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氣動調節閥的故障分析與解決方法有哪些呢?
來源:本站原創    時間:2017-10-25
氣動調節閥是石油化工行業用來調節各種介質流量和壓力的裝置,它的工作正常與否直接關係整個裝置的生產能否正常。生產現場的工作環境常處於高溫高壓、潮濕、粉塵、振動、易燃易爆等惡劣條件,故障率較高,氣動調節閥在惠州煉化運行一部使用最為廣泛,所以保證其使用正常是十分重要的。


1 調節閥簡介
根據國際電工委員會IEC對調節閥(國外稱CONTROLVALVE控製閥)的定義:調節閥是由執行機構和閥體部件兩部分組成,即調節閥=執行機構+閥體部件執行機構是調節閥的推動裝置,它按信號壓力的大小產生相應的推力,使推杆產生相應的位移,從而帶動調節閥的閥芯動作;閥體部件是調節閥的調節部分,它直接與介質接觸,通過執行機構推杆的位移,改變調節閥的節流麵積,達到調節的目的[2]。
調節閥根據執行器分為電動、液動、氣動,以氣動最為常見;根據閥體結構可分為直通單、雙座閥、套筒閥、球閥、蝶閥、偏心旋轉閥等;按流量特性可分為直線、等百分比、拋物線和快開,根據介質的性質、溫度、壓力等條件應選用合適的調節閥進行控製。
定位器——調節閥最重要的附件之一,閥門定位器能夠增大調節閥的輸出功率,減少調節信號的傳遞滯後,加快閥杆的移動速度,能夠提高閥門的線性度,克服閥杆的摩擦力並消除不平衡力的影響,從而保證調節閥的正確定位,並且可以使閥門動作反向。運行一部全部氣動調節閥共489台,其中420台使用了ABB智能閥門定位器,此定位器結構緊湊,安裝調試方便,但是實際使用過程中,故障率較高,其中一個最主要的原因就是很容易引起調節閥波動,導致調節閥盤根泄漏,工藝操作不穩定,甚至無法操作。後麵會根據實踐經驗,羅列出一些由於定位器引起的調節閥波動,然後闡述一般的處理方法。
2 調節閥常見故障現象及原因分析
2.1 氣源故障
1)現場氣源未開。
2)氣源含水,天氣寒冷結冰。
3)淨化風停止供應。
4)氣源總管泄露或風線堵塞導致風壓過低,調節閥不能全開或全關,甚至不動作。
5)空氣過濾減壓器長時間使用,髒物太多,減壓閥下黑色旋鈕打開漏風,使輸出風壓小於規定的壓力,導致調節閥不能全開全關,甚至不動作。
6)現場風線漏風,接頭鬆動,導致風壓不足,調節閥不能全開全關,甚至不動作。
7)過濾減壓閥故障,導致風壓不穩,造成調節閥振蕩。
2.2 線路故障
1)電源線接線端鬆動、脫落、短路、斷路,電路板灰塵積得太多導致接觸不良,信號波動,調節閥產生振動。
2)大雨或台風過後,設備進水受潮使接線短路,造成調節閥不能全開或全關。
3)極性接反會導致調節閥不動作。
4)電源線中間段故障,由於絕緣膠帶的失效,電線絕緣皮脫落造成線與線之間的短路,由於現場振動導致電線斷裂,導致調節閥動作不連續振蕩,不能全開或全關甚至是不動作。
5)由於調節閥維修過後接線失誤,導致調節閥故障。
6)調節閥輸出信號不穩定,導致調節閥操作波動。
2.3 定位器故障
1)反饋杆固定螺母鬆動脫落,反饋杆上的彈簧脫落,造成反饋杆的鬆動、脫落、卡澀,使調節閥振蕩。
2)定位器中的位置傳感器故障,當振動到壞點會導致中控室顯示超程,過一陣又恢複正常,通過更換可以解決。
3)定位器PID參數整定不合適。
2.4 調節閥閥體故障
1)調節閥閥芯或閥座磨損(介質的衝刷、鐵鏽、焊渣等髒物的劃傷磨損),卡澀(介質中的各種雜質堵塞),密封不嚴(密封環磨損),導致閥全關時介質依然過量,無法控製。
2)調節閥盤根壓得過緊或過鬆,過緊使調節閥閥杆動作遲緩或跳躍,過鬆會使介質泄露,若是重油很有可能燃燒,造成很大的事故。
3)調節閥安裝時管道與閥體不同心,使調節閥受附加應力過大,造成振蕩,不能全開或全關等。
4)調節閥閥杆與連接件固定螺母鬆動,閥杆與閥芯不同心,導致閥關不死,所受應力增大,導致閥杆高頻振蕩,甚至斷裂。
5)調節閥膜頭故障,由於膜片長時間使用,老化變質,彈性變小,密封性變差,膜片漏氣,壓縮彈簧老化,彈性變小,斷裂,導致調節閥不能全開全關甚至失去控製。
6)調節閥閥芯脫落、閥芯與閥座卡死、閥杆彎曲或折斷會導致調節閥動作正常,但是起不到調節作用。
2.5 調節閥應用工況與原設計工況不符導致的故障
1)由於設計院給的設計參數(閥體的材質、填料的形式、調節閥的流開與流閉、流量特性的選擇及使用時的開度等)與現場實際不符出現故障。
2)由於工藝介質的變化,導致調節閥的工況滿足不了實際工況而造成故障。
3)流體流經調節閥時產生嚴重的閃蒸(液體流過調節閥的節流口時,速度上升,壓力下降,降到液體在該工況下的飽和蒸汽壓Pv時,便會汽化,分解出氣體形成兩相流動)、空化(節流後,速度下降,壓力回升,當壓力的恢複超過Pv時,不再繼續汽化,同時液體中的氣泡將還原為液體,這時氣泡破裂,產生較強的壓力衝擊波)、氣蝕(由於氣泡破裂產生的衝擊力極大,會嚴重地衝擊損傷閥芯、閥座表麵,特別是密封麵處,會產生蜂窩狀的損壞),造成調節閥的振蕩,材質的損壞及較大的噪聲。
4)現場有振動源(管道或基座),會導致調節閥接線鬆動,固定螺母鬆動甚至導致調節閥振蕩。
5)調節閥流通能力Cv值選得過大,經常在小開度下工作,介質對閥芯閥座的衝刷及流量特性均受很大影響,使調節閥振蕩。
6)調節閥流向裝反,導致流開與流閉的形式反向,不僅會影響調節閥的流量特性,還有可能使閥前後壓差過大,使閥開關所需的力增大,甚至導致閥杆斷裂。
7)調節閥在使用過程中,由於介質的壓力波動,閥芯相對於導向麵作橫向運動(若閥芯與閥座間間隙較大,振動更加強烈),一般會產生頻率小於1500Hz的振動,當其頻率與調節閥的固有頻率相接近甚至相同時會產生共振,這種工況下的調節閥會產生嘯叫現象,以及極大的破壞力。
8)調節閥壓縮彈簧剛度不足,預緊力不夠也會導致調節閥振蕩。
9)當介質內含有雜質、異物卡在閥芯閥座處,會導致調節閥關不死,泄漏量增大。
10)由於介質高溫高壓(一般高於200℃),盤根會出現泄漏,而且填料壓蓋又不能壓得太緊,如果緊固解決不了,就必須更換,例如常減壓裝置的重油一旦泄漏,很容易發生事故。

11)調節閥閥蓋法蘭泄漏和閥體出現砂眼也會造成調節閥的外漏,外漏所造成的影響要比內漏更加嚴重。

        

3 調節閥故障典型案例
案例一:102-FV-30204閥杆斷裂故障2013年10月30日,催化單元操作員反映吸收一中102-FT-30204顯示流量驟降,給大調節閥閥位,後路流量無變化,現場檢查變送器FT30204無問題,打開該閥副線後,流量增大,初步判斷調節閥閥杆斷裂,閥芯脫落。調節閥落地解體後發現閥杆與執行機構輸出軸不同心,流體及執行機構不平衡力作用在變徑位置,且現場工藝管線振動,導致閥芯高頻震動,產生垂直於閥杆的剪切應力,金屬產生疲勞、在閥杆最細位置斷裂。
通過查詢資料顯示,該閥在2011年也曾出現過閥杆斷裂的情況,且與該閥同處的催化單元吸收穩定換熱平台的吸收塔底油控製閥102-FV-30206也有過類似故障,考慮到該故障並非巧合,於是對閥杆斷裂的原因進行了深入研究。
調節閥閥杆斷裂的原因有很多:閥杆的材質,調節閥的選型,介質的工況,閥內件的熱處理與加工質量,現場的振動等。但造成閥杆斷裂的根本原因是閥杆受剪切應力集中和金屬疲勞導致的。下麵逐一進行分析。
故障原因分析:
流經該閥的介質為吸收一中,溫度46℃,操作壓力0.3MPa,主要成分為粗汽油,密度740kg/m3,工藝介質內雜質較少,如圖1中斷麵可知表麵光滑,不是由於介質的腐蝕導致。該閥正常工作流量為100T/H左右,調節頻次幅度都很小,操作十分平穩,在故障前也沒有作大幅度地調整,通過檢查現場也沒有發現明顯波動和噪聲。通過查詢設計資料和閥門開度,該閥為籠式閥,等百分比流量特性,閥位一般控製在45%,綜合分析並不是由於設計上的缺陷和調節閥選型的問題。閥杆閥芯材質為2Cr13馬氏體不鏽鋼,這種材質有較強的硬度、抗拉壓韌性、抗疲勞強度和一定耐高溫耐腐蝕能力。從材質的選擇上來說是沒有問題的。通過勘查現場沒有發現明顯的振動源,不過由於閥杆和閥芯在閥蓋內,發生高頻低幅的振動從外觀是無法觀察到的,加上閥杆斷裂的根本原因是閥杆處收到的剪切應力,所以這種高頻率、低幅度的振動直接影響了閥杆的正常使用。


 閥杆與閥芯連接處斷麵
Fig.1 The valve stem and valve core joint section
分析結果:
由於閥前後差壓變化大,當流體流過閥門內部時,由於流通麵積地急劇變化,使得流動變得不穩定,對閥芯會產生脈動壓力的衝擊。而調節閥的閥內件的各個組件其存在各階固有頻率。當閥杆-閥芯組件受到流體不穩定衝擊的頻率和其某一階固有頻率相吻合的時候,便會致使閥門閥芯處於微觀高頻上下振蕩,長時間導致閥杆疲勞失效。
解決及改進方案:
1)改變閥芯的流量特性
調節閥一般在開度相對較低的時候發生振動,采用改變調節閥流量特性的方法可以消除振動。如把快開特性改成直線特性、直線特性改成等百分比特性、等百分比特性改成雙曲線特性,可以在調節閥流量不變的情況下增大閥門的開度,從而可以避免調節閥在小開度下工作,有效地防止調節閥振動的發生。
2)改變安裝方向
改變閥門流向,由側進底出改為底進側出,即將流閉閥改成流開閥,通過改變流向消除振動現象,增加閥門運行穩定性。
3)改變閥門結構
由ASB拋物線型平衡式閥內件改為ABM籠式平衡式閥內件,介質流經閥芯流量孔後通過互相碰撞降低流速及消耗掉部分能量,達到閥門的穩定運行。
案例二: 常二線控製閥101-FV-03302震蕩
現場調節閥最常見的故障就是震蕩,調節閥的波動過大會影響工藝操作平穩,產品質量不合格,甚至引起事故。震蕩現象雖然十分普遍,但引起震蕩的原因很多,故根據2013年12月13日常二線控製閥101-FV-03302的典型故障,總結出一個常規的分析解決方案,方法如下:
首先檢查氣路環節,即檢查風壓是否達到要求,風線接頭處是否漏氣,定位器是否漏氣等。具體步驟為:將其打到手動狀態,使閥開到一定開度,觀察閥位是否變化,其上麵的小風表也會有靈敏的變化,可據此判斷定位器環節是否漏氣,若閥杆與膜頭連接處漏風,則說明膜片破損。經檢查後,發現定位器進氣模塊處漏風,隨後進行密封處理,漏氣現象消除,但閥還是震蕩,於是對調節閥進行自整定,看自整定能否消除震蕩現象。整定完後調節閥仍然震蕩,於是在此基礎上對其進行參數的調整以達到較快解決問題的目的。定位器中包含有PID參數,故而它也相當於一個調節器,因此對參數的調整會相對煩瑣一些,解決閥震蕩的參數隻要有以下幾項:
1)將運行模式從“1.0自適應控製方式”下切換到“1.1固定控製方式”,觀察震蕩現象是否減小或消除,若無減小或消除,則進行下一步設置。
2) 調整“P1.2容差帶”,定位器的容差帶缺省設置在0.68%,而針對震蕩的閥則應適當增大其容差帶,但保證容差帶總是比死區大0.2%以上。
3) P7.0與P7.1是開向與關向放大比例,數值較高,控製速度快,但同時影響穩定性,數值太大將會引起波動。
4) P7.2與P7.3是開向與關向積分時間,數值較高,控製速度快,但同時影響閥位精度。
5) P7.4與P7.5是開向與關向微分,使調節閥的閥杆提前啟動和製動,但數值過大,會降低其抗幹擾能力。
6) P7.6與P7.7是開向與關向偏移量,數值大了,會引起波動,數值小了,動作速度慢(注:ABB定位器P7組態菜單中的各個項目主要是調節PID參數,根據調節閥具體的震蕩形式、開關閥的具體情況要進行針對性的設定)。
7)經過以上的參數調整,閥不再震蕩後,即可保存修改參數,將調節閥投用。若震蕩現象沒有得到減小或效果不明顯,可將定位器中的IP模塊進行專項檢查,看是否出現進水受潮或電路問題,若無法維修,可以試著更換新的定位器解決此問題[3]。
4 調節閥的日常維護
為了降低調節閥出現故障的概率,日常對其進行的維護保養工作也尤為重要,羅列出下麵幾項措施:
1)定位器、減壓閥定期排汙(油、水)。
2)檢查反饋杆是否鬆動與脫落。
3)檢查附件各壓力表是否損壞,氣源壓力是否符合調節閥銘牌上的額定值。
4)檢查調節閥膜頭是否漏氣,氣源管是否破裂、漏氣。
5)檢查調節閥上下膜蓋上排氣孔是否堵塞(氣開式有進雨水的可能)。
6)檢查調節閥的填料是否有泄漏。
7)檢查調節閥的上閥蓋與閥體接觸麵是否泄漏。
8)檢查進線口是否密封,各螺栓連接件部分是否鏽蝕,是否需要防腐。
9)檢查調節閥的手輪是否處於自動位置,未處於自動位置的是否屬於限位,是否有記錄。
10)保持調節閥的整體衛生清潔。
11)防水,閥門要做防雨罩。
12)檢查閥門的固定是否牢固,是否有振動。
13)檢查機械齒輪是否有卡的現象,要定期潤滑保養。
14)檢查反饋杆等運動部分要定期潤滑,保證靈活可靠。
5 結論
調節閥是自動控製係統中一個重要環節,其運行情況的準確、穩定直接影響控製係統的控製質量。因此,做好調節閥日常巡檢和維護保養工作,可大幅度提高調節閥使用的平穩率,當出現故障時,能做好原因分析、製定解決方案、事後總結等一係列工作,對自己的儀表水平是一種提升,更是為生產的平穩操作保駕護航。



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