阀门阀杆断裂原因和解决措施

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ASTM420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---53.18mm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