调节阀的阀杆与阀芯联接方法的改进.doc

调节阀的阀杆与阀芯联接方法的改进
沈新群
摘要：调节阀是大型合成氨厂不可缺少的控制元件。由于调节阀阀杆与阀芯联接处产生疲劳断裂及脱落事故，将会给生产带来不同程度的影响。为了避免这类事故的出现，现介绍几种阀杆与阀芯的联接新方法。
关键词：断裂 阀杆脱落 联接方法
调节阀是大型合成氨厂自控设备终端最重要的执行元件，阀内件又是调节阀不可缺少的重要组件。如果阀杆与阀芯产生脱落，势必影响大型合成氨厂的平稳生产。由此看来，调节阀的阀杆与阀芯联接方法将影响整机的使用寿命。为了提高调节阀的使用寿命，以增加阀杆联接螺纹强度，采用新的联接结构方法，很大程度上提高了调节阀整机的使用寿命。乌鲁木齐石化公司化肥厂最近几年采用几种新的阀芯与阀杆联接方法，解决了许多长期以来阀杆断裂脱落事故，效果很好。
1 阀杆与阀芯断裂脱落事故原因分析
乌石化公司化肥厂调节阀主要有世界五大调节阀公司(约占95%)及国内三大生产厂家生产提供。从整体上来讲，其阀杆与阀芯联接方法大致相同，都是用螺纹联结外加圆锥销固定，见图一。这种联接方法的优点是拆卸方便，更换备件容易，但螺纹联接处是阀杆断裂脱落的要害部位。经过认真分析，其原因有以下两点：
阀杆 阀芯 圆锥销

图一、原阀杆与阀芯联接方法示意图
1．1 阀杆联接螺纹处强度不足
在阀杆与阀芯联接过程中，一般都是用细牙螺纹联接，并用圆锥销固定。对于阀杆在φ16mm以上，其强度基本上能够满足。如果小于φ16mm，其强度就不能满足阀杆的强度要求，这是因为阀杆在流体介质的压力、温度、冲蚀及其材质上发生变化，联接螺纹处首先产生间隙并且松弛，联接螺纹失去联接作用。由于联接螺纹处钻有圆锥销孔，几乎所有应力集中落在阀杆圆锥销孔处，最后导致阀杆断裂脱落。根据计算，阀杆钻孔在φ4mm以上，其强度减弱40%-60%以上这是阀杆强度减弱突出点，也是阀杆断裂主要表现形式之一。例如我厂最早油锅炉减温水阀四台、尿素投料阀、合成碳黑洗涤高压角阀、汽化工段的高压角阀经常从阀杆联接螺纹圆锥销孔处断裂脱落，阀杆材质为SUS316，阀杆粗分别φ9.525mm、φ12.7mm，圆锥销φ4mm，其联接方法如图一，每年发生断裂脱落事故都在2-5次。
1．2 联接螺纹处圆锥销断裂
圆锥销断裂是造成阀杆脱落的另一种表现形式。阀芯在受到流体偏转压力作用下，迫使阀杆与阀芯产生一个扭矩应力，这个应力作用在阀杆联接螺纹与阀芯内孔、径向圆锥销两相切面上。另外，阀芯还受到温度热胀冷缩变化，当联接螺纹失去联接作用时，几乎所有拉应力及剪切应力都作用在圆锥销上，圆锥销受轴上拉应力和剪切应力，最后导致圆锥销断裂事故。例如合成装置4113-PV-1-1和尿素NS-HV-601、2NS-HV-301、2NS-FV-151等多台调节阀的阀杆脱落破坏事故，阀杆分别为φ15.875mm和φ12.7mm。类似这种破坏形式每年发生3-5次。
实际上，以上两种破坏形式在一个阀内件上可交替产生，也可同时产生。类似这样的事故对生产影响较大。尤其是尿素装置NS-HV-601、2NS-HV-301调节阀事故，当该阀产生失控现象时，尿素造粒装置就要被迫停车。针对以上问题，改进了阀芯和阀杆联接结构方法，采用新的联接方法效果很好，由原来年事故率较高几乎将为零。
2 增加阀杆联接螺纹强度，改进联接机构
阀杆断裂脱落事故主要表现在联接螺纹处强度不足，针对联接螺纹强度不足问题，提出以下几个改进方法：
首先要提出阀杆与阀芯联接螺纹两者实体外径比值问题，比值大小直接对改进方法有较大的影响。当阀杆实体外径/阀芯实体外径>0.4时，采用联接螺纹加强法；当比值<0.4时，应采用压块焊接方法和螺母固定方法。
2．1 联接螺纹加强法
联接螺纹加强法是以增加阀杆联接螺纹强度为目的，另加圆锥销固定。这种加强法只是与常用联接螺纹处加大外径而言，其优点是加工简单，连接螺纹强度高，能承受较大的抗拉应力和剪切力，其缺点是阀杆和阀芯的同轴度较低。例如我厂2NS-FV-151在2001年9月曾经发生过因阀杆螺纹连接处与圆锥销脱落发生阀杆窜出事故，后改进就是采用此种连接方法已经安全运行五年时间没有发生过阀杆螺纹连接处与圆锥销脱落事故，其连接如图二所示：
阀杆 圆锥销 阀芯

图二.改进后采用螺纹加强法示意图

目前，我厂多数调节阀都是采用图二联接方法改进联接螺纹加强法，事故率下降为零，减少了工人的劳动强度，同时也节省了备件开支费用，对装置平稳运行提供了充分的条件。
2．2 压块焊接法
压块焊接方法是将原阀杆螺纹加大，并加工一个固定压盖，然后进行焊接固定压盖并加工成光面。对于较大件可用圆锥销固定，对于小件不用圆锥销固定，如图三所示。这种联接方法的优点是：增加螺纹处强度，焊接压块不易脱落，阀杆轴向拉应力不致使联接螺纹产生间隙或松弛，螺纹处克服了介质腐蚀（封闭式）。例如合成装置4113-PCV-1-1调节阀和尿素装置NS-HV-601、2NS-HV-301、调节阀的阀杆联接采用了此种方法，解决了长期以来阀杆断裂脱落事故。这种连接方法是我厂最常用的改进调节阀阀杆与阀芯连接方法，其效果相当突出。

阀杆 焊接点 圆锥销 阀芯

焊接压块

图三.改进后采用压块焊接方法示意图
2．3 螺母固定方法
螺母固定方法是将阀杆螺纹加大外径，然后在阀芯上加工一个被紧螺母，拧紧后进行点焊。此方法优点是拆卸方便，抗拉强度大。但其缺点是加工比较复杂，我们化肥厂使用这种连接方法只有一小部分，但其特点显然易见，不同程度解决了许多阀芯与阀杆联接强度低的问题。如图四所示。

阀杆 被紧螺母 圆锥销 阀芯

焊接压块

图四.改进后采用螺母固定加强法示意图
3 结束语
乌石化公司化肥厂是（年产60万吨、108吨尿素 ）全国最大的氮肥厂之一。作为仪表自控终端执行调节阀是保证大氮肥厂平稳运行基本保证。化肥厂上千台调节阀，采用上述改进阀杆与阀芯联接方法已平稳运行多年。
作者简介：沈新群，男，从事多年调节阀检维修工作。
2006年3月3日

参考文献:
1.《金属机械性能》编写组编, 金属机械性能.北京:机械工业出版社.1978.
2.《机械设计手册》联合编写组编. 机械设计手册.上册(第一.二分册).北京.
化学出版社,1985.