大型气动蝶阀开启时间超标故障分析及处理

大型气动蝶阀开启时间超标故障分析及处理

沈龙军

浙江永盛科技股份有限公司浙江杭州311407

摘要：某核电站在执行《安全壳喷淋和B阶段隔离综合试验规程》定期试验期间,安喷热交换器EAS001/002RF壳侧出口隔离阀RRI035/036VN多次出现卡涩、无法开启或开启时间过长的异常情况。RRI035/036VN无法在规定时间内(<120s)开启,将影响EAS001/002RF热交换器可用性。EAS(ContainmentSparySystem,安全壳喷淋系统)作为专设安全系统,事故工况下,安全壳内温度、压力升高时,该系统可启动喷淋,将安全壳内温度、压力降低至可接受的水平,保证第三道安全屏障的完整性。根据《运行技术规范》,若一列不可用,记EASI01(第一组安全相关设备不可用状态事件),在3d内机组开始向MCS(维修停堆模式)后撤;若两列不可用,记EASI01,在1h内机组开始向MCS后撤。

关键词：大型气动蝶阀；开启时间；超标故障；处理

1概述

气动活塞式密封蝶阀因其执行器结构简单、耐用,维护量小且推力大、动作速度快,易于控制,其蝶阀体积小、密封性能好、起动力矩小等特点而广泛应用在空分设备换热器切换系统和水处理过滤器反洗控制系统中。气动蝶阀一般采用单电控或双电控二位四通电磁阀控制,而电磁阀接受可编程序控制器或手动遥控信号,当信号改变时,其气动输出信号改变,从而使气缸受力方向改变,带动蝶阀开启或闭合。可编程序控制器(或遥控按钮、旋钮)、电信号传输线路、电磁阀、气源系统、气信号传输管路、气动活塞执行器、蝶阀本身都可能引起蝶阀打不开或关不上的故障。从使用中发现,PLC故障率很低,线路管路的故障易于判断和发现。

2故障分析

从阀门卡涩无法开启及开启时间过长的异常现象可以判断,影响阀门开启速度的主要因素有阀门气动执行机构弹簧力矩不足、执行机构摩擦力大、电磁阀排气速度过慢等,这些因素与阀门本体结构、工作原理及电磁阀密切相关。

从现场对电磁阀排气速度的排查,可排除该因素。问题主要集中在气装输出力矩偏小及阀门扭矩偏大2个方面。阀门扭矩计算如下。

蝶阀阀杆力矩公式:MD=MM+MC+MT+Mj+Md。其中,MD是蝶阀阀杆力矩,N?mm;MM是密封面间摩擦力矩,N?mm;MC是阀杆轴承的摩擦力矩,N?mm;MT是密封填料的摩擦力矩,N?mm;Mj是静水力矩,N?mm,当阀杆垂直安装时为0;Md是动水力矩,N?mm。蝶阀阀杆力矩由上述因素组成,其中密封O形圈长度短,密封过盈由轴承限定,摩擦力较小,对于DN600mm蝶阀可忽略,MT=0。因RRI035/036VN阀杆垂直安,Mj=0。

由于蝶阀的结构和动水力矩的特点,即蝶阀在开启角度>5°后,蝶板即与密封面脱离,因此蝶阀只在关闭最终或开启最初时有密封面摩擦力矩MM,此时Md=0。且动水力矩的方向为蝶板关闭方向,因此以上公式简化为3种情况:(1)关闭最终或开启最初时MDOC=MC+MM;(2)开启过程中MDO=MC+Md;(3)关闭过程中MDC=MC-Md。

对于中心对称蝶板,MM=4qMbMfMR2。其中,qM是密封必须比压,MPa,对于中等硬度橡胶密封圈,,p取设计压差1.2MPa;bM是密封面的接触宽度,mm,设计选定为7mm;fM是密封面的摩擦系数,对于橡胶密封圈,fM=0.8～1.0,取0.8;R是蝶板的密封半径,mm,取294mm。经计算,qM=1.34MPa,MM=2594N?m。

阀杆轴承的摩擦力矩,其中,FC是作用在阀杆轴承上的载荷,当蝶板处于关闭位置时,FC=πr2p;fC是阀轴与轴承间的静态摩擦系数,对于自润滑轴承取最大值0.15;dF是阀轴直径,设计选定为70mm。因此,关闭位置时MC=1710N?m。动水力矩,Md在关闭位置开启初始时为0;经过厂家试验验证,Md在阀门动作过程中最大值400N?m。根据上述计算,Md远小于MM,可见阀门在关闭最终或开启最初时操作扭矩最大,此时MDOC=MC+MM=4304N?m。

根据厂家提供的气缸计算书,阀门在全关位置时气缸的弹簧输出扭矩为5383N?m,比起全关位置阀门的操作扭矩4304N?m,安全系数只有1.25。经过以上故障分析和理论计算,RRI035/036VN卡涩的根本原因为气缸的弹簧力设计裕度不够,弹簧力偏小导致阀门无法开启。

3处理方法

3.1临时改造方案1

针对气缸弹簧设计裕度不足的情况,可对阀门增设辅助开启装置。将阀门开启过程中通过电磁阀排气孔排入到大气中的压缩空气,通过一个单向阀、带小孔(孔径2mm)的接头和铜管等输入到气缸的弹簧腔内,给活塞一个助推力,帮助弹簧增加输出扭矩实现阀门的开启。经过试验验证,在带载运行的条件下,开阀时间22s,关阀时间11s,满足要求。

3.2临时改造方案2

由于带小孔的接头,孔径只有2mm,按照临时改造方案1改进后,若电磁阀失电后,迅速得电,则由于弹簧腔端仍有余气未排尽,将导致阀门关闭时间过长。如果排气孔扩大则排气速度虽然可以加快,但是开阀的助推力减小,两者是不可调和的矛盾。经多次试验,将电磁阀换成二位四通型号可解决弹簧腔端排气缓慢问题。动作原理:电磁阀得电,非弹簧腔端进气,弹簧腔端对空,弹簧压缩,阀门关闭。电磁阀失电,弹簧腔端进气,非弹簧腔端对空,靠自身弹簧力和排气助推力复位,阀门打开。

3.3最终改造方案

根据现场故障现象进行理论分析并通过工厂试验,从5个方面对阀门结构进行优化。

(1)减小密封过盈量。试验表明,密封过盈量对阀门的开启扭矩影响很大,保证1.76MPa密封性能条件下,蝶板与阀座单边过盈量由2mm减小至1.6mm,可以有效减小阀门开启扭矩。

(2)增大缸径和弹簧。提高气动装置的输出力矩,考虑现场空间受限,只对活塞缸体及配用的弹簧进行改进,缸径由原来的350mm增大到450mm,气缸改进后力矩值明显增大,开启最大力矩增大1.4倍,达到7550N?m,设计安全系数达到1.75,设计改进后,可以避免阀门因紊流、振动、轴承磨损等原因导致的卡阻。

(3)提高气缸输出扭矩。气缸弹簧由单簧改为内外组合弹簧模式。

(4)对橡胶阀座结构进行改进。即密封带宽度由25mm改为15mm。

(5)增加拉杆机构。为避免阀门因阀轴不同心,在中间开度出现卡阻的情况,通过上下阀轴增加拉杆机构,减小系统压力对上下阀轴产生偏移的影响,提高上下阀轴的同轴度,从而减小阀轴与蝶板之间的摩擦力矩,降低阀门的操作扭矩。

4防范措施

无论是空分设备中,还是水处理系统中,气动活塞式蝶阀均起着重要作用,虽然其故障率很低,但也应防范其发生。(1)气源应采用经干燥器、过滤器处理后的干净空气或氮气。最好单设储气罐。我们曾遇到气动蝶阀气源与反洗空气共用一个气罐,因气源压力偶然降低,污水过滤器中的水进入储气罐,再送到蝶阀气缸中,使气缸内积水锈蚀而无法动作的事故。一般气动蝶阀都安装在露天或无保温措施的厂房内,冬天环境温度经常在零度以下,一旦气源中含水,只要在电磁阀内或气缸内少许结冰,就会使蝶阀失灵。因而对于气源要经常排水,为了保证电磁滑阀和气缸的动作灵活,在每个气动蝶阀管路上应加装油雾气。(2)制定严格的定期维修制度,每两年应对电磁阀、执行器和蝶阀进行检查维护,应清洗相关部件并加润滑脂,更换易损件,如密封件、V型环等。

结论

改造实施后,电站RRI035VN开阀时间30s,关阀9s,RRI036VN开阀25s,关阀10s,且未再发生卡涩问题,达到了改造预期目的。此次针对RRI035/036VN蝶阀开启时间超标的故障分析,也为气动蝶阀、球阀开启卡涩及超时问题提供了较好的解决思路。

参考文献：

[1]张逸芳,王建新.大型快关气动蝶阀的设计[J].阀门,2011(01):7-10.

[2]赵亚伟,薛智.气动蝶阀故障原因分析及防范措施[J].冶金动力,2000(04):29-31.