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摘 要：该文通过介绍Shafer气液联动执行机构组成和开关功能，分析造成误动作原因，探讨减少或降低误动作几率对策，并结合工作实际提出解决建议。
关键词：Shafer气液联动执行机构 误动作 分析与解决 对策
中图分类号：TE973 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（c）-0077-02
随着西气东输、川气东送、陕京线和漠大线等大口径、长距离输油气管线建成投入运营，我国油气管道事业进入快速发展时期。但是在管道运行过程中，由于各种原因发生如油气泄露、燃烧或爆炸等突发事故时，需对事故点上下游线路截断阀紧急关断。Shafer气液联动执行机构以高压天然气或手泵作为动力源，无需外加机械或电力设备，事故率低，经济性好，因此被广泛应用。
但在实际应用过程中，受到外界环境和设备自身一些因素影响，气液联动执行机构会出现误动作现象，造成输送介质局部停输，给管线安全平稳运行产生负面影响。该文将以冀宁线为例针对Shafer气液联动执行机构误关断现象进行分析，重点对LineGuard电控单元深入探讨，并提出相应的解决对策。
1 Shafer气液联动执行机构简介
1.1 主要组成
Shafer气液联动执行机构主要由提升阀气路控制块、手动泵装置、执行器、储液罐、备用气源罐、限位开关、LineGuard控制箱等部分组成。
1.2 开、关功能介绍
正常情况下，无论是场站、RTU阀室或普通阀室，Shafer气液联动执行机构均可实现就地手动液压、手动气动开关和满足一定条件时自动关闭功能。另外，场站和RTU阀室Shafer气液联动执行机构还具备远程操作开关功能。
LineGuard2200电控箱主要包括控制主板、压力传感器、电磁阀、电池组4个部分。主要功能是采集在线介质压力，并与设定值进行比较，当检测压力值超出设定值时（压力低限、高限和压降速率），电控箱发出关阀命令，Shafer气液联动执行机构将会自动关闭。
2 Shafer气液联动执行机构误关断原因分析
根据上述关阀条件可知，误动作关阀原因有以下5种可能。
2.1 控制主板故障
控制主板出现软件或硬件故障后发出错误信号，造成执行机构误关断。
2.2 压力变送器故障
压力变送器出现故障主要由以下几种原因引起：（1）压力变送器取压口（引压管路）发生泄漏或者内部堵塞导致采样压力低于干线压力，从而采集到错误的压力值；（2）压力变送器抗干扰能力不够强，变送器本身受到外界干扰导致变送器输出信号与实测压力值不一致；（3）压力变送器本身故障导致其输出信号不稳定。
2.3 关阀电磁阀内漏
电磁阀内出现水、气体杂质导致内漏，达到一定压力的泄漏气体将导致与执行关阀命令一致的关阀动作。
2.4 控制系统太阳能供电故障
LineGuard电控箱通过太阳能电池板供电，根据厂家提供的数据，蓄电池电压应该保持在11 V以上。随着服役时间变长，电控箱中备用蓄电池出现老化，蓄电能力下降。若遭遇阴雨天气，太阳能电池板无法正常供电，当蓄电池输出电压低于11 V时可能引起阀门误动作。
2.5 控制程序自身漏洞
考虑到压力变送器工作原理和信号形式，在采集压力信号的过程中可能会受到环境、设备、管线等的雷电、电磁、电压等干扰。
Lineguard控制机构采用算法滤波的设计形式对以上干扰进行消除。当变送器采集到的压力信号变化速率超过一定值时，程序将压力信号锁定，并根据程序逻辑发出关阀命令，执行机构执行关阀动作。这一设计是针对当变送器损坏或者雷电直接击中阀室设备造成毁灭性事故时的有效措施。
但在实际使用过程中，因为设计上的缺陷，早期Lineguard 2200在投入使用时，压力信号与控制主板的模拟量输入模块（AI模块）间没有效隔离或相关保护措施，从而导致当设备接地或者静电屏蔽不到位时，压力变送器受雷电感应电动势干扰发出错误信号，电控单元根据正常程序运行而发生误关阀动作。
3 故障诊断和成因排查方法
发生误动作后，应该根据先易后难、先简单后复杂的原则对故障成因进行排查，确认故障成因，然后采取相应措施消除安全隐患。故障诊断和成因排查步骤如下：
3.1 控制主板故障初步判断
控制主板正常运行时会有不同的指示灯（例如正常运行时STATUS保持常绿 DTR灯常红等）。根据指示灯的明灭状态和颜色可以初步判断控制主板的损坏与否。
3.2 压力变送器信号故障检查
首先，检查引压管路上各截止阀是否处于打开状态。
其次，检查压力变送器引压管接口是否有泄漏现象。引压管接口泄漏检测有三种方法：（1）使用可燃气体检测仪对接口附近可燃气体浓度进行检测，通过可燃气体浓度判断是否存在泄漏点；（2）将肥皂水喷到接口附近，观察是否会出现气泡；（3）通过身体感官判断，天然气中含有微量硫化物等杂质，可以通过嗅觉判断是否存在泄漏，此外触觉和听觉也可以用于辅助判断是否存在泄漏点。
还有，检查引压管是否有堵塞。可通过电脑连接查看检测压力数值，并与旁通管线压力表进行比对。当确定压力变送器采集的压力为干线压力后，可用FLUKE 744或者其它过程控制校准仪器检查压力变送器输出信号，同时也能判定压力变送器的好坏。
3.3 太阳能电池板供电故障排查
测量蓄电池输出电压，若输出电压低于11 V，则误关阀原因可能为蓄电池输出电压问题。此外，若电压测量正常，可以进一步使用Roclink专业软件查看电压历史记录。该控制系统设置有专用数据存储装置，但电压历史数据只能保存某一时间段（35 d）的历史数据，所以故障诊断最好在误关断几小时或者几天内完成。 3.4 电磁阀泄露故障排查
电磁阀固定在控制箱内部，不便于拆卸，它的功能状态可通过阀门动作事件记录来判断。若反复出现误动作，且无其它外部原因则电磁阀泄露的可能性较大，同时可根据后续监控确认故障成因。
3.5 控制主板故障排查
在基本排除外围设备导致阀门误关断的可能性时，可以对控制主板进行进一步排查。根据Roclink软件与ROC控制系统的连接情况可以判断主板程序是否丢失、主板有无损坏等。
3.6 控制程序漏洞导致误关断诊断
这一故障原因的诊断需要结合执行机构所在地的天气情况。若同时符合以下几点则可判定为程序漏洞引起：首先，用Roclink软件连接ROC控制系统时发现压力值已经锁定，同时出现Ponit Failure报警；其次，压降速率处于一个极大的固定值且伴随有高压报警（Minor High）、高压大事件报警（Major high）和压降速率报警（Rate Alarm）；第三，事故出现时，执行机构所处位置发生雷雨天气；第四，压力信号被保护措施自锁后，控制系统未进行断电重启。
4 故障实例分析
2013年8月10日凌晨3时许，冀宁线某天然气分输场站值班人员突然发现进站压力呈明显下降趋势，经确认该场站所处管线上游阀室Shafer气液联动阀处于关断状态。
技术人员到达现场后根据上述步骤对该Shafer气液联动阀的关断进行了诊断分析。在排除该阀室附近管线并无异常泄漏问题后，判断此次Shafer气液联动阀的关断为误关断。按以上步骤进行故障排查：首先，目测主板运行基本正常；其次，测量电池电压为13 V，处于正常范围；然后，观察引压管路无泄漏现象，且测试压力变送器运行正常。
经Roclink软件连接ROC控制系统后找到Lineguard报警记录（如图1）与上文分析一致；另外，事发当时该阀室附近正是雷雨天气。遂得出结论：该阀室是由雷电天气引起的感应电动势使程序判断失误造成Shafer气液联动阀误关断。
5 故障处置措施和预防方法
5.1 处置措施
找到执行机构误关断的原因后，可以根据相应故障成因采取以下处置措施：（1）主板软硬件故障：硬件故障直接更换主板，软件故障可以重新上载控制程序；（2）变送器误导信号：如果变送器已经损坏则需要更换变送器，其它原因重启控制系统即可恢复；（3）供电故障：若查看电压历史数据发现供电电压不足，需要及时更换蓄电池；（4）关阀电磁阀故障：此时可将该电磁阀拆卸后进行维护和吹扫，确保阀内无水和杂质；（5）控制程序漏洞：重启控制系统即可恢复。
5.2 预防办法
为避免误动作情况出现，可采取以下预防办法：（1）定期对电磁阀进行检查维护，及时排污；（2）传感器检定完毕后及时打开截止阀，并定期对引压管接头进行泄露检查；（3）在检定过程中，要对压力传感器接线进行仔细检查，避免出现虚接情况，在日常维护中也应注意检查接线箱内接线情况；（4）经常监控和测量蓄电池的输出电压，当蓄电池蓄电能力下降供电电压不足时及时更换蓄电池；
对于控制程序漏洞造成的误关断可以从以下四方面进行预防和解决：
一是安装相应补丁程序
LineGuard2200控制主板在对雷电干扰下异常电压和电流信号无法识别和筛选。针对这两种漏洞，厂家专门制作相应补丁程序：压力检测补丁程序对于采集压力信号一旦超出设定限值，补丁程序将使传感器重新上电，并稳定5s后再对压力进行检测，或重新热启动以保证压力传感器恢复到正常工作状态。
电源异常补丁程序用于检测控制器电源电压，若电源电压低于压力传感器最低正常工作电压，且系统为处于自动关断状态，补丁程序将使自动关断功能失效，直至电源恢复正常；若处于自动关断状态，补丁程序将待自动关断动作完成后，使自动关断功能失效，直至电源恢复正常。
二是加强雷电防护措施
目前，阀室防雷防静电接地基本可以避免直接雷击情况出现，但是对感应雷如静电感应和电磁脉冲辐射无法完全避免。
假如无法查明所有接地情况，建议对整个阀室进行屏蔽保护，如增设带门开口的屏蔽笼，在室内沿墙壁四周再做一圈保护接地环（接入防雷地），接地环与屏蔽笼进行有效的电气连接。
此外，应对阀室防雷防静电接地、引压管绝缘接头和电控箱接地进行全面细致检测。在无法验证阀室内其它外加装置接地对阀室接地干扰情况前，建议对后期增设装置接地进行单独安装，如将普通阀室阀位远传装置接地改为单独接地。
三是增加浪涌保护器和过流保护元件
早期安装的LineGuard2200电控箱中，压力传感器信号输入通道与控制单元的AI模块通道间未安装防浪涌和电路过流保护装置。建议在传感器线路中增设30VDC以下防浪涌保护器和20 mA以下电路过流保护元件（如PTC自恢复保险丝）。当雷电产生干扰时，防浪涌保护器能够将高于30VDC电压过滤隔离，保护传感器电压正常；而当感应产生大于20 mA电流时，将使电路过流保护元件熔断，感应电动势干扰信号将不会输入到主板。在电流值恢复正常后，电路过流保护元件将自行恢复，确保主板能正常采集到压力信号。
四是取消高压关断机制和适当延长延时时间
考虑到管道超压可能性极小，建议根据现场应用工艺，有选择性禁用电控单元高压关断功能，在保障生产安全前提下适当延长延时时间，进一步降低误关断几率。
6 结语
Shafer气液联动执行机构出现误动作现象除电磁阀、引压管路、压力传感器和控制主板等硬件原因外，还有蓄电池电压、雷电干扰和防雷防静电接地、电控单元自身漏洞等因素。因此，在日常工作中，除需要定期对Shafer气液联动执行机构维护保养外，还应增设防浪涌和电路过流保护装置，并对电控单元漏洞进行弥补，全力避免误关断事件出现。
参考文献
[1] 杨日永，康亮，彭振华.SHAFER气液联动执行机构维保探讨[J].科学之友，2010（5）：25-28.
[2] 李锴，牛树伟.LineGuard电控单元失效故障分析及对策[J].油气储运，2012，19（6）：81-83.
[3] 毕洪涛.仪表系统在石油化工系统中的防雷控制应用分析[J].大陆桥视野，2011（9）：161-162.
[4] 石酉生，潘国荣.扩散硅变送器的保护[J].自动化仪表，1996（4）.
关键词：Shafer气液联动执行机构 误动作 分析与解决 对策
中图分类号：TE973 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（c）-0077-02
随着西气东输、川气东送、陕京线和漠大线等大口径、长距离输油气管线建成投入运营，我国油气管道事业进入快速发展时期。但是在管道运行过程中，由于各种原因发生如油气泄露、燃烧或爆炸等突发事故时，需对事故点上下游线路截断阀紧急关断。Shafer气液联动执行机构以高压天然气或手泵作为动力源，无需外加机械或电力设备，事故率低，经济性好，因此被广泛应用。
但在实际应用过程中，受到外界环境和设备自身一些因素影响，气液联动执行机构会出现误动作现象，造成输送介质局部停输，给管线安全平稳运行产生负面影响。该文将以冀宁线为例针对Shafer气液联动执行机构误关断现象进行分析，重点对LineGuard电控单元深入探讨，并提出相应的解决对策。
1 Shafer气液联动执行机构简介
1.1 主要组成
Shafer气液联动执行机构主要由提升阀气路控制块、手动泵装置、执行器、储液罐、备用气源罐、限位开关、LineGuard控制箱等部分组成。
1.2 开、关功能介绍
正常情况下，无论是场站、RTU阀室或普通阀室，Shafer气液联动执行机构均可实现就地手动液压、手动气动开关和满足一定条件时自动关闭功能。另外，场站和RTU阀室Shafer气液联动执行机构还具备远程操作开关功能。
LineGuard2200电控箱主要包括控制主板、压力传感器、电磁阀、电池组4个部分。主要功能是采集在线介质压力，并与设定值进行比较，当检测压力值超出设定值时（压力低限、高限和压降速率），电控箱发出关阀命令，Shafer气液联动执行机构将会自动关闭。
2 Shafer气液联动执行机构误关断原因分析
根据上述关阀条件可知，误动作关阀原因有以下5种可能。
2.1 控制主板故障
控制主板出现软件或硬件故障后发出错误信号，造成执行机构误关断。
2.2 压力变送器故障
压力变送器出现故障主要由以下几种原因引起：（1）压力变送器取压口（引压管路）发生泄漏或者内部堵塞导致采样压力低于干线压力，从而采集到错误的压力值；（2）压力变送器抗干扰能力不够强，变送器本身受到外界干扰导致变送器输出信号与实测压力值不一致；（3）压力变送器本身故障导致其输出信号不稳定。
2.3 关阀电磁阀内漏
电磁阀内出现水、气体杂质导致内漏，达到一定压力的泄漏气体将导致与执行关阀命令一致的关阀动作。
2.4 控制系统太阳能供电故障
LineGuard电控箱通过太阳能电池板供电，根据厂家提供的数据，蓄电池电压应该保持在11 V以上。随着服役时间变长，电控箱中备用蓄电池出现老化，蓄电能力下降。若遭遇阴雨天气，太阳能电池板无法正常供电，当蓄电池输出电压低于11 V时可能引起阀门误动作。
2.5 控制程序自身漏洞
考虑到压力变送器工作原理和信号形式，在采集压力信号的过程中可能会受到环境、设备、管线等的雷电、电磁、电压等干扰。
Lineguard控制机构采用算法滤波的设计形式对以上干扰进行消除。当变送器采集到的压力信号变化速率超过一定值时，程序将压力信号锁定，并根据程序逻辑发出关阀命令，执行机构执行关阀动作。这一设计是针对当变送器损坏或者雷电直接击中阀室设备造成毁灭性事故时的有效措施。
但在实际使用过程中，因为设计上的缺陷，早期Lineguard 2200在投入使用时，压力信号与控制主板的模拟量输入模块（AI模块）间没有效隔离或相关保护措施，从而导致当设备接地或者静电屏蔽不到位时，压力变送器受雷电感应电动势干扰发出错误信号，电控单元根据正常程序运行而发生误关阀动作。
3 故障诊断和成因排查方法
发生误动作后，应该根据先易后难、先简单后复杂的原则对故障成因进行排查，确认故障成因，然后采取相应措施消除安全隐患。故障诊断和成因排查步骤如下：
3.1 控制主板故障初步判断
控制主板正常运行时会有不同的指示灯（例如正常运行时STATUS保持常绿 DTR灯常红等）。根据指示灯的明灭状态和颜色可以初步判断控制主板的损坏与否。
3.2 压力变送器信号故障检查
首先，检查引压管路上各截止阀是否处于打开状态。
其次，检查压力变送器引压管接口是否有泄漏现象。引压管接口泄漏检测有三种方法：（1）使用可燃气体检测仪对接口附近可燃气体浓度进行检测，通过可燃气体浓度判断是否存在泄漏点；（2）将肥皂水喷到接口附近，观察是否会出现气泡；（3）通过身体感官判断，天然气中含有微量硫化物等杂质，可以通过嗅觉判断是否存在泄漏，此外触觉和听觉也可以用于辅助判断是否存在泄漏点。
还有，检查引压管是否有堵塞。可通过电脑连接查看检测压力数值，并与旁通管线压力表进行比对。当确定压力变送器采集的压力为干线压力后，可用FLUKE 744或者其它过程控制校准仪器检查压力变送器输出信号，同时也能判定压力变送器的好坏。
3.3 太阳能电池板供电故障排查
测量蓄电池输出电压，若输出电压低于11 V，则误关阀原因可能为蓄电池输出电压问题。此外，若电压测量正常，可以进一步使用Roclink专业软件查看电压历史记录。该控制系统设置有专用数据存储装置，但电压历史数据只能保存某一时间段（35 d）的历史数据，所以故障诊断最好在误关断几小时或者几天内完成。 3.4 电磁阀泄露故障排查
电磁阀固定在控制箱内部，不便于拆卸，它的功能状态可通过阀门动作事件记录来判断。若反复出现误动作，且无其它外部原因则电磁阀泄露的可能性较大，同时可根据后续监控确认故障成因。
3.5 控制主板故障排查
在基本排除外围设备导致阀门误关断的可能性时，可以对控制主板进行进一步排查。根据Roclink软件与ROC控制系统的连接情况可以判断主板程序是否丢失、主板有无损坏等。
3.6 控制程序漏洞导致误关断诊断
这一故障原因的诊断需要结合执行机构所在地的天气情况。若同时符合以下几点则可判定为程序漏洞引起：首先，用Roclink软件连接ROC控制系统时发现压力值已经锁定，同时出现Ponit Failure报警；其次，压降速率处于一个极大的固定值且伴随有高压报警（Minor High）、高压大事件报警（Major high）和压降速率报警（Rate Alarm）；第三，事故出现时，执行机构所处位置发生雷雨天气；第四，压力信号被保护措施自锁后，控制系统未进行断电重启。
4 故障实例分析
2013年8月10日凌晨3时许，冀宁线某天然气分输场站值班人员突然发现进站压力呈明显下降趋势，经确认该场站所处管线上游阀室Shafer气液联动阀处于关断状态。
技术人员到达现场后根据上述步骤对该Shafer气液联动阀的关断进行了诊断分析。在排除该阀室附近管线并无异常泄漏问题后，判断此次Shafer气液联动阀的关断为误关断。按以上步骤进行故障排查：首先，目测主板运行基本正常；其次，测量电池电压为13 V，处于正常范围；然后，观察引压管路无泄漏现象，且测试压力变送器运行正常。
经Roclink软件连接ROC控制系统后找到Lineguard报警记录（如图1）与上文分析一致；另外，事发当时该阀室附近正是雷雨天气。遂得出结论：该阀室是由雷电天气引起的感应电动势使程序判断失误造成Shafer气液联动阀误关断。
5 故障处置措施和预防方法
5.1 处置措施
找到执行机构误关断的原因后，可以根据相应故障成因采取以下处置措施：（1）主板软硬件故障：硬件故障直接更换主板，软件故障可以重新上载控制程序；（2）变送器误导信号：如果变送器已经损坏则需要更换变送器，其它原因重启控制系统即可恢复；（3）供电故障：若查看电压历史数据发现供电电压不足，需要及时更换蓄电池；（4）关阀电磁阀故障：此时可将该电磁阀拆卸后进行维护和吹扫，确保阀内无水和杂质；（5）控制程序漏洞：重启控制系统即可恢复。
5.2 预防办法
为避免误动作情况出现，可采取以下预防办法：（1）定期对电磁阀进行检查维护，及时排污；（2）传感器检定完毕后及时打开截止阀，并定期对引压管接头进行泄露检查；（3）在检定过程中，要对压力传感器接线进行仔细检查，避免出现虚接情况，在日常维护中也应注意检查接线箱内接线情况；（4）经常监控和测量蓄电池的输出电压，当蓄电池蓄电能力下降供电电压不足时及时更换蓄电池；
对于控制程序漏洞造成的误关断可以从以下四方面进行预防和解决：
一是安装相应补丁程序
LineGuard2200控制主板在对雷电干扰下异常电压和电流信号无法识别和筛选。针对这两种漏洞，厂家专门制作相应补丁程序：压力检测补丁程序对于采集压力信号一旦超出设定限值，补丁程序将使传感器重新上电，并稳定5s后再对压力进行检测，或重新热启动以保证压力传感器恢复到正常工作状态。
电源异常补丁程序用于检测控制器电源电压，若电源电压低于压力传感器最低正常工作电压，且系统为处于自动关断状态，补丁程序将使自动关断功能失效，直至电源恢复正常；若处于自动关断状态，补丁程序将待自动关断动作完成后，使自动关断功能失效，直至电源恢复正常。
二是加强雷电防护措施
目前，阀室防雷防静电接地基本可以避免直接雷击情况出现，但是对感应雷如静电感应和电磁脉冲辐射无法完全避免。
假如无法查明所有接地情况，建议对整个阀室进行屏蔽保护，如增设带门开口的屏蔽笼，在室内沿墙壁四周再做一圈保护接地环（接入防雷地），接地环与屏蔽笼进行有效的电气连接。
此外，应对阀室防雷防静电接地、引压管绝缘接头和电控箱接地进行全面细致检测。在无法验证阀室内其它外加装置接地对阀室接地干扰情况前，建议对后期增设装置接地进行单独安装，如将普通阀室阀位远传装置接地改为单独接地。
三是增加浪涌保护器和过流保护元件
早期安装的LineGuard2200电控箱中，压力传感器信号输入通道与控制单元的AI模块通道间未安装防浪涌和电路过流保护装置。建议在传感器线路中增设30VDC以下防浪涌保护器和20 mA以下电路过流保护元件（如PTC自恢复保险丝）。当雷电产生干扰时，防浪涌保护器能够将高于30VDC电压过滤隔离，保护传感器电压正常；而当感应产生大于20 mA电流时，将使电路过流保护元件熔断，感应电动势干扰信号将不会输入到主板。在电流值恢复正常后，电路过流保护元件将自行恢复，确保主板能正常采集到压力信号。
四是取消高压关断机制和适当延长延时时间
考虑到管道超压可能性极小，建议根据现场应用工艺，有选择性禁用电控单元高压关断功能，在保障生产安全前提下适当延长延时时间，进一步降低误关断几率。
6 结语
Shafer气液联动执行机构出现误动作现象除电磁阀、引压管路、压力传感器和控制主板等硬件原因外，还有蓄电池电压、雷电干扰和防雷防静电接地、电控单元自身漏洞等因素。因此，在日常工作中，除需要定期对Shafer气液联动执行机构维护保养外，还应增设防浪涌和电路过流保护装置，并对电控单元漏洞进行弥补，全力避免误关断事件出现。
参考文献
[1] 杨日永，康亮，彭振华.SHAFER气液联动执行机构维保探讨[J].科学之友，2010（5）：25-28.
[2] 李锴，牛树伟.LineGuard电控单元失效故障分析及对策[J].油气储运，2012，19（6）：81-83.
[3] 毕洪涛.仪表系统在石油化工系统中的防雷控制应用分析[J].大陆桥视野，2011（9）：161-162.
[4] 石酉生，潘国荣.扩散硅变送器的保护[J].自动化仪表，1996（4）.