阀门阀杆断裂原因和解决措施.doc

   天然气处理站orbit阀门因为常年运行再加上检维修质量不过关, 常常发生阀门故障, 给分子筛系统正常运行带来了严重影响。而故障中对工艺系统影响最大就是orbit阀门阀杆断裂故障, 阀杆断 裂后阀门开启不了, 整套工艺步骤被堵塞, 会造成份子筛前端压力升高, 压缩机憋压停机。遇上冬季要是故障不到立刻有效处理, 刚刚脱完水分子筛不到立刻再生会造成份子筛冻堵。
    1、 Orbit阀门故障起因
    Orbit阀门位于天然气处理站天然气处理工艺中分子筛工艺进出口, 工艺介质为天然气, 正常操作压力为3.OMPa, 有压力波动;温度在50-200°C范围波动。该装置自1997年投产至8月检修前未发生过阀杆断裂事故。8月检修时更换了一批阀杆, 更换上去阀杆材料为ASTM420, 原更换下来阀杆材料为ASTM8620。到断阀杆发生时仅服役不到六个月时间。到为止陆 续发生阀杆断裂事故共7起。给气站安全平稳生产造成了较大影响, 分析出阀杆断裂原因并处理阀杆问题刻不容缓。问题最终聚焦在阀杆质量问题和装配质量问题上。
    2、 阀杆断裂原因
    为了搞清楚是否是阀杆材质出了问题, 天然气处理站委托有资质 单位对阀杆进行了专业分析, 分析结果以下: （a）由硬度测试看出, 均符合或超出技术要求(HRC33至40)从硬度值来看, 更换下来8620 阀杆性能优于断裂420阀杆; （b）由化学成份分析结果两个阀杆材料 均符合标准要求; （c）SEM断口分析。
    由SEM断口分析能够看出, 断面上存在大量显微裂纹以及垂直 于微裂纹疲惫纹, 表明阀杆脆性疲惫断裂特征。
    综合分析结果能够得出结论: 不管是 AS T M42 0阀杆还是 ASTM8620阀杆质量都是符合标准, ASTM8620阀杆质量略优于 ASTM420阀杆。阀杆断裂是因为阀杆在低频交变应力作用作用 下表面应力集中处产生了疲惫裂纹, 从而使材料疲惫寿命降低, 导 致阀杆脆性断裂。    
    3、 疲惫裂纹产生原因
    经过专业分析, 得出阀杆断裂原因是疲惫断裂, 疲惫纹怎样 产生又成了摆在我们面前一道难题。即使阀杆材质有一个使用寿命, 不过这个疲惫太快了, 以前用了都没疲惫断裂, 现在用了不到六个月就断裂。肯定和检维修质量相关, 影响阀杆检维修质量参数就有阀杆行程和阀门密封面安装方向。

图1 阀杆示意图      

    依据orbit阀门工作原理知道阀门行程装配过短: 阀杆密封斜面 和阀芯销钉压和度不够, 造成阀芯和阀座环密封不紧, 阀门轻易内 漏。阀门行程装配过长: 阀杆密封斜面和阀芯销钉压和度增大, 造成 阀芯和阀座环密封过紧, 阀杆受力增加轻易疲惫。
    阀杆关键有A、 B、 C和D功效段。A段为阀杆直线运动控制段, B 段位阀杆旋转运动控制段, C段位球体松压段, D段为球体旋转段.对 于我站6寸orbit阀, 其中A+B=81mm; 3寸orbit阀A+B=61mm。在装配过程中6寸阀门选择装配行程范围在: 6寸阀门行程: 85.73---90.49mm, 3寸阀门行程: 48.42---53.18 mm 很显然6寸阀门行程太长。3寸阀门行程在合理范围内, 这也是为何3寸阀门历来没有 发生过阀杆断裂故障。
    ORBIT轨道球阀结构为单面密封, 同时要求非密封方向即反 向压差不能超出0.2Mpa, 即ORBIT轨道球阀非密封侧压力高于密封 侧压力时, 密封效果最好, 不然可能出现超出要求泄漏, 达不到使 用效果。依据密封要求列出我站分子筛在多种工作情况下orbit阀门 密封面安装示意图:

图2 理论阀门密封面安装图  

    数字越大代表压力越高, 数字越小代表压力越低, 红色部分表示理论密封面侧。理论情况下, 6寸orbit阀门密封面应该在背离分子筛侧, 这么密封效果会愈加好。实际气站吸附进口密封面都是向着分子 筛侧, 存在反相压差约200kpa, 即使不影响阀体密封, 不过影响阀杆受力。这个反相压差使阀杆所受疲惫应力增加。
    现在为止, 所以断裂orbit阀杆均为吸附进口, 而且是在从冷 吹切换至吸附状态时, 发觉阀杆断裂, 断裂时阀杆状态为关闭状态。 Orbit阀门在开启时基础不受力。受力关键在关闭时, 阀杆功效段C斜 压阀芯销钉, 使阀芯和阀座环密封紧密。由此能够判定出阀杆疲惫纹是在关闭时期造成, 也在关闭时发生断裂。

图3 吸附进口Orbit阀门在分子筛冷吹时受力分析  

    由Orbit阀门在分子筛冷吹时受力分析, 能够得出。阀杆在这 个时期关键受力为膜片给阀杆向下力: F=P*S=仪表风压力*膜片 面积=4.5千克*3.14*20*20=5652千克。和反向压差力: F2=密封面 S1*管线差压P=3.14*6*6*200kpa=226.08千克。阀芯销钉给阀杆反向作用力:
    F反=F*tanφ1+F2, 伴随阀杆行程增加, 阀杆将阀芯和阀坐环压 越紧, 夹角φ1就会增大, 反向作用力也会增加。
    在低频交变应力作用下, 在应力集中处产生疲惫裂纹使材料 疲惫强度降低, 造成阀杆脆性断裂。因为阀杆上半部分有盘根盒紧紧包裹, 所以阀杆断裂处为盘根盒和阀芯交界处及图3中, 红色部分, 应力集中处。
    总而言之, 阀杆断裂原因为: 1、 阀杆行程装配过长, 造成阀杆密封斜面压入阀芯过深。阀杆受力增加, 轻易疲惫。2、 阀门密封方向 安装不合理, 工作时在密封面上有反向作用力。加大了阀杆负荷。
    4、 处理方案
    （1）针对阀杆断裂, 采取了更换原来全部420阀杆。并将阀杆 行程调整到合理范围内。阀杆行程要小于A+B=81mm, 又要密封 紧密; （2）调整阀门位置密封面向着低压方向, 使阀门工作时候有 正向压差。