某電站氣動(dòng)控制閥故障分析

陳金華 余作長 羅楊

福建福清核電有限公司維修二處 福建福清 350318

某電站機(jī)組調(diào)試過程中，氣動(dòng)控制閥的故障在閥門故障中占了很大比重，因此如何透過故障現(xiàn)象看到故障的本質(zhì)，提高氣動(dòng)控制閥故障診斷的準(zhǔn)確率對于電站安全穩(wěn)定的運(yùn)行尤為重要。

1 氣動(dòng)控制閥常見故障現(xiàn)象及原因

氣動(dòng)控制閥是以壓空為動(dòng)力源，以電氣轉(zhuǎn)換器、定位器等儀控附件為輔助部件，通過改變氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室內(nèi)的壓力，從而使閥桿帶動(dòng)閥芯實(shí)現(xiàn)閥門啟閉和調(diào)節(jié)的功能，如圖1。

圖1 氣動(dòng)控制閥原理示意圖

在調(diào)試期間氣動(dòng)控制閥的故障時(shí)有發(fā)生，經(jīng)查詢工單系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)故障發(fā)生率如表1。

表1 調(diào)試期間氣動(dòng)控制閥故障現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)表

從表1可見，按照故障所體現(xiàn)出來的現(xiàn)象大致可以分為兩大類：閥門本體故障、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其附件故障。閥門本體的故障最主要體現(xiàn)為閥門的無法動(dòng)作及閥門的泄漏，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的故障則多體現(xiàn)為氣源管的漏氣及控制附件的故障。當(dāng)然無論是閥門本體的故障還是執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其附件的故障都有很多原因（表2），以最常見的閥門無法動(dòng)作為例，造成這種故障現(xiàn)象的原因很多，即可能是閥門卡涉、也可能是中性點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)還有可能是無氣源信號(hào)、信號(hào)通道未打通。

通過對調(diào)試期間氣動(dòng)控制閥故障現(xiàn)象以及兄弟電廠常見氣動(dòng)控制閥的故障進(jìn)行分析，確定造成故障的根本原因，通過對其歸納總結(jié)如下。

表2 調(diào)試期間氣動(dòng)控制閥故障原因統(tǒng)計(jì)表

2 閥門本體的故障

閥門內(nèi)漏。構(gòu)成閥芯與閥座密封副的必要條件為理想的表面配合和合適的密封比壓。理想的配合是形成密封比壓的前提，而比壓的大小則直接影響閥門的密封性

（1）中性點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)。部分氣動(dòng)控制閥設(shè)置了應(yīng)急手輪，便于閥門在失去氣源的時(shí)候仍能手動(dòng)控制閥門的啟閉狀態(tài)。這類閥門內(nèi)漏故障的原因往往是由于閥門應(yīng)急手輪位置擺放不正確即中性點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)，當(dāng)閥門進(jìn)行氣動(dòng)操作時(shí)，應(yīng)急手輪會(huì)干擾氣動(dòng)操作，使閥門未能達(dá)到額定行程而造成閥芯與閥座環(huán)密封面的虛接觸甚至未接觸而引起密封比壓不夠造成內(nèi)漏。

（2）密封副上存在異物。系統(tǒng)管道因沖洗不干凈存在灰塵、焊渣等異物，所以經(jīng)常有密封副處存在異物的現(xiàn)象，而這也是氣動(dòng)控制閥發(fā)生內(nèi)漏的一個(gè)常見原因。通常處理方法為多次開關(guān)閥門，將異物沖走解決故障。

（3）閥芯閥座不對中。閥芯閥座不對中的兩種主要形式是不同心（圖2-a）和軸線傾斜（圖2-b）。當(dāng)這種不對中的情況較明顯時(shí)，閥芯一側(cè)首先碰到閥座密封面并輕微的翹起，直到一個(gè)更大的載荷使它跳動(dòng)斜向另一邊，滑入進(jìn)入錐形部分并使密封面全部接觸。久而久之，閥座會(huì)變形，引起泄漏，且閥芯上的壓痕將擴(kuò)展而成為新的偏心，接近于閥座密封面的360度。超出某些閥芯的傾斜角度，閥芯將不能進(jìn)入應(yīng)有的位置，而不再與施加的載荷有關(guān)。因此，在閥芯與閥座密封之前，導(dǎo)向和閥芯的對中是必需的。

可通過保證氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿極其導(dǎo)向軸套的間隙、保證閥芯或閥桿與導(dǎo)向軸套或閥籠的間隙等措施來消除因?qū)χ幸鸬拈y門內(nèi)漏故障。

（4）氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型不適。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能由于氣源壓力過低、彈簧剛度不足、膜片或活塞有效面積過小等原因?qū)е麻y芯與閥座的密封比壓不足。對于氣關(guān)型閥門，通常我們可以適當(dāng)增加氣源壓力來解決，但是由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜片的承載力有限也不能無限制增加氣源壓力。對于氣開型閥門則可以適當(dāng)增加閥門行程增大密封比壓。當(dāng)然最理想的方法是根據(jù)系統(tǒng)工況重新計(jì)算后選用適用的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖2 閥芯與閥座不對中的兩種主要形式

（5）閥門行程不足。閥門行程不足時(shí)，即便選用了足夠大的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，且閥芯、閥座的密封面狀態(tài)也完好，但因?yàn)殚y芯、閥座密封面間未形成有效的密封比壓，泄漏在所難免。

3 閥門外漏

3.1 填料泄漏

填料泄漏的主要原因主要為選型不當(dāng)、安裝方法不當(dāng)、閥桿腐蝕、磨損、變形、光潔度下降。可通過選用適合閥門工況與設(shè)計(jì)要求的填料材料、型式、數(shù)量，保證合適的填料壓蓋的螺栓力矩，保證閥桿的粗糙度、圓度、直線度消除填料泄漏。

3.2 中法蘭泄漏

中法蘭處的密封為靜密封結(jié)構(gòu)，因此如果是因?yàn)橹蟹ㄌm螺栓力矩不足造成的外漏更易處理。然而某電站現(xiàn)場出現(xiàn)的中法蘭泄漏更多的是因?yàn)橹蟹ㄌm墊片裝偏或者墊片失效造成。對于這種情況，只能進(jìn)行解體更換新墊片處理，對于不能隔離等不具備解體條件的閥門，只能通過帶壓堵漏來處理。

4 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障原因分析

作為氣動(dòng)控制閥的“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)起著接收信號(hào)并按此信號(hào)正確響應(yīng)的功能，它的故障將直接導(dǎo)致閥門的失效。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為薄膜式和活塞式兩種結(jié)構(gòu)，其故障形式也分為兩類：

4.1 膜片老化、損壞

薄膜式執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的膜片，由于長期承受壓縮空氣、彈簧的雙重作用及使用環(huán)境溫度過高等因素，因此老化、損壞是主要的失效模式。當(dāng)出現(xiàn)此種情況時(shí)，表現(xiàn)為氣閥動(dòng)作遲緩，不夠靈敏，若膜片損壞嚴(yán)重時(shí)，調(diào)節(jié)閥雖然接受到調(diào)節(jié)器的輸出控制信號(hào)，但根本不按調(diào)節(jié)信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，這時(shí)就需更換膜片，來滿足生產(chǎn)需要。

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)的膜片通常是由合成橡膠與合成纖維經(jīng)模壓加工而成，因橡膠都有溫度限制和有效期限，而且對于經(jīng)常承受載荷的纖維來講，抗扯斷強(qiáng)度、彈性等指標(biāo)也將隨時(shí)間和載荷的雙重作用而降低。檢修時(shí)應(yīng)對膜片的材料、有效期進(jìn)行確認(rèn)并定期對接近有效期及環(huán)境溫度較高的膜片進(jìn)行重點(diǎn)檢查，防止膜片老化而失效的故障。

磨損也是膜片失效的常見故障。造成膜片磨損的原因可能是膜片的尺寸不合適，也可能是與膜片接觸的金屬部件存在毛刺或銳邊。對于膜片型控制閥特別是頻繁動(dòng)作的膜片型控制閥首先必須要保證要安裝的膜片尺寸合適，其次要保證裝配正確，減小因膜片磨損而導(dǎo)致控制閥功能降低或失去的故障。

4.2 活塞頭或氣缸內(nèi)壁的磨損

因氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥桿彎曲、潤滑不良或密封件尺寸不合適或密封件失效，活塞式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的活塞頭與氣缸內(nèi)壁接觸，造成活塞頭或氣缸內(nèi)壁出現(xiàn)橢圓度、圓錐度、劃痕、拉傷、結(jié)瘤等缺陷，導(dǎo)致活塞兩側(cè)“竄氣”即活塞兩側(cè)不能產(chǎn)生壓差而不能正確響應(yīng)控制信號(hào)而失效的故障。

保證氣缸的適度潤滑和密封件的狀態(tài)是防止活塞頭與氣缸內(nèi)壁直接接觸并產(chǎn)生過度磨損的有效方式，而對于已經(jīng)出現(xiàn)了活塞或氣缸內(nèi)壁過度磨損而間隙過大或拉毛時(shí)，可采用機(jī)械加工、手工打磨氣缸內(nèi)壁同時(shí)更換密封件或活塞頭的措施予以糾正。

4.3 導(dǎo)向密封圈損壞

對于氣開式的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)而言如果閥門單方向存在動(dòng)作遲緩，則除了以上兩種原因，另一種就是導(dǎo)向套內(nèi)O形圈的損壞。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)下端進(jìn)氣時(shí)由于O形圈處存在泄漏，不能很快的形成壓力室克服彈簧力，造成推桿動(dòng)作遲鈍或不動(dòng)作。

4.4 儀控附件故障

（1）定位器、電氣轉(zhuǎn)換器故障。由定位器或電氣轉(zhuǎn)換器設(shè)定值飄移而引起的氣源壓力不足、行程不到位，嚴(yán)格而言不應(yīng)屬于閥芯與閥座的密封故障范疇。但在閥門動(dòng)作期間此類故障直觀地表現(xiàn)為閥門的內(nèi)漏。具體表現(xiàn)為因控制附件的設(shè)定值偏離了規(guī)定值，導(dǎo)致氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)供氣壓力的變化與閥門實(shí)際位置不匹配，進(jìn)而導(dǎo)致閥門的進(jìn)一步偏離，極大地影響了閥門的調(diào)節(jié)性能、壽命。

（2）電磁閥、減壓閥故障。因電磁閥、減壓閥等控制附件損壞將引起氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓力不足，無法自動(dòng)排氣、超壓等故障在調(diào)試期間也時(shí)有發(fā)生。電磁閥故障主要有過流、過壓導(dǎo)致的線圈燒毀，閥芯損壞，密封件老化、損壞等。電磁閥故障常導(dǎo)致氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)因無法充、排氣而引起閥門失效。減壓閥故障主要有閥芯損壞，膜片老化、損壞，彈簧疲勞導(dǎo)致的裂紋、斷裂或剛度變?nèi)醯?，減壓閥故障常引起氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)超壓或壓力不足。

（3）控制通道未打通。在調(diào)試期間另一類比較常見的故障是控制通道未打通。由于調(diào)試負(fù)責(zé)人對控制通道的打通情況不熟悉，常常將由此引發(fā)的閥門不能動(dòng)作歸結(jié)為閥門的卡澀或者氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的失效。

5 結(jié)語

本文從某電站機(jī)組安裝、調(diào)試期間氣動(dòng)控制閥故障的現(xiàn)象出發(fā)，通過對這些故障現(xiàn)象的歸納總結(jié)，以提高電站后續(xù)機(jī)組調(diào)試中氣動(dòng)控制閥故障處理能力，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。