罐根緊急切斷閥液壓系統的研究及優化設計

劉 亮 李 京 趙得強 解恒達 郭 峰

（龍口濱港液體化工碼頭有限公司，山東 龍口 265700）

0 引言

緊急切斷閥能使正在運行的管路快速切斷，并且脫離后的兩部分相互獨立封閉，它一般設置在罐根閥和操作閥之間，一旦作業區域內有事故發生，緊急切斷閥能迅速切斷油液或危險化學氣體、液體，保障儲罐裝卸過程中的安全運轉，避免事故進一步擴大，減少事故損失，從而保障人員生命及財產安全。目前國家對儲罐緊急切斷設置提出了更高標準，可查到的文獻主要內容概括如下：指出緊急切斷閥安裝位置存在的問題；緊急切斷閥驅動方式如何選擇；液壓回路元件選型；緊急切斷功能如何實現；氣動、電動和電液三種驅動方式如何選擇。可見有關電液執行機構中的液壓回路幾乎沒有深入研究。國產的電液執行機構在科技性、可靠性、獨立性和安全性能等方面與國外先進產品存在著差距，導致了國內大量中高端電液執行機構市場被國外品牌占領 ，目前國內制造商一般主要致力于電液執行機構的集成化，液壓回路停留在原有水平，沒有新的突破。該文針對以上問題，分析了國內生產的緊急切斷閥液壓回路的基本原理，提出各自存在的問題，并對電液執行機構液壓系統進行了優化。

1 電液執行機構液壓回路分析

目前，電液執行機構包括電控部分和液壓部分，主要分兩種，一種是單作用電液執行機構，一種是雙作用電液執行機構，主要是根據油缸類型確定的。單作用油缸電液執行機構只有全開、全關兩種安全狀態，失去強電情況出現時，壓縮彈簧會驅動活塞桿將閥門保持在安全位置，達到緊急切斷的目的，這與安全相關。雙作用油缸電動執行機構在失去強電情況下，閥門一般常處于位置保持狀態，經人員確認后再執行下一指令，這種執行機構通常用于過程操作，無關安全。

1.1 電液執行機構控制模塊工作原理

電液執行機構控制模塊系統采用閉環控制方式，可對各種干擾和非線性因素進行有效的動態校正，當執行機構的控制模塊系統接收到中控室發出的指令時，動力源會啟動，并迅速升高至所需油壓，液壓油在動力源和驅動模塊的作用下，促使執行機構快速響應動作，一側的油壓轉成機械能，另一側油壓則通過液壓節流閥、截止閥等快速泄放至油箱。與此同時，電氣控制模塊收到反饋信號，電氣控制模塊系統對輸入信號和反饋信號進行校正，當輸入與反饋信號波形一致時，動力源停止工作，油缸活塞桿位置不變。電液執行機構具有功能齊全、結構緊湊、體積小、質量輕、輸出力大、反應速度快、使用壽命長、快速啟動、制動和換向及過載保護等特點。單作用電液執行機構基本原理如圖1 所示。

控制方式分為手動操作按鈕控制和遠程自動控制兩種，可隨時切換；當機電液執行機構失電或故障時，閥門有快速切斷及自鎖保位功能。操作方式主要有三種，分別為手動模式、電動模式和緊急模式。

1.2 電液執行機構液壓回路工作原理

單作用電液執行機構液壓回路工作原理如圖2 所示，具體工作原理如下。

圖1 單作用電液執行機構基本原理

電動模式：按住面板上的開啟按鈕，電動液壓泵開始動作，油箱中的液壓油經電動液壓泵和單向閥進入單作用油缸，活塞在油壓的作用下產生推力，壓縮油缸內的彈簧，實現閥門的快速開啟。當需要停止時，松開開啟按鈕，實現閥門的保位狀態。復位時，按住面板上的關閉按鈕，二位兩通電磁閥打開，油缸內的液壓油在彈簧力的作用下開始泄壓，液壓油經二位兩通電磁閥流入油箱，根據操作者的需求，實現閥門的保位或關閉。

手動模式：需要手動開啟閥門時，先確保截止閥處于關閉狀態，操作手動液壓泵，手動液壓泵自帶單向閥，活塞桿滑動到所需位置后停止操作手動液壓泵即可；需要關閉閥門或者減少閥門開度時，仍然手動打開截止閥，油缸內的活塞桿在彈簧作用下使油缸卸荷，實現閥門保位或者關閉。

圖2 單作用電液執行機構液壓回路原理圖

緊急模式：當現場發生火災并且防火罩內溫度達到防火自泄閥所設定的溫度時，防火自泄閥開啟，油缸內的液壓油在彈簧力的作用下快速泄壓，實現閥門緊急切斷，無需人為進行控制；復位時，根據現場條件，選擇手動模式或者電動模式進行復位。

存在的問題：

（1）由于罐根閥一般都是常開的，油缸內液壓油一直處于有壓狀態，導致彈簧一直處于被壓縮狀態。彈簧隨著時間增長會出現衰減，從而使緊急切斷效果減弱甚至失效。

（2）當管道正處于輸送介質過程中并且出現二位兩通電磁閥弱電異常斷電情況，閥門會瞬間切斷，管道內部壓力會突升，可能導致碼頭輸油臂設備與油船由于壓力過大而脫離，從而出現介質泄漏情況，存在安全隱患。此時，無論通過手動模式還是電動模式都無法將閥門打開，因為所有的液壓油均通過二位兩通電磁閥卸載到油箱內，因此只能修復二位兩通電磁閥供電才能打開閥門。

（3）二位兩通電磁閥和防火自泄閥長時間處于常閉狀態，閥芯難免出現需要復位時而無法復位，從而失去快速切斷和緊急切斷的功能。

宮腔粘連是指子宮內膜基底層受損，并修復困難，導致宮腔部分或全部粘連、閉塞，多發生于有宮腔操作手術患者中[1]，臨床表現為腹痛、月經量少、閉經、流產及不孕等。通過宮腔鏡下宮腔粘連分離術進行治療，但是治療后容易病灶復發，再次形成粘連及閉塞，阻止復發是治療成敗的關鍵。雌激素、孕激素周期性的與子宮內膜上的受體結合，而發揮其生物學效應[2]。本研究分析不同程度的宮腔粘連患者子宮內膜雌激素受體(ER)和受體孕激素(PR)的表達水平差異，以指導后期臨床用藥，現將結果總結如下。

（4）手動模式和電動模式互相切換時，必須關閉截止閥，若操作人員忘記關閉，無論啟動電動液壓泵還是手動液壓泵，均無法使油缸動作。

（5）快速頻繁換向會直接或間接地影響系統，造成管路接頭松動，產生泄漏。

雙作用電液執行機構液壓回路中有液壓儲能元件蓄能器，用它代替了單作用電液執行機構中的彈簧，回路中的蓄能器具有自動沖壓功能，若蓄能器壓力不足12Mpa，電機會自動對蓄能器進行自動充壓，此時需等待片刻直至充壓結束再進行其他操作。雙作用故障型緊急切斷液壓回路原理圖，如圖3 所示，具體工作原理如下。

電動模式：按住面板上的開啟按鈕，二位三通電磁閥a通電激勵，閥芯移位，油箱中的液壓油經開啟單向閥、二位三通電磁閥a、應急關閉電磁閥和液壓鎖流入雙作用油缸一端，使活塞向下移動，同時油缸另外一端液壓油經液壓鎖、二位三通電磁閥b 流入油箱，實現快速切斷，松開按鈕實現保位；同理，按住關閉按鈕，二位三通電磁閥b 動作，實現快速打開，松開按鈕實現保位；無論閥門是在開啟還是關閉過程中，均向蓄能器內部充壓。

圖3 雙作用故障型緊急切斷液壓回路原理圖

手動模式：手動打開二位三通電磁閥a，然后操縱手動液壓泵，液壓油經單向閥、二位三通電磁閥a、應急應急關閉電磁閥和液壓鎖進入油缸，活塞向下移動，實現閥門切斷或保位；同理，手動打開二位三通電磁閥b，實現閥門打開或保位；無論閥門是在開啟還是關閉過程中，也向蓄能器內部充壓。

緊急模式：打開閘閥c ，蓄能器中的液壓油經閘閥c 和液壓鎖流入雙作用油缸，實現手動緊急切斷，同理，打開閘閥a，實現手動緊急打開；當周圍發生火災時，應急關閉電磁閥受熱自動動作，蓄能器中的液壓油經應急關閉電磁閥、液壓鎖流入油缸，實現故障型緊急切斷。

顯然，與單作用電液執行機構相比，雙作用電液執行機構將單作用電液執行機構存在的問題基本解決了，但仍然存在其他問題。

（2）二位三通電磁閥a 和二位三通電磁閥b 出現一旦出現故障，電動模式無法形成回路，活塞位置保存不變；

（3）應急關閉電磁閥出現故障，只能通過蓄能器打開或關閉閥門， 若連續操作，蓄能器能量不足，無法再次開斷；

（4）液壓鎖與雙作用油缸之間一般通過高壓油管連接，由于管路長時間受腐蝕環境和陽光照射，難免出現滲漏甚至漲破，此時無論哪種模式均已失效；另外雙作用電液執行機構也會因快速頻繁換向而直接或間接地影響系統，造成管路接頭松動。

2 優化設計及創新之處

雖然制造廠家一般可根據用戶需求在上述電液執行機構基礎上增加相應功能或者附件，例如在故障（斷強電、斷信號及火災）或聯鎖（ESD）信號時實現閥門可靠運行，但未從根本上提出更合理的電液回路。該文結合現場生產實際、多年設備管理出現的問題，采用冗余設計方法對液壓回路進行優化設計，原理圖如圖4 所示。

手動模式：打開手動閥a，使閥芯右移，操縱手動泵，液壓油流入油缸，閥門打開；同理，手動閥a 閥芯左移，閥門關閉；在閥門關閉和打開過程中，部分液壓油也流入蓄能器。

電動模式：打開手動閥b，使閥芯右移，液壓泵的液壓油經其流入油缸，閥門快速關閉；同理，手動閥b 閥芯左移，閥門快速開啟；在閥門關閉和打開過程中，部分液壓油也流入蓄能器。

緊急模式：當意外情況出現而需人為緊急切斷時，手動操作電磁閥a 和電磁閥b，蓄能器液壓油快速流經電磁閥a，進入油缸，活塞向下緊急移動，同時，液壓油通過電磁閥b流入油箱，閥門實現故障型緊急切斷；當出現火災等異常情況而需要自動切斷時，防火閥a 和防火閥b 中的任意一個響應，與此同時，防火閥c 和防火閥d 中的任意一個響應，蓄能器中的液壓油經防火閥a 或防火閥b、液壓鎖，流入油缸，此時油缸的輸出液壓油經防火閥c 或防火閥d 流入油箱，實現防火型緊急切斷。

圖4 雙作用復合型緊急切斷液壓回路原理圖

通過圖2、圖3 和圖4 的對比可知，圖4 液壓回路工作原理是通過以下方式解決了單雙作用電液執行機構液壓回路存在的問題，具體如下：

（1）在兩個常開電磁閥同時斷電才起作用，意外情況導致兩個同時出現故障的概率非常之低，保證了系統的安全性。

（2）防火閥在沒有火災的情況下一般是常閉的，長時間得不到動作，因此一旦遇到緊急情況而需要動作時，可能閥芯無法復位，產生閥芯卡死現象，為了可靠運行，防火閥兩端并聯防火閥。

（3）三種模式相對獨立，自由切換；電動模式的液壓油并不是直接進入蓄能器，因此解決了蓄能器油路異常情況導致的整個系統癱瘓；電動模式通過兩個液控單向閥增加了系統的可靠性，避免兩個電磁閥有一個不動作而無法形成回路的問題；執行機構處兩個常開電磁閥增加了24V 備用電池，保證電動執行機構在出現供電中斷后仍能正常工作，關閉閥門。

（4）在外露的高壓油管兩端并聯備用回路（備用回路包括手動電動復合型換向閥），一旦一支回路出現故障，讓備用回路起作用可進一步確保整個液壓系統的安全性，提高系統的可靠性。

3 結語

為了提高緊急切斷閥電液執行機構的可靠性，該文通過分析現有的單作用和雙作用電液執行機構液壓回路基本工作原理，并分別指出存在的問題，再用冗余設計方法對其進行優化，設計出一套智能化程度高、運行平穩、速度快、響應時間短和可靠性高的電液執行機構液壓回路，它可以快速開啟或關閉閥門，切斷油液或危險化學品氣體、液體，從而確保人員生命和財產安全。