气动调节阀的故障分析与解决方案.pdf

第 2 2 卷第 3 期 2 0 1 5 年 6 月 仪器仪表用户 NS TR UME N I ON E I C Vo 1 ． 2 2 2 0l 5 N o ． 3 气动调节阀的故障分析与解决方案 张琦 中海炼化 惠I 、Il 炼化分公司，广东 惠州 5 1 6 0 8 6 摘要随着自动化技术地飞速发展，调节阀用于控制各种介质流量和压力，在稳定生产、优化控制等方面起着举 足轻重的作用。从调节阀的结构、执行器的形式、流量特性 、维护等多方面进行综合比较 ，针对不同工况对调节阀 进行相应分析和应用 ，真正发挥调节阀在 自动化控制中 “ 执行单元”的作用 ，为管道输送介质 、达到控制指标和 科学管理提供有力保障。本文重点对气动调节阀的使用、故障现象和原因分析加以介绍。 关键词调节阀；阀杆断裂；定位器 中图分类号T 文献标识码A 文章编号 1 6 7 1 - 1 0 4 1 2 0 1 5 0 3 - 0 0 4 8 0 4 F a u l t An a l y s i s a n d S o l u t i o n s o f P n e u ma t i c Co n t r o l V a l v e s Z h a n g Q i C N O O C r e fi n e r y C o ． ， L t d ． ， Hu i z h o u r e fi n e ry b r a n c h ， G u a n g d o n g H u i z h o u 5 1 6 0 8 6 ， C h i n a Ab s t r a c t C o n t r o l v a l v e u s e d t o c o n t r o l a l l k i n d s o f me d i u m fl o w r a t e a n d p r e s s u r e ， I n a s t a b l e p r o d u c t i o n ， o p t i mi z a t i o n c o n t r o l p l a y s a v i t a l r o l e ， wi t h t h e r a p i d d e v e l o p me n t o f a u t o ma t i o n t e c h n o l o g y ． I t r e a l l y p l a y s a c o n t r o l v a l v e“ e x e c u t i o n u n i t ’ ’ r o l e i n a u t o ma t i c c o n t r o l a n d p r o v i d e s p o w e r f u l g u a r a n t e e f o r t h e p i p e l i n e me d i u m， c o n t r o l i n d e x a n d s c i e n t i fi c ma n a g e me n t a c c o r d i n g t o d i f f e r e n t c o n d i t i o n s t o t h e r e g u l a t o r t o c o r r e s p o n d i n g a n a l y s i s a n d a p p l i c a t i o n f r o m t h e for m o f t h e s t r u c t u r e o f v a l v e ， a c t u a t o r ， fl o w c h a r a c t e r i s t i c a n d ma i n t e n a n c e a s p e c t s o f a c o mp r e h e n s i v e c o mp a r i s o n ． T h i s p a p e r f o c u s o n t h e u s e o f p n e u ma t i c c o n t r o l v a l v e ， f a u l t p h e n o me n o n a n d r e a s o n a n a l y s i s ． Ke y wor d s c o n t r o l v a l v e ； s t e m f a c t u r e a c t u a t o r 0 引言 调节阀是石油化工行业用来调节各种介质流量和压 力的装置，它的工作正常与否直接关系整个装置的生产能 否正常。生产现场的工作环境常处于高温高压、潮湿 、粉 尘 、振动 、易燃易爆等恶劣条件 ，故障率较高，气动调节 阀在惠州炼化运行一部使用最为广泛，所以保证其使用正 常是十分重要的。 1调节 阀简介 根据 国际 电工委 员会I E C 对调节 阀 国外称 C ON T R O L V A L V E 控制阀 的定义调节阀是由执行机构和阀体部件 两部分组成，即调节阀 执行机构 阀体部件 执行机构是调节阀的推动装置 ，它按信号压力的大小 产生相应的推力，使推杆产生相应的位移 ，从而带动调节 阀的阀芯动作 ；阀体部件是调节阀的调节部分，它直接与 介质接触 ，通过执行机构推杆的位移 ，改变调节阀的节流 面积 ，达到调节 的 目的 。 调节阀根据执行器分为电动 、液动 、气动，以气动最 为常见；根据阀体结构可分为直通单 、双座阀、套简阀、 球 阀、蝶阀、偏心旋转阀等 ；按流量特性可分为直线 、等 百分比、抛物线和快开，根据介质的性质、温度、压力等 条件应选用合适的调节阀进行控制。 定位器调节阀最重要的附件之一，阀门定位器能 够增大调节阀的输出功率 ，减少调节信号的传递滞后 ，加 快阀杆 的移动速度，能够提高阀门的线性度，克服阀杆的 摩擦力并消除不平衡力的影响 ，从而保证调节阀的正确定 位 ， 并且可以使阀门动作反向。运行一部全部气动调节阀 共4 8 9 台 ，其中4 2 0 台使用了A B B 智能阀门定位器 ，此定位 器结构紧凑，安装调试方便 ，但是实际使用过程 中，故障 率较高 ，其中一个最主要的原因就是很容易引起调节阀波 动，导致调节阀盘根泄漏 ，工艺操作不稳定 ，甚至无法操 作。后面会根据实践经验 ，罗列出一些由于定位器引起的 调节阀波动，然后阐述一般的处理方法。 收稿 日期 2 0 1 5 0 3 0 4 作者简介张琦 1 9 8 9 一 ，男， 辽宁凌源人，本科，助理工程师，主要从事现场仪表和D C S 仪表的技术和管理工作。 第3 期 张琦 气动调节 阀的故 障分析与解决方案 4 9 2调节阀常见故障现象及原因分析 2 ． 1气源故障 1 现场气源未开。 2气源含水，天气寒冷结冰。 3 净化风停止供应。 4气源总管泄露或风线堵塞导致风压过低，调节阀不 能全开或全关 ，甚至不动作。 5 空气过滤减压器长时间使用 ，脏物太多，减压阀下 黑色旋钮打开漏风 ，使输出风压小于规定的压力 ，导致调 节阀不能全开全关 ，甚至不动作。 6 现场风线漏风，接头松动 ，导致风压不足，调节阀 不能全开全关 ，甚至不动作。 7过滤减压阀故 障，导致风压不稳，造成调节阀振 荡 。 2 ． 2 线路故障 1 电源线接线端松动、脱落 、短路 、断路 ，电路板灰 尘积得太多导致接触不 良，信号波动，调节阀产生振动。 2大雨或台风过后，设备进水受潮使接线短路，造成 调节阀不能全开或全关。 3 极性接反会导致调节阀不动作。 4电源线中间段故障，由于绝缘胶带的失效，电线绝 缘皮脱落造成线与线之间的短路，由于现场振动导致电线 断裂 ，导致调节阀动作不连续振荡，不能全开或全关甚至 是不动作。 5由于调节阀维修过后接线失误 ，导致调节阀故障。 6调节阀输出信号不稳定，导致调节阀操作波动。 2 - 3定位器故 障 1 反馈杆固定螺母松动脱落，反馈杆上的弹簧脱落， 造成反馈杆的松动、脱落、卡涩 ，使调节阀振荡。 2定位器中的位置传感器故障，当振动到坏点会导 致 中控室显示超程，过一阵又恢复正常，通过更换可以解 决。 3 定位器P I D 参数整定不合适。 2 ． 4 调节阀阀体故障 1 调节阀阀芯或阀座磨损 介质的冲刷、铁锈 、焊渣 等脏物的划伤磨损 ，卡涩 介质中的各种杂质堵塞 ， 密封不严 密封环磨损 ，导致阀全关时介质依然过量 ， 无法控制。 2 调节阀盘根压得过紧或过松 ，过紧使调节阀阀杆动 作迟缓或跳跃，过松会使介质泄露 ，若是重油很有可能燃 烧，造成很大的事故。 3 调节阀安装时管道与阀体不同心，使调节阀受附加 应力过大 ，造成振荡 ，不能全开或全关等。 4调节阀阀杆与连接件固定螺母松动 ，阀杆与阀芯 不同心 ，导致阀关不死 ，所受应力增大，导致阀杆高频振 荡，甚至断裂。 5调节阀膜头故障，由于膜片长时间使用 ，老化变 质 ，弹性变小 ，密封性变差，膜片漏气 ，压缩弹簧老化 ， 弹性变小 ，断裂 ，导致调节 阀不能全开全关甚 至失去控 制。 6调节阀阀芯脱落 、阀芯与阀座卡死、阀杆弯曲或折 断会导致调节阀动作正常，但是起不到调节作用。 2 ， 5调节阀应用工况与原设计工况不符导致的故障 1 由于设计院给的设计参数 阀体的材质、填料的形 式 、调节阀的流开与流闭、流量特性的选择及使用时的开 度等 与现场实际不符出现故障。 2由于工艺介质的变化 ，导致调节阀的工况满足不了 实际工况而造成故障。 3流体流经调节阀时产生严重的闪蒸 液体流过调 节阀的节流 口时，速度上升，压力下降，降到液体在该工 况下的饱和蒸汽压P v 时，便会汽化，分解出气体形成两相 流动 、空化 节流后 ，速度下降，压力回升，当压力的 恢复超过P v 时，不再继续汽化 ，同时液体中的气泡将还原 为液体 ，这时气泡破裂 ，产生较强的压力冲击波 、气蚀 由于气泡破裂产生的冲击力极大 ，会严重地 冲击损伤 阀芯、阀座表面 ，特别是密封面处 ，会产生蜂窝状的损 坏 ，造成调节阀的振荡，材质的损坏及较大的噪声。 4现场有振动源 管道或基座 ，会导致调节阀接线 松动，固定螺母松动甚至导致调节阀振荡。 5调节阀流通能力c v 值选得过大 ，经常在小开度下工 作，介质对阀芯阀座的冲刷及流量特性均受很大影响，使 调节阀振荡。 6调 节 阀流 向装反 ，导 致流 开与 流闭 的形式 反 向 ， 不仅会影响调节阀的流量特性 ，还有可能使阀前后压差过 大，使阀开关所需的力增大，甚至导致阀杆断裂。 7调节阀在使用过程中，由于介质的压力波动 ，阀芯 相对于导向面作横向运动 若 阀芯与阀座间间隙较大 ，振 动更加强烈 ，一般会产生频率小于1 5 0 0 Hz 的振动，当其 频率与调节阀的固有频率相接近甚至相同时会产生共振 ， 这种工况下的调节阀会产生啸叫现象 ，以及极大的破坏 力。 8 调节阀压缩弹簧刚度不足，预紧力不够也会导致调 节 阀振荡 。 9当介质内含有杂质、异物卡在阀芯阀座处，会导致 调节 阀关不死 ，泄漏量增大 。 1 0由于介质高温高压 一般高于2 0 0 C，盘根会出 现泄漏，而且填料压盖又不能压得太紧 ，如果紧固解决不 了，就必须更换，例如常减压装置的重油一旦泄漏 ，很容 易发生事故。 1 1 调节阀阀盖法兰泄漏和阀体出现砂眼也会造成调 节阀的外漏，外漏所造成的影响要比内漏更加严重。 5 0 仪器 仪表用 户I N S T R U ME N T A T I O N 第2 2 卷 3调节阀故障典型案例 案例一1 0 2 一 F V 一 3 0 2 0 4 阀杆断裂故障 2 0 1 3 年 1 0 月3 0 E t ，催化单元操作员反映吸收一中1 0 2 一 F T 一 3 0 2 0 4 显示流量骤降，给大调节阀阀位，后路流量无变 化，现场检查变送器F T 3 0 2 0 4 无问题 ，打开该阀副线后 ，流 量增大 ，初步判断调节阀阀杆断裂，阀芯脱落。调节阀落 地解体后发现阀杆与执行机构输出轴不同心，流体及执行 机构不平衡力作用在变径位置，且现场工艺管线振动 ，导 致阀芯高频震动 ，产生垂直于阀杆的剪切应力 ，金属产生 疲劳、在阀杆最细位置断裂。 通过查询资料显示 ，该阀在2 0 1 1 年也曾出现过阀杆断 裂的情况，且与该阀同处的催化单元吸收稳定换热平台的 吸收塔底油控制阀1 0 2 一 F V 一 3 0 2 0 6 也有过类似故障，考虑 到该故障并非巧合，于是对阀杆断裂的原因进行了深入研 究 。 调节阀阀杆断裂的原因有很多阀杆的材质 ，调节阀 的选型，介质的工况 ，阀内件的热处理与加工质量 ，现场 的振动等。但造成阀杆断裂的根本原因是阀杆受剪切应力 集中和金属疲劳导致的。下面逐一进行分析。 故障原因分析 流经该阀的介质为吸收一 中，温度4 6 ，操作压力 0 ． 3 MP a ，主要成分为粗汽油，密度7 4 0 k g ／ m3 ，工艺介质内 杂质较少 ，如图1 中断面可知表面光滑 ，不是 由于介质的 腐蚀导致 。该 阀正常工作流量为I O O T ／ H左右 ，调节频次 幅度都很小，操作十分平稳，在故障前也没有作大幅度地 调整 ，通过检查 现场也 没有发现 明显 波动和 噪声 。通 过查 询设计资料和阀门开度 ，该阀为笼式阀，等百分比流量特 性 ，阀位一般控制在4 5 ％，综合分析并不是 由于设计上的 缺陷和调节阀选型的问题。阀杆阀芯材质为2 C r 1 3 马氏体不 锈钢，这种材质有较强的硬度 、抗拉压韧性 、抗疲劳强度 和一定耐高温耐腐蚀能力。从材质的选择上来说是没有问 题的。通过勘查现场没有发现明显的振动源 ，不过由于阀 杆和阀芯在阀盖内，发生高频低幅的振动从外观是无法观 察到的，加上阀杆断裂的根本原因是阀杆处收到的剪切应 力，所以这种高频率、低幅度的振动直接影响了阀杆的正 常使用。 分析结果 由于阀前后差压变化大，当流体流过阀门内部时，由 于流通面积地急剧变化 ，使得流动变得不稳定，对阀芯会 产生脉动压力的冲击。而调节阀的阀内件的各个组件其存 在各阶固有频率。当阀杆一 阀芯组件受到流体不稳定冲击的 频率和其某一阶固有频率相吻合的时候 ，便会致使阀门阀 芯处于微观高频上下振荡 ，长时间导致阀杆疲劳失效。 解决及改进方案 1 改变阀芯的流量特性 调节阀一般在开度相对较低的时候发生振动，采用改 变调节阀流量特性的方法可以消除振动。如把快开特性改 图1阀杆与阀芯连接处断面 F i g ． 1 T h e v a l v e s t e m a n d v a lv e c o r e j o i n t s e c t i o n 成直线特性 、直线特性改成等百分比特性 、等百分 比特性 改成双曲线特性，可以在调节阀流量不变的情况下增大阀 门的开度 ，从而可以避免调节阀在小开度下工作 ，有效地 防止调节阀振动的发生。 2 改变安装方向 改变阀门流向，由侧进底出改为底进侧出，即将流闭 阀改成流开阀，通过改变流向消除振动现象 ，增加阀门运 行稳定性。 3改变阀门结 构 由A S B 抛物线型平衡式阀内件改为A B M笼式平衡式阀 内件 ，介质流经阀芯流量孔后通过互相碰撞降低流速及消 耗掉部分能量，达到阀门的稳定运行。 案例二 常二线控制阀1 0 1 一 F V 一 0 3 3 0 2 震荡 现场调节阀最常见 的故障就是震荡 ，调节阀的波动 过大会影响工艺操作平稳，产品质量不合格，甚至引起事 故。震荡现象虽然十分普遍 ，但引起震荡的原因很多，故 根据2 0 1 3 年1 2 月1 3 日常二线控制阀1 0 1 一 F V 一 0 3 3 0 2 的典型故 障，总结出一个常规的分析解决方案，方法如下 首先检查气路环节，即检查风压是否达到要求 ，风线 接头处是否漏气，定位器是否漏气等。具体步骤为将其 打到手动状态 ，使阀开到一定开度 ，观察阀位是否变化 ， 其上面的小风表也会有灵敏的变化 ，可据此判断定位器环 节是否漏气 ，若阀杆与膜头连接处漏 风，则说明膜片破 损。经检查后 ，发现定位器进气模块处漏风，随后进行密 封处理，漏气现象消除 ，但 阀还是震荡，于是对调节阀进 行 自整定 ，看 自整定能否消除震荡现象。整定完后调节阀 仍然震荡 ，于是在此基础上对其进行参数的调整以达到较 快解决问题的目的。定位器中包含有P I D 参数，故而它也相 当于一个调节器，因此对参数的调整会相对烦琐一些，解 决阀震荡的参数只要有以下几项 1将运行模式从 “ 1 ． 0自适应控制方式”下切换到 “ 1 ． 1 固定控制方式”，观察震荡现象是否减小或消除，若 无减小或消除 ，则进行下一步设置 。 2调整 “ P 1 ．2 容差带”，定位器的容差带缺省设置在 0 ． 6 8 ％，而针对震荡的阀则应适当增大其容差带，但保证容 差带 总是 比死 区大0 I 2 ％以上 。 3P 7 ．0 与P 7 ． 1 是开向与关向放大比例，数值较高 ，控 制速度快，但同时影响稳定性 ，数值太大将会引起波动。 第3 期 张琦 气动调节 阀的故障分析与解决方案 4P 7 ． 2 与P 7 ． 3 是开向与关向积分时间，数值较高 ，控 制速度快，但同时影响阀位精度。 5P 7 ． 4 与P 7 ． 5 是开向与关向微分 ，使调节阀的阀杆提 前启动和制动 ，但数值过大，会降低其抗干扰能力。 6P 7 ． 6 与P 7 ． 7 是开向与关向偏移量 ，数值大了，会引 起波动 ，数值小了，动作速度慢 注 A B B 定位器P 7 组态 菜单中的各个项 目主要是调节P I D 参数 ，根据调节阀具体的 震荡形式、开关阀的具体情况要进行针对性的设定 。 7经过以上的参数调整，阀不再震荡后 ，即可保存修 改参数 ，将调节阀投用。若震荡现象没有得到减小或效果 不明显 ，可将定位器中的I P 模块进行专项检查 ，看是否出 现进水受潮或电路问题，若无法维修 ，可以试着更换新的 定位器解决此问题[ 3 】 。 4调节阀的日常维护 为了降低调节阀出现故障的概率 ，日常对其进行的维 护保养工作也尤为重要 ，罗列出下面几项措施 1 定位器、减压阀定期排污 油、水 。 2检查反馈杆是否松动与脱落。 3检查附件各压力表是否损坏，气源压力是否符合调 节阀铭牌上的额定值。 4检查调节 阀膜头是否漏气 ，气源管是否破裂 、漏 气。 5检查调节阀上下膜盖上排气孔是否堵塞 气开式有 进雨水的可能 。 6检查调节阀的填料是否有泄漏。 7 检查调节阀的上阀盖与阀体接触面是否泄漏。 8检查进线 口是否密封，各螺栓连接件部分是否锈 蚀，是否需要防腐。 9检查调节阀的手轮是否处于自动位置，未处于 自动 位置的是否属于限位 ，是否有记录。 1 0 保持调节阀的整体卫生清洁。 1 1 防水 ，阀门要做防雨罩。 1 2 检查阀门的固定是否牢固，是否有振动。 1 3检查机械齿轮是否有卡的现象，要定期润滑保 养。 1 4检查反馈杆等运动部分要定期润滑，保证灵活可 靠 。 5 结 论 调节阀是 自动控制系统中一个重要环节 ，其运行情况 的准确 、稳定直接影响控制系统的控制质量。因此 ，做好 调节阀 日常巡检和维护保养工作 ，可大幅度提高调节阀使 用的平稳率 ，当出现故障时，能做好原因分析、制定解决 方案、事后总结等一系列工作，对 自己的仪表水平是一种 提升，更是为生产的平稳操作保驾护航。 参考文献 [ 1 】 [ 1 ] 高湘， 党进． 原油长输管道中调节阀的选型应用Ⅲ， 油气田地 面 工程 ， 2 0 1 0 ，0 9 0 4 7 ． [ 2 ] [ 2 ] 朱炳兴， 王森 仪表工试题集现场仪表分册 第二版 [ M】 北京 化学工业出版社， 2 0 0 2 2 3 3 2 3 5 ． [ 3 1 [ 3 ] A B B 中国 有限公司自动化产品部． A B B 定位器操作手册[ z 】 ． 上接 第6 8 页 分别为超声波换能器程序计算输出功率。 A 为2 路程序设定的可变常数，可在屏幕上调节。 B i i 为2 路程序设定的可变系数，可在屏幕上调节。 I 为电脱盐罐的初级变压器的平均电流。 变压器的初级电流的平均值的计算 I i i I j l I j 2 I j 3 ／ 3 其中I 1 1 、1 1 2 、I 1 3 分别为第1 个电脱盐罐变压器初级3 个电流 ；其中I 2 1 、I 2 2 、1 2 3 分别为第2 个电脱盐罐变压器初 级3 个电流；第3 、第4 个罐依次类推。 5应 用的实际效果 首先，该技术投用后每年可节省一笔可观的破乳剂的 费用 。 其次，项 目实施后 ，变化最显著的指标是脱水中的含 油量和C O D 值 ，脱水含油量的降低直接为公司降低了污油 的处理成本和处理强度 ，脱水C O D 值的降低为公司污水处 理减轻了负担。节省污水处理成本。 再者 ，投用后电脱盐排水含油量下降，节约污水含油 费用，减少污油处理费用 ，其中还包括储存、加热、破乳 剂破乳等费用。 6结束语 超声波一 电脱盐组合技术可实现稳定电脱盐操作、提高 电脱盐效果的作用 ，可减轻设备腐蚀 、缓和催化剂中毒 ， 能够延长设备使用周期 、延长催化、加氢催化剂的使用寿 命 ，代替破乳剂而降低职工的劳动强度 ，适度降低电脱盐 罐电流而节省电耗 ，可降低水处理排放的C O D 而实现环保 效益 ，因此 ，具有巨大的潜在经济和社会效益 ，在石化行 业拥有广泛的应用前景。 参考文献 ⋯苟社全，达建文， 梁益才， 等 二级超声波电脱盐技术的应用u J ． 石 油炼制与化工， 2 o l O ， 0 3 ． [ 2 】 惠东峰，黄传峰， 白小明， 等． 超声波一电脱盐技术在炼油厂的工 业应用Ⅱ ] 化学工程与装备， 2 0 1 2 ， 0 6 ． [ 3 】 白帆． 超 声波一电脱盐组合技术 的应用 【 J ] ． 炼 油技 术与工 程 ， 2 0 0 9 ． 1 2 ．