電動(dòng)閘閥閥桿拉斷故障原因分析

（1國(guó)土資源部海洋油氣資源和環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;

2青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071）

摘 要：近年來(lái)發(fā)生了多起電動(dòng)閘閥閥桿拉斷事件，給設(shè)備安全運(yùn)行造成了隱患。本文結(jié)合電動(dòng)閘閥控制系統(tǒng)及閥門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、故障現(xiàn)象規(guī)律，對(duì)發(fā)生閥桿拉斷故障的原因進(jìn)行了分析，并提出改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)閘閥;閥桿拉斷;原因

0 前言

電動(dòng)閘閥是船舶的重要設(shè)備，由于受安裝空間及其使用條件的限制，要求閥門必須具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、耐傾斜搖擺、抗沖擊、工作性能可靠、使用壽命長(zhǎng)和便于維修等特點(diǎn)。近幾年發(fā)生的數(shù)起閥桿拉斷事件均是在例行閥門狀態(tài)檢查時(shí)發(fā)生的，并未造成嚴(yán)重后果。為避免類似事件的發(fā)生對(duì)船舶安全造成影響，我們對(duì)閥桿拉斷的機(jī)理進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 傳統(tǒng)觀念上對(duì)全封閥閥桿拉斷故障原因的解釋

電動(dòng)閘閥控制系統(tǒng)存在安全隱患。早期電動(dòng)閘閥的位置指示部件由一根與閥桿相連的磁性導(dǎo)桿（指示標(biāo)），與上、下兩組自耦變壓器（上部罩子內(nèi)的兩組線圈）構(gòu)成。為了減少干擾并獲得穩(wěn)定可靠的開(kāi)關(guān)閥信號(hào)，其控制線路使用的是交流220V/400Hz中頻電源作為電源。在進(jìn)行閥門操作之前，應(yīng)將電動(dòng)閘閥動(dòng)作所需的交流220V/50Hz、220V/400Hz、三相交流380V/50Hz三種電源全部供齊才能確保其可靠動(dòng)作。此外需注意的是，使用開(kāi)閥控制繼電器JK的常開(kāi)觸點(diǎn)控制開(kāi)閥接觸器CK完成開(kāi)閥控制與保護(hù)，由JK常閉觸點(diǎn)控制CK[1]。由于JK觸點(diǎn)的接法不同，會(huì)產(chǎn)生以下幾種狀態(tài)：

1.1 對(duì)于使用JK常開(kāi)觸點(diǎn)CK來(lái)說(shuō)

（1）如果中頻電未供齊或閥門控制插件未插，顯示電動(dòng)閘閥開(kāi)，關(guān)閥指示燈全亮，且不能進(jìn)行任何操作，相對(duì)閥門來(lái)說(shuō)是安全的;（2）閥門控制插件上干簧繼電器選擇開(kāi)關(guān)全部關(guān)閉（干簧繼電器不起控制作用）時(shí)，任何情況下開(kāi)、關(guān)閥信號(hào)均不顯示，且閥門無(wú)開(kāi)關(guān)保護(hù)。

1.2 對(duì)于使用JK常閉觸點(diǎn)控制CK來(lái)說(shuō)

（1）如果中頻電未供齊或閥門控制插件未插，顯示全封閉電動(dòng)閘閥在關(guān)閉位置，且能進(jìn)行開(kāi)閥操作，易造成閥門過(guò)度開(kāi)啟;（2）閥門控制插件上干簧繼電器選擇開(kāi)關(guān)全部關(guān)閉（干簧繼電器不起控制作用）時(shí)，任何情況下開(kāi)、關(guān)閥信號(hào)均不顯示，但閥門可以開(kāi)啟，不受保護(hù)。

由此可見(jiàn)，電動(dòng)閘閥的控制線路在設(shè)計(jì)上存在一定的安全隱患，且相對(duì)于使用JK常開(kāi)觸點(diǎn)控制CK的線路來(lái)說(shuō)，使用JK常閉觸點(diǎn)控制CK的安全性更低。閥的閥桿拉斷事件的控制回路就屬于后者的類型，且當(dāng)時(shí)的確出現(xiàn)過(guò)疑似中頻電未供齊或閥門信號(hào)插件損壞的故障現(xiàn)象，顯示閥在關(guān)位，進(jìn)行開(kāi)閥操作數(shù)次后關(guān)閥燈仍不滅。拆檢閥門時(shí)發(fā)現(xiàn)閥桿已斷裂，且磁性閥位指示導(dǎo)桿彎曲變形，故障分析認(rèn)為由于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致判斷失誤造成的閥門過(guò)開(kāi)，超過(guò)閥門開(kāi)啟極限后首先頂彎磁性導(dǎo)桿，之后在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)開(kāi)閥，在閥頭限位對(duì)開(kāi)螺母的卡阻下將閥桿突然拉斷[2]。

2 電動(dòng)閘閥閥桿拉斷故障的力學(xué)分析

閥門在設(shè)計(jì)階段需對(duì)各零部件的性能參數(shù)進(jìn)行反復(fù)計(jì)算驗(yàn)證，必須保證各部件在力學(xué)性能、化學(xué)性能等方面具有較高的可靠性;還應(yīng)當(dāng)考慮在極端情況下如閥門卡滯、過(guò)開(kāi)等情況時(shí)設(shè)置保護(hù)措施，這種保護(hù)措施可以是故意設(shè)置薄弱點(diǎn)以保護(hù)重要部件，但故意設(shè)置的易損部件應(yīng)當(dāng)是容易更換和維修的，或者易損件被破壞后不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成安全威脅。但從已發(fā)生閥桿拉斷故障的閥門來(lái)看，如果在閥桿T型槽部位是故意設(shè)計(jì)的閥桿薄弱環(huán)節(jié)，則一旦由于閥門卡阻或過(guò)開(kāi)，需保護(hù)閥門傳動(dòng)機(jī)構(gòu)而使T型槽部位發(fā)生斷裂，那么限位對(duì)開(kāi)螺母很容易脫落掉入回路當(dāng)中造成嚴(yán)重后果。若電動(dòng)閘閥在設(shè)計(jì)時(shí)已充分考慮發(fā)生過(guò)開(kāi)事件時(shí)可能發(fā)生的各種隱患，則閥桿T型槽部位肯定不是在設(shè)計(jì)階段故意設(shè)置的閥桿薄弱環(huán)節(jié)。

以通徑65mm電動(dòng)閘閥閥桿為例進(jìn)行計(jì)算，看看單憑電機(jī)扭矩能否將閥桿最薄弱處拉斷。為方便計(jì)算，閥門傳動(dòng)系的摩擦忽略不計(jì)，且閥桿截面上的應(yīng)力計(jì)算忽略不均勻分布的因素，電動(dòng)閘閥閥桿抗拉強(qiáng)度σb為700至1000MPa，整個(gè)閥桿受拉應(yīng)力最大的部分應(yīng)為橫截面積最小處，根據(jù)圖紙尺寸數(shù)據(jù)可算出閥桿T型槽頂端（實(shí)際發(fā)生拉斷故障也是發(fā)生在這個(gè)部位）最小橫截面積S=296mm2，滾珠絲杠副螺紋有效直徑為D=25mm，螺距為P=6mm，可計(jì)算出螺紋升角

λ==4.26°

假設(shè)閥頭卡死，閥門驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在最大負(fù)荷下，其輸出轉(zhuǎn)矩為2Mmax=90Nm，轉(zhuǎn)矩傳遞到閥桿滾珠絲杠副中無(wú)損耗，則閥桿承受的最大拉力T為：

T==98638N

因此，閥桿最薄弱處受到的最大拉應(yīng)力σmax為：

σmax==333MPa

最大拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的抗拉強(qiáng)度700MPa，因此通徑65mm的電動(dòng)閘閥如果在閥頭出現(xiàn)卡滯、閥桿無(wú)缺陷的情況下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的力量是無(wú)法將閥桿直接拉斷的，而通徑65mm以上的電動(dòng)閘閥由于電機(jī)輸出扭矩相同，且閥桿最小橫截面均大于上述用于舉例的閥桿最小截面，因此也不可能發(fā)生由于閥門過(guò)開(kāi)或閥頭卡死而直接將閥桿拉斷的事故，一旦發(fā)生閥頭卡死的現(xiàn)象，理論上分析只會(huì)造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)減少電機(jī)使用壽命甚至燒毀電機(jī)線圈，但更換和修復(fù)電動(dòng)閘閥的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是比較容易的，這可能也是在閥門設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮過(guò)的[3]。

3 電動(dòng)閘閥閥桿拉斷的原因

由于閥門的驅(qū)動(dòng)電機(jī)無(wú)法拉斷一根完好的閥桿，那么造成閥桿斷裂的原因只能是閥桿由于某種原因已產(chǎn)生缺陷后被電機(jī)拉斷。幾起閥桿拉斷事故的閥桿斷裂截面都存在相似的現(xiàn)象，具體過(guò)程分析如下：

（1）閥桿T型槽部分形狀相對(duì)復(fù)雜，在加工制造過(guò)程中使用車、銑等工藝制作閥桿截面突變部位時(shí)易形成較深劃痕。

（2）閥門在關(guān)閥位置進(jìn)行開(kāi)啟的瞬間，電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)當(dāng)是其最大扭矩，考慮到閥桿與閥頭存在裝配間隙，電機(jī)在某些情況下是空轉(zhuǎn)了一小段距離后突然受到一個(gè)沖擊載荷，因此閥桿瞬間受到的平均拉應(yīng)力很可能要稍大于電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩下造成的拉應(yīng)力。

（3）實(shí)際情況下開(kāi)閥瞬間閥桿截面突變處應(yīng)力分布不均，在開(kāi)槽部位附近會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，正常情況下這種應(yīng)力集中產(chǎn)生的最大應(yīng)力應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)允許值之內(nèi)，但當(dāng)存在第一條當(dāng)中所說(shuō)的較深劃痕或其它材料缺陷的情況下，缺陷處的應(yīng)力會(huì)大大增加，開(kāi)閥瞬間形成的沖擊將形成足以破壞閥桿材料完整性的應(yīng)力，并在此處開(kāi)始形成裂紋，裂紋根部又會(huì)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的應(yīng)力集中，同時(shí)T型槽作為限制閥桿發(fā)生軸向運(yùn)動(dòng)的卡槽，在槽上部還受到一定程度的扭力作用，復(fù)雜的受力狀態(tài)為下一次開(kāi)閥埋下隱患。

（4）在長(zhǎng)時(shí)間的閥門使用過(guò)程中，每一次閥門開(kāi)啟的瞬間都會(huì)導(dǎo)致裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，不斷擴(kuò)展的裂紋形成了在斷裂截面照片中看到的縱向波浪狀條紋，能看到的條紋的輪廓既是上一次的裂紋根部，又是下一次裂紋的開(kāi)始。

（5）隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，閥桿的有效抗拉截面不斷減小，同時(shí)所受的拉應(yīng)力不斷增大，直到面積減少到一定程度導(dǎo)致閥桿所受拉應(yīng)力超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度時(shí)，閥桿被突然拉斷，形成斷裂截面右半部分細(xì)小顆粒狀表面。

閥桿材料的抗拉強(qiáng)度最低約為700MPa，而一根完整的閥桿截面最小處所受的平均拉應(yīng)力約為30MPa，當(dāng)裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致閥桿T型槽部位有效抗拉截面減少到原來(lái)的一半左右時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就足以將閥桿拉斷。因此，閥桿拉斷的原因可以歸納為：由裂紋不斷擴(kuò)展導(dǎo)致閥桿有效抗拉截面減小，直至截面積小于許用值造成閥桿突然斷裂。且斷裂發(fā)生的時(shí)機(jī)為閥門開(kāi)啟的瞬間，多數(shù)情況下閥桿斷裂時(shí)閥門并未開(kāi)啟，斷裂碎片落入回路中的可能性較小。

4 預(yù)防措施

為避免電動(dòng)閘閥閥桿拉斷故障，可以從以下幾方面進(jìn)行預(yù)防：

（1）改進(jìn)電動(dòng)閘閥控制線路，消除過(guò)開(kāi)隱患，減少閥桿受較大沖擊的幾率;

（2）嚴(yán)格按規(guī)定進(jìn)行操作，防止由于誤操作導(dǎo)致閥門損壞，同時(shí)減少不必要的開(kāi)關(guān)閥操作次數(shù)，延長(zhǎng)閥門使用壽命;

（3）適當(dāng)減小閥門位置指示磁性導(dǎo)桿的長(zhǎng)度，使其在閥桿對(duì)開(kāi)螺母到達(dá)限位時(shí)也不至于接觸到閥頂屏蔽套，避免破壞一回路邊界;

（4）閥桿開(kāi)槽部位改為圓角設(shè)計(jì)，盡量減少應(yīng)力集中，減少閥桿斷裂幾率。

5 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際運(yùn)行使用中，電動(dòng)閘閥閥桿拉斷的原因與閥桿材質(zhì)與電路控制有直接關(guān)系，在使用過(guò)程中主要應(yīng)從這兩方面進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，出現(xiàn)故障時(shí)也應(yīng)從這兩點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行分析，找出原因，及時(shí)排除故障，保證其正常運(yùn)行。

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