波，導致測量不準，而且雜波的產(chǎn)生無規(guī)律，會出現(xiàn)液位跳變的情況。

（2）電磁干擾

變頻電機對電網(wǎng)而言是非線性負載，當電流流經(jīng)負載時，與所加的電壓呈非線性關系，或者輸出的電流本身不是標準的正弦波，從而產(chǎn)生諧波，進而對其他電子、電氣設備產(chǎn)生諧波干擾。干擾途徑與一般電磁干擾途徑一致，主要分電磁輻射、傳導、感應耦合。這些干擾會影響液位變送器電子元器件的正常運行及液位變送器本身磁場的穩(wěn)定性，或在信號電纜中因感應耦合而產(chǎn)生信號傳輸波動，從而導致跳變。

（3）振動

一般液位變送器都有抗振的要求，但當振動過大時，超過了儀表安裝環(huán)境的要求，而液位變送器掛扣在測量筒上沒有緩沖墊，加劇了振動的影響，直接體現(xiàn)在幾個方面：加速元器件的老化；影響電子元器件工作穩(wěn)定性；受振動的影響，浮子與探桿之間的間距突變，影響磁場的穩(wěn)定性等，從而影響到液位顯示的穩(wěn)定。人為對液位變送器探桿進行小幅度的擊打實驗，明顯觀察到液位顯示值的跳變。

（4）自身特性

磁致伸縮液位變送器本身的工作原理決定了其電氣回路結構復雜，對元器件工作穩(wěn)定性、精確度要求很高，但現(xiàn)場跳變的液位變送器，國外品牌國內(nèi)生產(chǎn)制造，并非一體式安裝制造，制造工藝或精度要求不一定達標；產(chǎn)品應用經(jīng)驗不足，未在海上平臺環(huán)境大范圍使用過，未針對特殊的環(huán)境進行過軟硬件升級改造；選型時也未針對高電磁干擾、高振動的情況提出更高的招標要求。這些因素綜合作用下，導致了目前液位變送器穩(wěn)定性不足的現(xiàn)狀。

5 解決方法分析

5.1 環(huán)境因素

（1）振動。降低振動，在探桿與測量筒之間增加隔振環(huán)，重新調整設置探桿與浮子之間的間距。

（2）電磁干擾。采用增加屏蔽等措施降低電磁輻射；嚴格按照規(guī)范要求做好各項屏蔽接地；在變送器與中控卡件之間增加模擬信號隔離器，過濾降低跳變信號的干擾，提高穩(wěn)定性；中控程序中增加延時濾波程序，降低電磁干擾的影響。

5.2 自身因素

（1）調節(jié)門檻電壓。門檻電壓不能過高或過低，最好在連接示波器后，根據(jù)其顯示的曲線圖調整門檻電壓至扭力波峰值范圍內(nèi)1/2 處。若沒有示波器，順時針或逆時針調整門檻電壓一次2～3圈至表頭輸出正常為止。

（2）元器件故障。掌握磁致伸縮液位工作原理及日常維護處理方法，當變送模塊、探桿、浮子等出現(xiàn)故障時，及時鎖定故障根源，維修或替換備件。

（3）選型問題。選型時必須充分考慮現(xiàn)場高振動、高電磁干擾的特殊情況，對液位變送器本身提出更高的要求；同時，可選擇電氣回路更簡單的干簧電阻式液位變送器，經(jīng)過實踐檢驗，其在抗振和抗電磁干擾方面表現(xiàn)遠優(yōu)于磁致伸縮液位變送器。

（4）穩(wěn)定性問題。某品牌磁致液位變送器在之前的實際應用中也經(jīng)歷過大范圍跳變的情況，但在深入分析故障現(xiàn)象和原因后，針對液位計硬件與軟件設施的電磁兼容的多項要求進行了大量的升級改造工作，在承受射頻電磁場輻射、射頻場磁感應的傳導騷擾、電快速瞬變沖群、浪涌沖擊等方面有了改觀，大大提升了液位變送器的穩(wěn)定性。

6 結語

文章從海上平臺案例出發(fā)，結合現(xiàn)場排查，從理論上分析得出磁致伸縮液位變送器跳變的具體原因，并從環(huán)境和本身兩個方面提出了解決方案。但受現(xiàn)場實際情況所限及時間和成本等因素影響，某些解決措施還需經(jīng)長期的觀察，確定是否從根源真正解決了問題。同時，液位變送器本身存在的一些缺陷需現(xiàn)場人員和廠家共同努力，從各個方面深入研究解決，保障現(xiàn)場生產(chǎn)的平穩(wěn)運行。