气动调节阀的故障分析与解决方案

2016-09-29

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IEC对调节阀（国外称CONTROLVALVE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、套筒阀、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489台，其中420台使用了ABB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。

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PID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Pv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Pv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Cv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1500Hz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。
10）由于介质高温高压（一般高于200℃），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。
11）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。

3 调节阀故障典型案例

案例一：102-FV-30204阀杆断裂故障

2013年10月30日，催化单元操作员反映吸收一中102-FT-30204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FT30204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2011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102-FV-30206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46℃，操作压力0.3MPa，主要成分为粗汽油，密度740kg/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100T/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45%，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2Cr13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-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ASB抛物线型平衡式阀内件改为ABM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101-FV-03302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2013年12月13日常二线控制阀101-FV-03302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PID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“P1.2容差带”，定位器的容差带缺省设置在0.68%，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0.2%以上。
3）P7.0与P7.1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。
4）P7.2与P7.3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。
5）P7.4与P7.5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。
6）P7.6与P7.7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：ABB定位器P7组态菜单中的各个项目主要是调节PID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IP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。
10）保持调节阀的整体卫生清洁。
11）防水，阀门要做防雨罩。
12）检查阀门的固定是否牢固，是否有振动。
13）检查机械齿轮是否有卡的现象，要定期润滑保养。
14）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。