輸氣管道球閥密封原理分析與抱死故障的判斷排除

趙家順　賴康

一、球閥密封原理分析

球閥一般由靜止件（閥體）與關(guān)閉件（球體）兩部分組成，通過(guò)關(guān)閉件（球體）繞閥體中心線作 90º旋轉(zhuǎn)來(lái)開啟、關(guān)閉閥門。球閥可分為固定軸式和浮動(dòng)軸式球閥兩種，我們這里主要討論固定軸式球閥的結(jié)構(gòu)及其密封原理。

球閥對(duì)氣體介質(zhì)的密封是靠球體與閥座密封圈緊密結(jié)合形成的軟密封實(shí)現(xiàn)的。閥座密封原理隨閥座結(jié)構(gòu)不同而各有差異，主要可分為雙活塞效應(yīng)（DPE）和下游自泄放(SR) 兩種。

下游自泄放設(shè)計(jì)球閥現(xiàn)主要用于液體管道，因此本文主要針對(duì)在氣體管道中應(yīng)用較廣的雙活塞效應(yīng)（DPE）設(shè)計(jì)球閥進(jìn)行分析。

01　雙活塞效應(yīng) Double Piston Effect (DPE)閥座結(jié)構(gòu)與密封原理分析

在以下雙活塞效應(yīng)(DPE)密封結(jié)構(gòu)示意圖中，各作用力均描述如下：

FF—閥座彈簧彈力        F△A—干線/閥腔壓力對(duì)閥座作用合

FR—閥座所受合力        A—合力作用面積

由附圖2.1與附圖2.2可見，以雙活塞效應(yīng)結(jié)構(gòu)(DPE)閥座為受力分析對(duì)象，干線壓力與閥腔壓力對(duì)閥座的作用力 FR= FF+ F△A，所受合力 FR 方向始終指向閥座，即干線與閥腔壓力均使閥座密封圈向球體壓緊，始終實(shí)現(xiàn)球閥閥座良好密封。

附圖 2.1 Double Piston Effect (DPE)結(jié)構(gòu)及密封原理示意圖(干線壓力對(duì)閥座作用力)

附圖 2.2 Double Piston Effect (DPE)結(jié)構(gòu)及密封原理示意圖(閥腔壓力對(duì)閥座作用力)

球閥兩個(gè)閥座均采用雙活塞效應(yīng)閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即為雙活塞效應(yīng)(DPE) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它能夠確保球閥兩個(gè)閥座同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好密封。對(duì) Grove B-5這類球體帶有平衡孔的球閥而言，雙活塞效應(yīng)密封結(jié)構(gòu)是必備的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模式。鑒于雙活塞效應(yīng)結(jié)構(gòu)的良好密封表現(xiàn)，近些年，許多閥門生產(chǎn)制造商都開始廣泛使用類似于雙密封的球閥設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于對(duì) DPE 球閥維護(hù)不當(dāng)或某些的 DPE 球閥設(shè)計(jì)規(guī)格或選取的密封圈材料不當(dāng)，而這些 DPE 優(yōu)良的密封設(shè)計(jì)支持下成為了導(dǎo)致球閥抱死主要原因之一。

二、球閥抱死故障判斷與排除

球閥抱死故障判斷及排除流程圖

01　球閥抱死故障主要原因及判斷方法：

步驟 1：須首先打開傳動(dòng)齒輪箱判斷是否由傳動(dòng)齒輪箱內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重銹蝕、軸承損壞或存在異物卡阻，導(dǎo)致閥門無(wú)法正常操作。若判定非此原因則進(jìn)入下面步驟。

步驟 2：對(duì)球閥進(jìn)行排污操作，若閥腔內(nèi)有氣壓，則可初步判斷抱死原因?yàn)槊芊庾ㄗ琛Ｃ芊忾y座正常應(yīng)有 0.003 英寸的橫向移動(dòng)空間,若注入的密封脂硬化、污物雜質(zhì)卡入閥座縫隙、或密封座彈簧工作不正常均可造成密封座卡阻、球閥抱死。

步驟 3：對(duì)球閥排污，若腔內(nèi)無(wú)氣壓，則判斷為由閥腔與干線壓差過(guò)大導(dǎo)致球閥抱死。閥腔與干線壓差過(guò)大時(shí)，密封座壓緊球面，操作扭矩過(guò)大，球閥抱死無(wú)法正常操作。

02　球閥抱死故障的排除：

根據(jù)球閥密封原理、故障原因分析及球閥抱死故障實(shí)地成功排除經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)抱死故障排除方法如下：

（1）傳動(dòng)齒輪箱故障：作為預(yù)防性維護(hù)，須每年定期打開齒輪箱，檢查箱內(nèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑、防銹及部件完好情況，清理箱內(nèi)污水、異物，并更換補(bǔ)充新鮮黃油，若軸承等部件損壞須及時(shí)更換，以確保傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)良好，閥門操作順暢。

（2）密封座卡阻故障：首先注入清洗液浸泡（浸泡時(shí)間可根據(jù)閥門注脂情況而定）、再經(jīng)排污排出污物雜質(zhì)，消除密封座卡阻；若經(jīng)反復(fù)清洗、排污，閥門仍無(wú)法正常操作，可判斷為密封座彈簧等部分異常，須拆卸解體閥門進(jìn)行檢修。

（3）閥腔與干線壓差過(guò)大：一般首先注入清洗液浸泡后排污，清洗掉密封面原有密封脂，若閥門本身存在一定量?jī)?nèi)漏，則可實(shí)現(xiàn)閥腔與干線壓力平衡；若故障仍存在，則考慮按照?qǐng)D 3.1 所示制作排污咀注氣裝置連接到球閥排污咀平衡閥腔與干線壓差，消除抱死故障。這套平壓裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于制作，且效果明顯，利用該套裝置已成功解決我公司如大港站某廠 12〞球閥等其他多起閥門抱死故障。如圖 3.1 機(jī)加連接件一端為快裝接頭，一端為配合排污咀接口規(guī)格的螺扣，建議工程師根據(jù)常見閥門排污咀接口規(guī)格制作一組機(jī)加連接件隨時(shí)備用。

圖 3.1 排污咀注氣裝置示意圖

03　野蠻操作的危害性：

對(duì)無(wú)法正常操作的閥門野蠻操作能夠?qū)е拢?/p>

（1）閥門傳動(dòng)齒輪箱受力過(guò)大，造成箱體破裂或箱內(nèi)齒輪等部件形變、損壞；

（2）對(duì)密封球面造成嚴(yán)重劃痕，導(dǎo)致閥門嚴(yán)重內(nèi)漏，甚至報(bào)廢；

（3）加力桿斷裂或多人同時(shí)操作導(dǎo)致操作人員人身傷害。

為避免造成設(shè)備損傷、人員傷害和經(jīng)濟(jì)損失，球閥無(wú)法正常操作時(shí)切忌采取使用加力桿或多人操作等野蠻方式操作！須認(rèn)真分析故障原因后妥善處理、排除故障。

三、結(jié)束語(yǔ)

為預(yù)防閥門抱死故障發(fā)生，提高天然氣管道在用球閥的可靠性、延長(zhǎng)閥門使用壽命，特提出如下建議和預(yù)防性維護(hù)措施：

1、改進(jìn)排污咀安裝方式：普通球閥的排污咀是直接安裝到閥體接口上的，由于閥門可能存在內(nèi)漏，當(dāng)排污咀出現(xiàn)故障或需要向閥腔注氣平壓時(shí)，必須拆卸排污咀進(jìn)行維修，漏入閥腔的高壓介質(zhì)將可能對(duì)維修作業(yè)人員帶來(lái)危險(xiǎn)。因此建議干線球閥排污咀安裝推廣兩閥組設(shè)計(jì)方式，在排污咀前加裝兩個(gè)控制閥與閥體相連，控制閥后安裝排污咀，以提高相關(guān)維護(hù)、檢修作業(yè)的便利性與安全性。另外兩閥組排污咀安裝方式還可實(shí)現(xiàn)大口徑排放，以減少漸開排污咀時(shí)產(chǎn)生截流冰堵的風(fēng)險(xiǎn)。如下圖 4.1 所示。

圖 4.1 干線球閥兩閥組排污咀安裝示意圖

2、預(yù)防性維護(hù)：根據(jù)閥門維護(hù)及運(yùn)行狀況，適時(shí)適量注入新鮮潤(rùn)滑脂，防止?jié)櫥蛎芊庵不斐煽ㄗ瑁欢ㄆ谌_/關(guān)閥門幾次，由于生產(chǎn)等原因不能全開/關(guān)的閥門，至少要定期的活動(dòng) 10°至15°，重復(fù)活動(dòng)幾次能與全開/關(guān)閥門起到近乎同等的效果，能有效防止傳動(dòng)機(jī)構(gòu)銹蝕和閥門抱死故障的發(fā)生。

3、定期打開傳動(dòng)齒輪箱檢查箱內(nèi)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑、防銹及部件完好情況，清理箱內(nèi)污水、異物，更換補(bǔ)充新鮮黃油，若軸承等部件損壞須及時(shí)更換，降低傳動(dòng)機(jī)構(gòu)故障率。

3、作好排污記錄，以便分析輸氣管內(nèi)天然氣氣質(zhì)和確定排污周期。

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