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浅论闸阀的安全运行

来源: 上海阀门 时间: 2012-06-06 点击: 2,968

1.前言

闸阀以其耐压、耐温(高低温)、耐腐蚀(多种材料配置)、具备双向密封功能、耐磨损、长寿命等独特优势越来越广泛地应用于各类工业系统,实现介质的开启与关闭,为系统的稳定与控制发挥了巨大的作用。历经漫长的发展,现已形成Z40、Z41、Z42、Z44(主要以明杆式闸阀的闸板形式分类)等五种常见结构形式。综合比较如表1。

表1
项目 Z40/60 Z41/61平行 Z41/61楔式 Z42/62 Z44/64
结构说明 带弹性槽楔式闸板 平行单闸板 楔式单闸板 楔式双闸板 平行双闸板
制造工艺性能 弹性槽可补偿制造误差,总体精度要求较高 两侧平行度及粗糙度可方便地保证 最差,精度要求最高
可维修性能 较差,精度要求最高 制造精度要求最高 最好,具备挡宽磨损补偿设计
高温抗咬性能 较差,易发生咬死现象 很差 一般
密封性能及可靠性 结构紧凑,制造精度高,密封性能较好 低压时易泄漏,不适用低压或压力波动工况 结构紧凑,制造精度高则性能较好 关闭时自动吻合,密封可靠 零件较多。低压时密封性能较差
密封面使用寿命 较长 易擦伤 较长 易擦伤
制造成本 较高 较低
工况适应性 各压力段均适用,高温慎用 低压或压力波动时不适用,高温适用 具备强制密封设计,适用各压力段,单高温慎用 具备强制密封设计,适用各压力段,高温慎用 低压或压力波动时不适用,高温适用
对驱动装置的要求 驱动力矩大 驱动力矩最小 驱动力矩大 驱动力矩较大 驱动力矩较小
安装调试要求 启闭力矩及行程控制要求严格 仅须控制行程,用力矩保护 启闭力矩及行程要求严格 启闭力矩及行程控制要求严格 仅须控制行程,用力矩保护

上表相对地比较了国产常见标准产品的结构特点及适用范围,用户选型时应以工况要求为原则,参考选择合适型号。如能正确地选型,许多事故完全可在选型时避免。(须说明的是,近年各类新结构层出不穷,新结构设计未列入比较)除了选型错误外,设计、制造、安装、调试、维护等多个环节均须认真把握,才能避免或杜绝事故的发生。下面结合笔者多年协助事故处理经历,对各类常见事故进行分析点评。

2.常见事故形式及分析

2.1 阀杆断裂

阀杆为重要驱动件,其重要作用不言而喻,阀杆断裂一般发生在上下螺纹根部,此处截面积最小,易出现应力集中及超标现象。尤其当工作条件较大地偏离设计时,拉断几乎无法避免。苏州一电厂曾多次发生DNl75电动闸阀阀杆开启后梯型螺纹退刀槽处拉断的事故,调查发现阀盖预紧螺母松动,阀盖上移,阀杆螺母咬死,显然这是电装行程调试过位,保护力矩过大引起的人为事故。

另一类阀杆断裂事故则发生于开启瞬间,表现为闸板尚未拉出阀座,阀杆即在上或下螺纹根部断裂,可谓“出师未捷身先死”,其原因我们通常认定为闸板咬死,这其实只是部分原因或次要原因,一个重要原因我们常未加重视或忽视,即阀体中腔关闭后的“异常升压”,亦即阀门关闭后封闭处于上下游两侧密封面之间的中腔流体压力远高于上游压力的现象。产生这种现象有两种原因,其一中腔流体被上游流体加热升温发生膨胀导致压力剧烈升高,其二闸板关闭瞬间流体封闭于中腔,无法外流,中腔空间被阀杆进一步挤压,由于液体的可压缩性十分有限,也会使压力剧增,这一现象尤其易发生发电厂的Z962类主给水闸阀,其工况与此分析十分吻合。据资料报道异常升压一般会成几何级数增加,远远超过阀杆强度设计极限,拉断阀杆也就自然而然了。显然它的存在似炸弹般严重威胁着设备的安全。

2.2 壳体外漏

虽然锻件代替铸件用于高温高压正成为趋势,但受制于工艺或成本,大规格壳体通常仍用铸件制造,由于工艺设计,企业水平能力等多方面的限制,铸件存在气孔、夹渣、裂纹、缩松、疏松等大量缺陷,这些缺陷在阀门的运行中会随时随地暴露处理,成为威胁安全运行的隐患,某电厂2007年统计,阀门外漏事故中,37%为壳体铸造缺陷引发。其余则为阀杆、中法兰及侧法兰密封不严引发。

2.3 闸板卡死

闸板卡死表现为闸板卡住在阀体中腔导轨侧甚至于与阀杆脱离,主要由设计制造不良引发,如导轨接触宽度过短或过长,导轨粗糙均为诱发因素。

2.4 闸板楔死、T型槽断裂或开花

闸板楔死表现为闸板咬死于阀座中,当阀杆硬性上提时,常常出现T型槽断裂或开花(变形),避开“异常升压”因素,另有两大原因值得注意,即“温差”与“关闭力”。关于“温差”典型的案例如阀门在冷态关闭热态后再打开,由于阀杆受热膨胀伸长使闸板进一步压紧,增大闸板的关闭力矩,导致闸板楔死;相似地如热态关闭,冷态打开时,由于两侧阀座热变形引起档宽变大,冷态则收缩变小,从而导致闸板楔死。上述两种状态如伴随“关闭力”过大,即关得过紧,如电装驱动调试不当或不适当地使用增力机构如F扳手、杠杆等,则发生闸板楔死的几率大大增大。

2.5 内漏(夹杂物、关不到位)

内漏的原因很多,新阀门运行不久即发生内漏又关不到位则应肯定为密封面夹杂异物,这是闸阀的大忌。新设计投运前认真检查,仔细冲管可减轻这类事故的发生。

2.6 阀杆撞弯

阀杆撞弯多出现电动阀门电装调试不当时发生,关闭力矩过大又未设行程保护或失当时极易发生,其对阀门的破坏是致命的。

2.7 闸板撞裂

闸板撞裂(或底部变形)主要出现在Z944/Z964平行板式结构产品中,闸板底部直接撞击于阀体底部时发生,多由于电动阀门电装调试不当,关闭行程未设或失当时极易发生。

2.8 密封面裂纹

密封面裂纹主要出现在合金钢材料的阀门中,多由于工艺不合理导致。合理选材,合理控制焊接工艺参数可避免。

2.9 石墨类填料或密封损坏导致系统介质大量外漏

石墨类填料事故一般由填料压板的活节螺栓未及时压紧引起,一旦发生常导致重大事故,如高温气体伤残人、剧毒或易爆物质外泄;另一个原因是阀杆表面处理或材料选择不当被介质腐蚀或填料不合格腐蚀阀杆表面时,阀杆上下运动会由其表面锈蚀处带出填料微粒,反复多处即出现填料间隙泄漏,此时如维护不当,可很快即由小漏变大漏,高压或高速气体液体极易在极短时间内将填料冲出,一丝不留,进一步高压气流会冲蚀壳体,形成缺口或洞口。同样的情形,对以石墨不锈钢丝缠绕材料作为密封的高压自紧密封设计的阀门及以不锈钢带石墨缠绕垫的中法兰密封设计阀门亦应引以为戒。再一个原因也常引起介质的大量外漏,即填料压盖与阀杆间配合间隙过大,阀杆上下运动过程中,会因间隙过大反复摩擦填料带出微末,最终使填料压紧比压下降,导致泄漏,高速气流会在极短时间内冲出全部填料,使介质大量外漏,导致极端事故的发生。

3.分析与对策

以上浅述了几类常见事故的表现形式,下面进一步从制造(供方)、安装(安装施工方)、维护(需方)三层面作分析,以利于防微杜渐,事前改进,杜绝事故。

3.1 设计与制造

3.1.1 设计缺陷

(1)无开度标识 国标闸阀未涉及此要求,这在许多场合不尽合理,普通阀门只能凭手感判断开度,对电动阀更增加茫然感,接触不少用户颇有微词。

(2)阀杆强度多处剧减、大幅度降低承载能力。如螺纹退刀槽根部,Z962Y阀杆下螺纹根部,这些部位当中腔异常升压时常常最先断裂。

(3)阀杆端部未设计限位装置,常导致过度关闭咬死。

(4)国标闸阀标准中对中腔异常升压现象未涉及,未提出设计内旁路或外旁路的要求,导致升压无法泄放,使用中常出现一系列事故。

(5)高温楔死,Z60Y、Z61Y易发,制造误差或关闭力矩越大、越易发生,期望新结构能尽快取而代之;温差较大时,建议采用平板阀门为宜。

(6)电装选型不当,驱动力矩过大或过小。过大则增加制造成本,调试不当则易撞弯阀杆或楔死闸板;过小则开不动,关不严。

(7)DN350以上电动阀门阀杆直径应适当加大,细长的阀杆调试不当时极易发生阀杆弯曲现象,同时加工装配应提高支架上下同轴度。

(8)选材不当 典型的案例如采用铝青铜制造的阀杆螺母,当电装转速较快或启闭较频繁时会很快磨光螺纹牙面,甚至一牙不剩,导致阀门无法动作。目前可替代的材料并不多,建议设计时适当增多牙数,有效润滑,并定期维护更换。

(9)重要阀门应采用合理的填料密封组合,提供密封性能。

3.1.2 制造质量

(1)铸件质量差导致外漏 限于目前的工艺水平,壳体铸件存在砂眼、缩孔、疏松、裂纹等一系列缺陷,虽对一些部位进行无损检测,但仍然防不胜防。建议重要的高温高压阀门采用锻件制造。全锻钢或锻焊结构壳体目前正成为这类阀门的发展趋势。

(2)材料不达标,偷工减料,以次充好。常见的现象时理化性能不合格、未热处理、用低温材料替代高温材料、未按规定进行NDT(无损检测)。

(3)导轨不加工致卡死,导轨是重要的部位,常不被重视,加工时应认真去除棱角,两侧保留充分的结合面,保证即使闸板极限地偏移也不会脱轨。

(4)混料、或选材不合格典型现象如将碳钢材料混入合金钢阀门中。

(5)密封面选材不当或硬度不匹配;表面粗糙度、平面度或吻合度不足,导致比压超标,形成压伤、擦伤破坏。

(6)阀杆表面处理不合格,导致表面锈蚀、腐蚀、镀层早期脱落寿命短,引起外漏。

(7)配合间隙不合理 阀门重要的配合面间隙有严格的要求,不宜过大过小。比如自紧密封阀门的阀体与阀盖的配合间隙、阀杆与填料压盖的配合间隙、填料压盖与阀盖配合间隙等。

(8)位置公差不合格 如阀盖与支架的上下同轴度控制不严,会发生阀杆弯曲、阀杆螺母咬死或不均匀磨损、填料外漏等事故。又如法兰螺孔位置度误差较大时会导致无法安装的现象发生。

3.1.3做好售前服务,充分与设计方、业主沟通,了解阀门的工况参数及运行特点,协助选型,完善产品结构,不断改进,提供完善软件资料(如安装手册,操作维护指导书等),提供优质服务。

3.1.4反对偷工减料,以次充好。充分发挥行业协会作用,理顺阀门行业价格,实现阀门市场合理竞争机制。

3.1.5建议由行业管理部门尽快建立电动阀门的设计制造、安装调试、维护标准,指导规范企业生产及用户使用。

3.2 安装与调试

3.2.1 安装不当

(1)无旁路对重要的高压大口径阀门上下游问增加旁路装置有利于降低启闭压差,减轻启闭瞬间闸板对密封面的擦伤,同时有利于减小电装力矩,降低制造成本。由于现行国标未对旁路装置明确规定,导致供需双方的推诿与扯皮,埋下一系列事故的隐患。建议重要的高压大口径必须安装。

(2)无安全阀 中腔安装安全阀是控制异常升压的有效措施,既可保护阀门启闭件,又能维护系统的安全运行,但现行阀门标准并未明确此类要求。另外在上游侧与中腔间安装外旁路或闸板上游一侧开泄压孔均是有效的可行手段。

(3)未冲管或冲管不彻底,致管内杂物(如铁屑,焊渣,焊条头,螺母等)轧伤密封面。

(4)安装位置不当,所有闸阀一般推荐阀杆垂直向上安装,倾斜安装会大大增加闸板卡死的几率,万不得已水平安装应有安装支架支撑电装,并在安装时校正阀杆。

3.2.2调试不当

对电动闸阀,安装调试有严格的要求,非专业人员操作往往会产生严重的后果。常见的问题有以下几方面:

(1)开启过行程,保护力矩过高。这一做法的后果是拉断阀杆、阀杆螺母咬死等;正确的做法是:用手轮调定开启位置,用力矩保护,一般保护力矩控制20%~30%即可。

(2)关闭行程过大,启闭力矩过大。这一做法的后果是闸板楔死于阀座中,而启闭力矩过大则可能导致拉断阀杆、T形槽开花断裂、阀杆螺母咬死等;正确的做法是:用手轮调定关闭位置后适当上提闸板1—3mm(主要对高压阀门),这样可避免中腔异常升压导致的开启力矩过大。

(3)对平板闸阀关闭行程过大常常会撞裂(或变形)平板阀闸板。调试时调定其关闭行程位置即可,并不需过大的关闭力矩。

(4)接线不当,烧坏电机。这只要认真阅读使用说明书,由专业人员操作即可。

3.3 运行与维护

3.3.1 选型不当

(高温、高压)手动开不动。为压低造价很多单位选型手动阀门招投标,建议启闭力矩大于400Nm的阀门应采用增力的机构设计,如齿轮机构、撞击手轮、带轴承的阀杆螺母设计等。电装选型时应预留30%~50%的力矩裕度;不推荐采用气动型楔式闸阀。必要时可参考表1的阀门适用特点结合具体工况,确定闸阀选型的结构形式。

3.3.2 维护不当

(1)自紧密封设计的阀门运行一段时间后应再紧固预紧螺栓,防止压力波动时阀盖下沉引起介质外漏,冲出自密封圈。

(2)运行过程中也应对填料压紧螺栓进行正常维护,及时紧固。

(3)运行过程中也应对中法兰压紧螺栓进行正常维护,及时紧固。

(4)运行过程中应对轴承机构、各类螺纹处进行定期润滑,及时去除灰尘污垢。

(5)定期动作试验。重要阀门应经常启闭测试其动作性能,防止锈蚀卡涩,及时发现隐患。

(6)定期检修。重要阀门应定期检修,检查维护其密封面、驱动机构、密封圈等重要部位。点检关键部位,建立设备维护记录档案。

(7)专业人员操作,或在其指导下操作,建立规范的操作程序并做好维护保养记录。

(8)理顺管理体制,典型案例如很多单位将一只电动阀门分为机电两部分,分别划归机械与电气两个部门管理,两者互不协调,出了问题或相互指责,或一推了之,最终设备损坏由阀门厂家服务买单。

(9)加强员工培训,提高运行与维护的技能。近年新办企业较多,员工素质良莠不齐,呈现普遍下降趋势,高技能训练有素的职工队伍才是安全运行的保证。

3.3.3提供充足费用,不搞最低价中标,逼良为娼。以技术、质量、信誉、业绩、服务作为招标评比遴选的重要依据,价格作为参考,将假冒伪劣拒之门外。

4.结论

设计、制造、选型,安装调试、维护等方面有机结合,才能保证产品的安全使用,避免许多重大事故发生,保证产品及工艺流程的安全运行,从而延长设备寿命,延长检修周期节省维修及生产成本,提高企业效率。

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