电液联动阀门仪表自控系统绝缘隔离改造技术探讨

上海天然气管网有限公司 黄霄霆

长输油气管道输送线路根据地区等级不同每隔8～32 km设置一处截断阀门。阀门选型一般优先考虑具备远程操控的电动阀门，确保一旦出现事故时，可对阀门紧急进行远程关闭，尽可能降低事故发生产生的后果。我公司长输管线阀室主阀大多选用德国舒克的电液联动阀门。该阀门结构简单，通过电系统(380 V强电，24 V弱电信号)控制启闭，操作方便。但多数电动阀门两端管道未安装绝缘接头，并且阀门的结构设计未考虑与仪表电系统之间的绝缘隔离，就造成管道通过电动机外壳、温度变送器和压力变送器等部位可以直接与防雷/安全/静电接地相连，导致管道上的阴极保护电流在接地连接处流失。尤其是在地铁杂散电流干扰区域，土壤中直流电流可自由通过电系统中接地连接进出管道，加大管中电流，增加管道被腐蚀的风险。

为了解决阴极保护系统和电系统无绝缘导致阴极保护电流流失、杂散电流自由进出管道的现状，本文采取阴极保护系统和电系统分离的思路，将管道和电系统通过绝缘装置隔离，提高管道阴极保护效果，杜绝杂散电流通过电系统中接地连接流入流出管道。

1 电连通原因分析

电动阀门自控系统由温度变送器、压力变送器、电动执行机构组成，见图1。温度变送器与压力变送器由24 V供电系统供电，电动机由380 V供电系统供电，为满足防雷接地、安全接地和静电接地要求，温度变送器、压力变送器、电动机外壳一端均需要与接地连通以确保安全，见图2。同时温度变送器另一端通过测温隔爆管金属外壳与阀门本体电连通，压力变送器另一端通过引压管与阀门本体电连通，电动机另一端通过液压管和电动机金属外壳均可与阀门本体电连通，正是由于电动阀门这种无绝缘的结构设计，致使管道系统和接地系统连通在一起，阴极保护系统和电系统无绝缘隔离，影响管道阴极保护效果，为杂散电流的流入/流出提供顺畅的通道。

图1 电动阀门仪表自控系统

图2 阀室接地设计

2 改造技术方案分析

2.1 锌包钢单独接地法

锌包钢单独接地法，原理是断开管道系统与原接地极的连接，为管道系统重新安装锌包钢接地极，如图3所示。接地电阻小于4 Ω，与原接地极相比，锌包钢接地自然电位更负，接地电阻更大，很大程度上减少了阴极保护电流的流失和杂散电流流入/流出的大小，但缺点是并不能从本质上完全杜绝直流电通过接地造成的漏电现象，仍然存在阴极保护电流流失和杂散电流流入/流出管道的情况。

图3 锌包钢单独接地法原理

2.2 固态去耦合器法

固态去耦合器从结构上简单描述是电容、二极管和浪涌保护器的并联电路模型，如图4所示。固态去耦合器法原理是在管道系统和接地系统之间串联固态去耦合器，如图5所示。电压阈值选择＋1/－3 V，既保证故障、雷电等交流电流可以通过电容与接地直接导通，又能使管道和接地的直流电压差在＋1～－3 V阈值范围内电隔离。

图4 固态去耦合器结构

图5 固态去耦合器法原理

表1和表2分别为采用固态去耦合器改造前后，管地电位、接地极电位和接地极电流的测量值。从管地电位变化分析，改造后，白天杂散电流干扰时，最大值更大，最小值更小。这是由于管道和接地极安装固态去耦合器，电压阈值内管道系统和接地系统绝缘隔离，管道失去了接地极的钳制作用，波动幅度变大，但整体平均值变小；夜间无干扰时，稳定的管地电位从改造前的－0.85 V变为改造后的－1.25 V，阴极保护效果提升。从接地极电位变化分析，改造后，白天干扰时，接地极电位仍有－0.4～－0.93 V的波动幅度，说明接地极仍受外界杂散电流干扰，未能与管道实现彻底电绝缘，但改造后夜间接地极电位与管地电位相差明显，说明夜间无干扰时，固态去耦合器能使接地极与管道彻底实现电绝缘。从接地极电流变化分析，改造后，白天干扰时，电流流入/流出平均值均明显减小。由于电压负向阈值绝对值更大，流入平均值降低更为明显，即接地极吸收阴极保护电流或杂散电流明显降低，但无法彻底电绝缘；在夜间无干扰时，改造前接地极吸收阴极保护电流500 mA，但改造后接地极吸收阴极保护电流为0，同样说明此时固态去耦合器能使接地极与管道彻底实现电绝缘。上述分析可知：白天杂散电流干扰超过固态去耦合器电压阈值时，管道系统和接地极系统未能实现彻底电绝缘；夜间无干扰状态下，电绝缘效果很好。

表1 固态去耦合器改造前后电位 V

表2 固态去耦合器改造前后电流 mA

2.3 绝缘隔离法

通过电连通原因分析可知，在温度变送器，压力变送器、液压管、电动机金属外壳与阀门连接处安装绝缘接头或绝缘面板，见图6。由图6可知，可以达到管道系统和电系统相互绝缘隔离的目的，电动阀门通过接地直流漏电情况可完全解决。

图6 电动阀门

图7和图8分别为电动阀门改造前后管地电位和接地电位随时间的变化图。由图7分析可知，绝缘隔离改造后，尽管管地电位波动幅度变大，但从实际监测数据分析，白天干扰状态下，改造前管地电位的平均值为－1.185V，改造后管地电位平均值为－1.346V；夜间无干扰情况下，改造前管地电位平均值为－1.187V，改造后管地电位平均值为－1.365V，可见改造后阴极保护效果明显改善；由图8分析可知，改造后接地电位波动明显降低，接地电位平稳，说明管道系统与接地系统完全绝缘隔离，阴极保护系统与电系统已经分离管理。

图7 绝缘改造前后管地电位变化

图8 绝缘改造前后接地电位变化

2.4 改造方案评价

自2017年起，陆续采用锌包钢单独接地法、固态去耦合器法和绝缘隔离法对电动阀门直流漏电问题进行改造治理。经过这些年的实践应用和比较，对上述改造方案效果评价总结如表3所示。可以得出：采用绝缘隔离法能较彻底地将管道系统与接地系统进行绝缘隔离，杜绝阴极保护电流流失和杂散电流通过接地极流入/流出管道，日常只需简单检测，免维护，是最理想的电动阀门接地漏电改造方式。

表3 电动阀门直流漏电改造方案效果评价

3 绝缘隔离法改造施工流程

绝缘隔离法改造的施工流程，主要分为以下几步：

(1) 为确保施工人员和设备安全，现场作业前，断开电动阀门电源线。

(2) 压力变送器引压管加装绝缘接头和高压卡套。关闭压力变送器前端开关针阀，通过连接卡套放空引压管内气体(管径10 mm，极少量气体)，拆卸引压管，用进口转动割刀对引压管进行精确剪短后安装绝缘接头和高压卡套接头，最后安装引压管，完成压力变送器引压管端绝缘接头安装。

(3) 温度变送器加装绝缘接头。温度变送器下是管道隔离通道管，不存在气体泄漏问题。拧出后，在温变下侧加装绝缘接头。

(4) 油压管加装绝缘接头和高压卡套。先进行泄压，从泄油口放出液压油，确保压力释放；同时拆卸整个执行机构的动力头。用进口转动割刀对油压管进行精确剪短后加装进油管绝缘接头、进油管高压卡套接头，出油管绝缘接头、出油管高压卡套接头。

(5) 电动机外壳和阀体间加装绝缘。在外壳与阀体之间加装绝缘板，金属螺丝外壳加装定制的绝缘螺丝套，金属螺母与外壳之间加装绝缘垫片，确保阀门本体与电动机外壳绝缘隔离。

上述改造步骤完成后，打开压力变送器前端开关针阀，确保高压卡套承压合格、无漏气；电动机补充液压油，电动和手动测试油压管高压卡套承压合格、无漏油。然后，24 h采集管道和接地电位，测试电动阀门绝缘改造效果。

在改造过程中，发现温度变送器尚有2处可能与管道相通的部位，现场经过分析，也都采取了相应的解决办法。一处是热电阻外缠绕绝缘胶带，以避免与其安装的通道管内壁接触的可能；另一处是测温模块的元器件与金属安装底座之间增加两片半圆形绝缘垫片。这样基本保证了温度变送器接地与管道阀门本体之间的绝缘隔离。

4 结语

多年的改造实践证明，锌包钢单独接地法和固态去耦合器法并不能完全杜绝阴极保护电流流失和直流杂散电流流入/流出管道，均有局限性；绝缘隔离法是最彻底、最有效的电动阀门直流漏电改造方法。绝缘隔离法改造后，虽然管道管地电位波动幅度增加，白天干扰情况下和夜间无干扰情况下的管道电位平均值均更负，但阴极保护效果好，改造是有效的。

当然，如果在新建管线时就能贯彻“绝缘隔离”的理念，新安装的电动阀门结构设计上需具备绝缘隔离功能、埋地管线与阀门之间采用绝缘接头等，可使今后管线运行期间阴极保护系统更好地发挥作用。