氣動薄膜調(diào)節(jié)閥膜頭漏氣的預判斷、分析及處理

劉錦民　王小偉　滕志君　闞愛兵　劉　杰

(甘肅銀光聚銀化工有限公司甘肅白銀730900)

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氣動薄膜調(diào)節(jié)閥膜頭漏氣的預判斷、分析及處理

劉錦民王小偉滕志君闞愛兵劉杰

(甘肅銀光聚銀化工有限公司甘肅白銀730900)

化工生產(chǎn)過程中，調(diào)節(jié)閥的開度直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)的安全穩(wěn)定，故對調(diào)節(jié)閥開度的精確控制要求很高。調(diào)節(jié)閥膜頭運行頻率高，如果維護不當，長期運行時易造成膜頭內(nèi)件損壞而出現(xiàn)漏氣，使調(diào)節(jié)閥調(diào)控失準，影響生產(chǎn)正常運行，進而造成經(jīng)濟損失。因此，生產(chǎn)運行期間，及時發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥膜頭漏氣、分析判斷原因及預處理故障十分重要。

1氣動調(diào)節(jié)閥執(zhí)行結(jié)構(gòu)工作原理

氣動調(diào)節(jié)閥執(zhí)行結(jié)構(gòu)工作原理：執(zhí)行結(jié)構(gòu)將控制信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的動作，以控制閥內(nèi)截流件位置的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)裝置，按照信號壓力的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力來推動推桿移動，帶動閥芯動作。按動作方式分為直行程和角行程。

氣動調(diào)節(jié)閥是以壓縮空氣為動力源的調(diào)節(jié)閥。氣動薄膜執(zhí)行結(jié)構(gòu)由上膜蓋、下膜蓋、橡膠膜片、推桿、支架、彈簧、彈簧座及彈簧罩等部件組成。氣缸支架支撐下膜蓋，內(nèi)部排放彈簧座及彈簧，彈簧罩平衡反扣在彈簧上，頂部彈簧緊固螺母，將橡膠薄膜和彈簧罩緊固在推桿頂部，保證彈簧輕微壓緊而不發(fā)生位移；在底部，推桿O形圈和密封潤滑油在推桿倒角處抱緊推桿，并密封完全，彈簧安裝在彈簧座上；根據(jù)調(diào)節(jié)閥的正、反作用和薄膜在上、下膜蓋內(nèi)的安裝位置，在緊貼薄膜的膜蓋上安裝排氣口，實現(xiàn)氣缸完全密封。膜片由丁腈橡膠、中間夾尼龍的絲織物組成，調(diào)節(jié)閥工作環(huán)境溫度為-30～60 ℃。在全行程范圍內(nèi)，所有彈簧的伸縮長度或倔強系數(shù)完全一致，保證執(zhí)行結(jié)構(gòu)的線性度好或調(diào)解準確；如果薄膜損傷或彈簧受損，會導致氣缸竄氣。目前，國內(nèi)調(diào)節(jié)閥多采用HA多彈簧精小型氣動執(zhí)行結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)ZMA執(zhí)行結(jié)構(gòu)相比，具有質(zhì)量輕、高度小、結(jié)構(gòu)緊湊、裝校簡便、動作可靠及輸出力大等優(yōu)點。

氣動執(zhí)行結(jié)構(gòu)的作用原理：調(diào)節(jié)閥定位器接受0.02～0.10 MPa(或4～20 mA)的標準信號，輸出0.02～0.24 MPa的氣信號至薄膜氣缸內(nèi)，以驅(qū)動氣動執(zhí)行結(jié)構(gòu)進行工作。氣源壓力在薄膜上產(chǎn)生推力，使推桿部件移動，并壓縮彈簧，直至彈簧的反作用力與信號壓力在薄膜上產(chǎn)生的推力平衡為止，此時推桿的移動就是氣動薄膜執(zhí)行結(jié)構(gòu)的位移。當控制系統(tǒng)輸出信號增大時，定位器中的背壓腔內(nèi)壓力增大，通過氣動放大器的放大作用，將氣源放大并輸送到執(zhí)行結(jié)構(gòu)膜頭內(nèi)部，使執(zhí)行結(jié)構(gòu)推桿向下運動，推桿帶動反饋凸輪杠桿與凸輪旋轉(zhuǎn)，彈簧的壓縮力增大，產(chǎn)生反向推力使閥芯向左運動。當彈簧的壓縮力與膜片的推力相等時，定位器處于平衡狀態(tài)，定位器不進氣也不排氣，膜頭排氣口停止排氣。當控制系統(tǒng)輸出的氣壓信號減小時，定位器中的背壓腔內(nèi)壓力減小，通過氣動放大器的作用，減少輸送到執(zhí)行結(jié)構(gòu)膜頭內(nèi)部的氣源，排出執(zhí)行結(jié)構(gòu)膜腔內(nèi)的氣壓，使得推桿向上運動，推動帶動反饋凸輪旋轉(zhuǎn)，彈簧的壓縮力減小，閥芯向右運動；當彈簧的壓縮力與膜片的推力相等時，定位器處于平衡狀態(tài)，定位器不進氣也不排氣，膜頭排氣口停止排氣。

2調(diào)節(jié)閥膜頭漏氣的故障判斷方法

2.1DCS曲線判斷法

化工設(shè)備或者管線內(nèi)壓力是調(diào)節(jié)閥在工藝調(diào)控要求下滿足工藝運行的目標。DCS曲線是利用DCS集中監(jiān)控工藝運行狀況參數(shù)和閥門開度變化的控制曲線。調(diào)節(jié)閥前、后工藝控制點上的壓力變化是調(diào)節(jié)閥開度變化作用的結(jié)果，壓力曲線能間接反映閥門的開度變化。若膜頭漏氣，在程序規(guī)定時間內(nèi)無法正常調(diào)控，壓力必然異常，導致曲線紊亂，故觀察某控制點連續(xù)時間段內(nèi)的曲線，根據(jù)壓力變化情況，可直接判斷出漏氣閥門的位號。另外，閥門開度的歷史趨勢能直接反映閥門調(diào)控狀態(tài)，根據(jù)調(diào)控調(diào)節(jié)閥開度曲線對閥門運行狀況進行快速實時監(jiān)控；然而，此工作量大，監(jiān)控畫面多，給生產(chǎn)操作帶來不便。

壓力曲線的突變異常間接說明調(diào)節(jié)閥調(diào)控異常，結(jié)合開度變化曲線異常的閥門，鎖定故障閥門。如果膜頭漏氣，造成閥門緩慢，調(diào)控異常，甚至閥門停運。按照曲線異常的嚴重程度分為輕微漏氣和嚴重漏氣。輕微漏氣時，調(diào)控動作延時和壓力曲線異常不大或者閥門開度曲線變化緩慢，曲線出現(xiàn)“毛刺”或“拐角”，可觀察運行；嚴重漏氣時，閥門無法達到調(diào)控需求和滿足工藝需求，曲線出現(xiàn)“凸出”或“棱角”，需停運閥門，被迫檢查維修。

2.2現(xiàn)場判斷法

調(diào)節(jié)閥膜頭漏氣時，儀表風從排氣口或漏氣口非正常持續(xù)排出，發(fā)出穩(wěn)定、有規(guī)律的聲音。損壞部位越嚴重，密封性越差，泄漏口越大，流速越快且泄漏聲越大?，F(xiàn)場判斷法根據(jù)閥門儀表風竄氣部位、氣流大小及連續(xù)性、聲音高低等情況作出初步判斷；繼而觀察運行狀態(tài)，根據(jù)執(zhí)行結(jié)構(gòu)原理進行分析，結(jié)合故障處理經(jīng)驗判明原因。由于竄氣聲音高低和氣流量無法準確測量，所以無法精準判斷出原因；但由于氣缸結(jié)構(gòu)簡單，可判明故障原因，為生產(chǎn)期間閥門的預檢、預修和維持正常運行，以及及時發(fā)現(xiàn)、處理故障贏得時間，不會造成故障終止(指故障導致無法運行)判斷。因此，現(xiàn)場判斷法是膜頭漏氣最有價值和直接有效的判斷方法之一。

(1)上、下膜頭損壞后膜頭漏氣的判斷。上、下膜頭損壞使膜頭無法密閉，儀表風從上膜頭、下膜頭、彈簧、儀表風的損壞口直接排出，造成調(diào)節(jié)閥推力減少，閥門調(diào)控開度時嚴重緩慢，甚至無法動作，直接導致閥門故障終止。該情況下故障發(fā)生的可能性較小，但還會發(fā)生。

(2)彈簧斷損后膜頭漏氣的判斷。調(diào)節(jié)閥根據(jù)膜頭大小其彈簧分為4組、6組、8組等，當彈簧斷損1～2組時，膜頭推力減小，導致達到控制開度目標延時。當閥門開度穩(wěn)定、膜頭內(nèi)部作用力平衡時，排氣口持續(xù)漏氣，但由于漏氣量小、流速低、壓力小，幾乎沒有聲音，觸摸時才能發(fā)現(xiàn)。如斷損根數(shù)較多且集中偏向一面，氣動薄膜動作時側(cè)面塌陷，儀表風從排氣口縮徑處擠壓持續(xù)排出；觸摸時漏氣量越大、流速越高、沖擊力越大，持續(xù)擾動聲越大，說明彈簧損壞越嚴重，斷損根數(shù)越多，此時閥門已無法調(diào)控，導致閥門故障終止，需盡快解體維修。

(3)氣動薄膜損壞后膜頭漏氣的判斷。調(diào)節(jié)閥膜片輕微損壞時(一般是膜片表面橡膠磨損、出現(xiàn)裂紋或頂部螺母緊固處磨損)，此時閥門能滿足工藝調(diào)控要求，動作延時不明顯。當閥門開度穩(wěn)定時，膜頭內(nèi)儀表風直接通過氣動薄膜，從排氣口擠壓持續(xù)竄氣外漏，但漏氣量小、流速低、壓力小，幾乎沒有擾動聲，觸摸時才能發(fā)現(xiàn)。當薄膜破損嚴重時，聲音較大；觸摸時，竄氣量越大，流速越高，壓力越大；持續(xù)擾動聲越大，沖擊力大，說明薄膜損壞越嚴重，此時閥門已無法調(diào)控，導致閥門故障終止，需盡快解體維修。

(4)彈簧罩預緊螺母松動后膜頭漏氣的判斷。彈簧罩預緊螺母松動造成氣缸內(nèi)彈簧罩、膜片上下活動，由于彈簧伸縮長度不同，儀表風通過薄膜和彈簧組的傾斜部位竄出，調(diào)控動作延時不明顯，能滿足工藝調(diào)控要求。當閥門動作或開度穩(wěn)定時，膜頭內(nèi)部儀表風從排氣口持續(xù)漏氣。由于漏氣量小、流速低、壓力小，幾乎沒有聲音，觸摸時才能發(fā)現(xiàn)。如果脫絲越嚴重，漏氣量越大、流速越高、壓力越大、持續(xù)擾動聲越大，觸摸時沖擊力大，此時閥門已無法調(diào)控，導致閥門故障終止，需盡快解體維修。

(5)推桿密封圈損壞后膜頭漏氣的判斷。推桿密封圈輕微損壞后，膜頭底部一直漏氣，損壞較小時，發(fā)出聲音較小或者沒有聲音，只有觸摸下膜頭推桿處，感觸到漏氣才會發(fā)現(xiàn)，此時觀察運行，一般不會對生產(chǎn)造成影響。如果損壞部位增大或損壞已經(jīng)較大時，會發(fā)出氣流聲，甚至較大的聲音，此時需對閥門停運檢修，并更換密封墊。由于推桿密封圈屬于靜密封，且密封件厚、材質(zhì)較好，一般損壞的可能性較小。

3調(diào)節(jié)閥膜頭漏氣統(tǒng)計

2012年1月至2015年10月中旬調(diào)節(jié)閥膜頭漏氣情況統(tǒng)計見表1。從表1看出，調(diào)節(jié)閥膜頭漏氣故障頻發(fā)，對生產(chǎn)安全穩(wěn)定、連續(xù)運行帶來嚴重隱患和威脅。調(diào)節(jié)閥膜頭損壞、彈簧斷損、氣動薄膜損壞、彈簧罩預緊螺母松動、上下膜頭間密封墊損壞共導致膜頭漏氣56次，生產(chǎn)線無法正常運行，尤其是沒有旁通控制的調(diào)節(jié)閥，故障嚴重時直接導致生產(chǎn)線停車；另外，由于使用年限增加，膜頭內(nèi)件老化嚴重，竄氣臺數(shù)明顯增加。調(diào)節(jié)閥膜頭損壞、彈簧斷損、氣動薄膜損壞嚴重時，隨時可能導致閥門故障終止，進而生產(chǎn)線停運。只有長期觀察，提前發(fā)現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，觀察運行狀態(tài)，預判斷、分析原因，在閥門故障終止前予以維修，可避免生產(chǎn)事故發(fā)生。對不同規(guī)格的調(diào)節(jié)閥膜頭各內(nèi)件準備備件，降低閥門維修的難度，縮短維修時間；對沒有旁通控制的調(diào)節(jié)閥應(yīng)增加旁通，可有效降低閥門故障后導致生產(chǎn)線停車的次數(shù)。

表1　2012年1月至2015年10月中旬調(diào)節(jié)閥膜頭漏氣統(tǒng)計

4調(diào)節(jié)閥膜頭漏氣判斷處理案例

2015年10月17日，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥(HV3502)排氣異常，檢查確認排氣口持續(xù)排氣，觸摸時沖擊大，調(diào)控動作沒有延時，分析是由于該閥門膜頭內(nèi)彈簧斷損、膜片損壞或彈簧罩預緊螺母松動原因造成漏氣。由于該調(diào)節(jié)閥設(shè)計有旁通，且切除系統(tǒng)程序停運該閥，準備充分，對氣缸解體檢查，彈簧完好，氣動薄膜損壞。更換膜片后投運，生產(chǎn)運行正常，沒有對生產(chǎn)線造成明顯的影響，消除了生產(chǎn)隱患，保證了生產(chǎn)線連續(xù)安全穩(wěn)定運行，產(chǎn)品氣質(zhì)量合格，后工序穩(wěn)定運行。

5結(jié)語

調(diào)節(jié)閥膜頭漏氣原因有：氣缸損壞、彈簧斷損、活塞板斷裂、活塞固定螺母松動、推桿O形圈損壞等。漏氣后調(diào)控過程中，動力氣體流徑、氣流聲音及排氣量異常，容易發(fā)現(xiàn)故障。但漏氣聲音高低和排氣量當前無法測量對比，且異常位置變化不大，不易準確判明原因，需要不斷總結(jié)經(jīng)驗，堅持定期檢查、排查閥門狀況，多觀察思考，結(jié)合故障判斷方法和工作原理，快速分析和判斷，完全能夠精準判斷出原因，有效維護閥門的正常運行，為調(diào)節(jié)閥膜頭搶修創(chuàng)造條件，贏得時間。

DCS曲線判斷可提前鎖定故障調(diào)節(jié)閥位號，對其運行狀況實施有效監(jiān)控，但無法判斷出閥門故障狀況，需進一步現(xiàn)場判斷才能判別原因；另外，由于監(jiān)控畫面和人力資源有限，無法實現(xiàn)對全部調(diào)節(jié)閥開度曲線同時監(jiān)控。因此，DCS曲線判斷不是調(diào)節(jié)閥膜頭故障的最佳預判斷方法。

現(xiàn)場判斷法對膜頭漏氣的閥門及時排查，重點對漏氣現(xiàn)象和開關(guān)狀態(tài)仔細觀察，不斷總結(jié)經(jīng)驗，提高技能和預判斷的準確性、及時處理是維護調(diào)節(jié)閥正常運行的最重要有效的途徑之一，且人力資源和系統(tǒng)投資低，預故障判斷明確，發(fā)現(xiàn)故障早，為故障處理創(chuàng)造條件。另外，在2013年檢修期間，對沒有旁通控制的調(diào)節(jié)閥增加旁通后，進一步為閥門故障的處理創(chuàng)造了良好的條件。通過現(xiàn)場判斷法，不斷總結(jié)經(jīng)驗，生產(chǎn)運行期間及時發(fā)現(xiàn)并成功預處理了調(diào)節(jié)閥膜頭漏氣故障，完全避免了因膜頭漏氣嚴重而導致的故障。

(收到修改稿日期2015-12-10)