本文旨在分析天然氣長輸管道所應(yīng)用的SHAFER干線截?cái)嚅y的液、氣壓回路。通過闡述操作SHAFER干線截?cái)嚅y時其內(nèi)在液、氣壓元件的實(shí)際動作過程,進(jìn)一步掌握SHAFER氣液聯(lián)動的動作機(jī)理,避免誤操作的產(chǎn)生,同時為SHA-FER氣液聯(lián)動閥的故障判斷以及維修提供理論基礎(chǔ)。

一、概述

　　線路截?cái)嚅y作為長輸管道運(yùn)行的安全保障，當(dāng)天然氣發(fā)生泄漏和管道斷裂時能夠自行關(guān)閉。自動關(guān)閉主要是靠線路截?cái)嚅y配有的氣液聯(lián)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)管道破裂、泄漏造成壓力下降時，線路截?cái)嚅y執(zhí)行機(jī)構(gòu)感測管道破裂、泄漏引起的壓降速率，如壓降速率大于設(shè)定壓降速率時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，關(guān)閉閥門，從而保證管道破裂、泄漏造成的影響僅限于相臨兩閥室之間。達(dá)到保護(hù)全線管道安全、防止事故擴(kuò)大及減少經(jīng)濟(jì)損失的目的。

二、SHAFER氣液聯(lián)動閥動作原理

　　(一)自動控制原理。SHAFER氣液聯(lián)動閥的自控核心部件———LineGuard2000型控制箱，是一臺由專用微處理器控制的管道檢測和管道截?cái)啾Ｗo(hù)系統(tǒng)。主要由電源、中央處理器(CPU，memory，I/Ocircuits)、壓力傳感器、電磁閥、端子連接板組成。該系統(tǒng)由內(nèi)部電池組供電，對管道的壓力和壓力變化進(jìn)行自動實(shí)時監(jiān)測。在閥門控制模式下，每8s自動采樣、檢測管道壓力一次，并實(shí)時將檢測到的壓力值、壓降速率與用戶設(shè)定值進(jìn)行對比，如果壓力值和壓降速率異常，且持續(xù)時間超過用戶設(shè)定值時，保護(hù)系統(tǒng)就會通過SCADA系統(tǒng)或其它自檢傳導(dǎo)系統(tǒng)向值班室發(fā)出警告信號，并自動進(jìn)人關(guān)閥狀態(tài)。在壓力值或壓降速率超過用戶設(shè)定值時，此事件前10分鐘與后20分鐘的壓力數(shù)據(jù)將一直保存，并帶時間、日期。當(dāng)數(shù)據(jù)采集模式被激活時，LineGuard2000型控制箱會每隔32s采集管道壓力一次，并以滾動的方式存儲30min內(nèi)的壓力檢測記錄。

　　(二)手動操作液壓原理。在SHAFER氣液聯(lián)動閥的控制箱中有一個手動操作桿和手動開關(guān)切換換向閥。當(dāng)推入氣液聯(lián)動閥手動換向閥的左側(cè)手柄，壓動手泵手柄，將開閥氣液罐內(nèi)的液壓油壓入執(zhí)行器內(nèi)，同時執(zhí)行器內(nèi)的液壓油被壓入關(guān)閥液壓罐，實(shí)現(xiàn)開閥操作。同理推入手動換向閥右側(cè)手柄，實(shí)現(xiàn)關(guān)閥操作。

　　(三)手動氣液聯(lián)動操控原理。在SHAFER氣液聯(lián)動閥的控制箱中有兩個氣動操作手柄，干線天然氣經(jīng)過氣源截?cái)嚅y和過濾干燥器后，進(jìn)入過濾度為140μm的一級過濾網(wǎng)。當(dāng)向下拉開左手柄時，手柄推動手動操作部件和活塞向前運(yùn)動，并帶動提升閥向前運(yùn)動，提升閥一旦離開密封座，氣體會迅速進(jìn)入開閥氣液罐并壓迫罐內(nèi)的液壓油通過調(diào)速閥進(jìn)人執(zhí)行器，推動執(zhí)向器內(nèi)的翼片旋轉(zhuǎn)，將執(zhí)行器關(guān)閥腔內(nèi)的液壓油壓人關(guān)閥液壓罐，實(shí)現(xiàn)開閥操作。同理，可實(shí)現(xiàn)關(guān)閥操作。

　　(四)遠(yuǎn)程氣液聯(lián)動操控原理。氣液聯(lián)動閥閥門遠(yuǎn)程開關(guān)的氣動、液壓操作是通過控制電磁閥的動作實(shí)現(xiàn)的。具體原理為：當(dāng)調(diào)控中心給出關(guān)閥信號后，截止式電磁換向閥導(dǎo)通，管道內(nèi)的天然氣可經(jīng)過一級濾網(wǎng)和過濾度為25μm的二級過濾網(wǎng)進(jìn)人電磁閥和梭閥，推動活塞運(yùn)動。提升閥一旦離開密封座，氣體會經(jīng)過提升閥進(jìn)人關(guān)閥氣液罐，并壓迫罐內(nèi)的液壓油通過調(diào)速閥進(jìn)人執(zhí)行器，推動執(zhí)行器內(nèi)的翼片旋轉(zhuǎn)，將執(zhí)行器開閥腔內(nèi)的液壓油壓人開閥液壓罐，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程關(guān)閥操作。同理，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開閥操作。

三、SHAFER氣液聯(lián)動閥的液壓回路分析

　　(一)氣動操作時液壓回路。氣液聯(lián)動閥，顧名思義，就是通過氣壓和液壓兩個回路來聯(lián)合控制，達(dá)到實(shí)行開、關(guān)閥的操作。但究其本質(zhì)，球閥動作都是通過旋轉(zhuǎn)葉片執(zhí)行器中四個缸中的液壓差來帶動轉(zhuǎn)子動作進(jìn)而來實(shí)現(xiàn)的。液壓回路的核心部分是兩位四通聯(lián)動模塊，它由兩個兩位四通閥和一個平衡活塞組成。氣液聯(lián)動閥液壓回路如圖1所示。在通常情況下，手動換向閥的兩側(cè)(即OPEN和CLOSE)均處于拉出狀態(tài)，則兩位四通聯(lián)動模塊的閥位處于1號和3號閥位。如果氣壓回路控制高壓氣進(jìn)入開閥氣液罐，則推動開閥氣液灌中的液壓油進(jìn)入1號閥位，進(jìn)而經(jīng)過溢流閥進(jìn)入到旋轉(zhuǎn)葉片執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的A缸。這樣，A缸的液壓油勢能增大(液位變高)，旋轉(zhuǎn)葉片執(zhí)行系統(tǒng)為了趨于勢能守恒，則A缸中液面有降低的趨勢。這樣，A缸中液壓油推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而擴(kuò)大A缸容積;同時，B缸中液壓油受到容積變小液面升高的壓力，則通過單向閥進(jìn)入兩位四通聯(lián)動模塊3號閥位，進(jìn)而回流到關(guān)閥氣液缸。完成開閥操作。所以，當(dāng)開閥結(jié)束時，關(guān)閥氣液缸中的液壓油要大于開閥氣液缸中的油量。關(guān)閥操作與開閥操作同理。

　　(二)手動液動開閥操作液壓回路分析。手動液動開閥操作：(1)把“手動換向閥”上標(biāo)有“OPEN”側(cè)的按鈕推入，確認(rèn)另一側(cè)標(biāo)有“CLOSE”的按鈕處于拉出狀態(tài)。(2)上下壓動油泵操作桿，觀察干線截?cái)嚅y閥位指示器轉(zhuǎn)動，當(dāng)指向“OPEN“位置時，即完成開閥操作。(3)將油泵操作桿恢復(fù)到初始狀態(tài)。若不能恢復(fù)到原位，可按住手動換向閥體上的泄放平衡閥，將油泵操作桿復(fù)位。(4)操作完畢后，將“手動換向閥”上標(biāo)有“OPEN”側(cè)的按鈕拉出。當(dāng)“OPEN”按鈕按下，“CLOSE”按鈕拉出時，兩位四通聯(lián)動模塊處于2號、3號閥位，液壓回路如圖2所示。

　　在這種回路下，開閥氣液缸中的液壓油通過單向閥6與手動油泵5的上腔連通，通過單向閥6、單向閥8，與手動油泵5的下腔連通。當(dāng)手動油泵5操作桿向上提拉時，活塞上升，上腔縮小下腔擴(kuò)大，在單向閥9的閉鎖作用下，液壓油通過單向閥8進(jìn)入下腔。當(dāng)手動油泵5操作桿向下壓時，在單向閥8的作用下，液壓油不能回流到腔外，而是通過單向閥9流出。

　　擠壓出的液壓油通過回路再次進(jìn)入兩位四通聯(lián)動模塊的2號閥位，進(jìn)而通過溢流閥進(jìn)入旋轉(zhuǎn)葉片執(zhí)行機(jī)構(gòu)A缸。通過3.1節(jié)所述原理擠壓B缸液壓油進(jìn)入兩位四通聯(lián)動模塊的3號閥位，進(jìn)而流入到關(guān)閥氣液罐。

　　當(dāng)開閥操作完成時，在旋轉(zhuǎn)葉片執(zhí)行機(jī)構(gòu)的止動棒作用下，轉(zhuǎn)子將不在轉(zhuǎn)動，這時液壓回路中的液壓將增大，液壓油泵的操作桿有可能落不下來(操作規(guī)程c)。這時需要按下泄放平衡閥10，其作用是推開與其按鈕連在一起的單向閥，使油泵下腔液壓油能夠通過單向閥9、泄放平衡閥10流回開閥氣液罐、或者再通過單向閥6流回油泵上腔，從而使油泵操作桿落下。

　　操作結(jié)束后，關(guān)閥氣液罐的液壓要遠(yuǎn)大于開閥氣液罐的液壓，與兩罐相連的平衡活塞11將受到指向“OPEN”按鈕的推力，推動滑塊自動推開“OPEN”按鈕。在實(shí)際上，由于多種原因，這種自動行程可能不動作，需要操作人員手動拉開“OPEN”按鈕。

　　(三)手動液動關(guān)閥操作液壓回路分析。手動液動關(guān)閥操作：(1)把“手動換向閥”上標(biāo)有“CLOSE”側(cè)的按鈕推入，確認(rèn)另一側(cè)標(biāo)有“OPEN”的按鈕處于拉出狀態(tài)。(2)上下壓動油泵操作桿，觀察干線截?cái)嚅y閥位指示器轉(zhuǎn)動，當(dāng)指向“CLOSE“位置時，即完成關(guān)閥操作。(3)將油泵操作桿恢復(fù)到初始狀態(tài)。若不能恢復(fù)到原位，可按住手動換向閥體上的泄放平衡閥，將油泵操作桿復(fù)位。(4)操作完畢后，將“手動換向閥”上標(biāo)有“CLOSE”側(cè)的按鈕拉出。當(dāng)“CLOSE“按鈕按下，”OPEN“按鈕拉出時，兩位四通聯(lián)動模塊處于1號、4號閥位。液壓回路如圖3所示。在這種回路下，關(guān)閥氣液罐通過兩位四通聯(lián)動模塊4號閥位、單項(xiàng)閥7與油泵5上腔相連，再通過單項(xiàng)閥8與油泵下腔相連。當(dāng)油泵5操作柄反復(fù)拉高下壓時，液壓油便通過單向閥9回到兩位四通聯(lián)動模塊4號閥位，通過溢流閥進(jìn)入旋轉(zhuǎn)葉片執(zhí)行機(jī)構(gòu)B缸。通過3.1節(jié)所述原理，B缸中液壓油推動轉(zhuǎn)子擠壓A缸中液壓油，A缸中液壓油通過單向閥進(jìn)入到兩位四通聯(lián)動模塊1號閥位，進(jìn)而回到開閥氣液罐。

　　油泵泄放平衡閥與兩位四通聯(lián)動模塊平衡活塞液壓原理與開閥操作時相同。

四、SHAFER氣液聯(lián)動閥氣壓回路分析

　　(一)控制塊結(jié)構(gòu)和原理。氣液聯(lián)動閥氣壓回路核心模塊是控制塊�？刂茐K內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)操作人員扳動開閥或者關(guān)閥手柄時，就會推動1號活塞或者2號活塞動作，將活塞上腔的高壓氣導(dǎo)通到下腔，進(jìn)而流入到相應(yīng)的氣液罐中，執(zhí)行上述3.1節(jié)所論述的動作。若執(zhí)行開閥操作時，拉動與1號活塞相連的操作手柄，則高壓氣進(jìn)入開閥氣液罐。通過3.1節(jié)的分析我們得知，開閥過程中開閥氣液罐液面將逐漸降低，關(guān)閥氣液罐液面將逐漸升高，這就會引起關(guān)閥氣液罐中的液壓油壓縮罐內(nèi)高壓氣，使之壓力升高。這時關(guān)閥氣液罐中的高壓氣便會推開放散閥，通過放空口泄放，這就是操作員在執(zhí)行氣動開關(guān)閥操作時會有大量氣體放出的原因。

　　(二)氣液聯(lián)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣壓回路分析。氣壓回路如圖5所示。

　　1、電子檢測控制單元動作時氣路走向�？刂茐K中的高壓氣通過濾網(wǎng)13從控制塊中出來，分成四路，一路進(jìn)入減壓閥19，一路進(jìn)入常關(guān)閥18，一路進(jìn)入常關(guān)電磁閥27，一路進(jìn)入常關(guān)電磁閥28。從減壓閥19出來的低壓氣一路進(jìn)入常關(guān)閥23，一路進(jìn)入電子檢測控制單元。當(dāng)管線內(nèi)壓力異常時，電子監(jiān)測控制單元動作，其內(nèi)部的常關(guān)閥導(dǎo)通，使來自減壓閥19的低壓氣進(jìn)入常關(guān)閥23、常關(guān)閥18，使常關(guān)閥23與常關(guān)閥18分別導(dǎo)通。此時，來自減壓閥19的低壓氣可以通過常關(guān)閥23進(jìn)入常開閥22，使常開閥22關(guān)閉，從而切斷通往開閥氣液罐的氣路。常關(guān)閥18打開后，來自控制塊的高壓動力氣可以通過三通閥26回到控制塊，控制關(guān)閥腔上下腔導(dǎo)通，使高壓氣進(jìn)入關(guān)閥氣液罐，完成關(guān)閥動作。當(dāng)常關(guān)閥23打開時，氣液聯(lián)動閥操作箱上的手柄會落下，起到鎖死作用。這時，如果不將手柄拉上，常開閥22便一直處于關(guān)閉狀態(tài)，使高壓氣無法通往開閥氣液罐，無法進(jìn)行開閥操作。

　　2、遠(yuǎn)程開關(guān)閥操作。在站控機(jī)上控制開、關(guān)閥，其本質(zhì)就是控制常關(guān)電磁閥27和常關(guān)電磁閥28的開通。當(dāng)站控機(jī)輸入關(guān)閥指令時，常關(guān)電磁閥27便會導(dǎo)通。從控制塊出來的高壓氣便可通過常關(guān)電磁閥27，通過三通閥返回控制塊，成為關(guān)閥控制氣，控制完成關(guān)閥動作。遠(yuǎn)程開閥同理。

五、結(jié)語

　　線路截?cái)嚅y是管道安全運(yùn)行的重要保證。正確使用和維護(hù)氣液聯(lián)動閥是管道企業(yè)保證長輸管道安全、高效、可靠、平穩(wěn)運(yùn)行的重要課題。本文旨在通過分析氣液聯(lián)動閥不同操作方式下的氣路、液路回路動作過程，進(jìn)一步掌握SHAFER氣液聯(lián)動閥的動作機(jī)理，為以后的維修、維護(hù)保養(yǎng)提供理論基礎(chǔ)。供同行參考及交流。