單作用氣動執(zhí)行器增大扭力方法探究與應(yīng)用

朱志星,郭永新,于海軍

(中海石油(中國)有限公司 深圳分公司,廣東 深圳 518000)

氣動關(guān)斷閥在石油化工行業(yè)中應(yīng)用廣泛,在緊急情況下,關(guān)斷閥可快速動作切斷管路,起到隔離作用。為保證關(guān)斷閥的密封性,關(guān)斷閥的閥體通常會選用球閥,而球閥很容易受介質(zhì)中的雜質(zhì)影響,因此容易出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象,如果執(zhí)行器扭力不足,則關(guān)斷閥無法全關(guān),起不到保護(hù)作用。若更換大扭力的執(zhí)行器,不僅費用高而且周期長。操作人員和供應(yīng)商嘗試各種方法尋找有效增加扭力的辦法,以解決卡阻的問題。

1 單作用氣動關(guān)斷閥結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 關(guān)斷閥結(jié)構(gòu)

單作用氣動關(guān)斷閥結(jié)構(gòu)如圖1所示,一般由執(zhí)行器氣缸、閥體、氣源、電磁閥、反饋開關(guān)組成。

圖1 單作用氣動關(guān)斷閥結(jié)構(gòu)示意

1.2 工作原理

單作用氣動關(guān)斷閥通過氣源供氣,利用氣動執(zhí)行機構(gòu)將壓縮空氣轉(zhuǎn)換成機械能,推動閥芯的運動,從而控制閥門的開度,實現(xiàn)對流體流動的控制。

1)氣源供氣。通過氣源將壓縮空氣送入氣動關(guān)斷閥的氣動執(zhí)行機構(gòu)中。

2)氣動執(zhí)行機構(gòu)。氣動執(zhí)行機構(gòu)包括活塞、氣動驅(qū)動器和閥芯等部件。當(dāng)氣源供氣時,氣動驅(qū)動器將壓縮空氣轉(zhuǎn)換成機械能,推動活塞和閥芯運動。

3)閥芯運動。活塞和閥芯通過連桿相連,當(dāng)氣動驅(qū)動器推動活塞運動時,閥芯也會隨之移動。閥芯的移動會改變閥門的開度,從而控制流體的流動。

4)流體控制。當(dāng)閥芯關(guān)閉時,閥門完全關(guān)閉,流體無法通過;當(dāng)閥芯打開時,閥門完全開啟,流體可以自由通過。閥芯的位置可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié),從而控制流體的流量和壓力。

5)控制信號。閥芯的運動由氣源供氣的控制信號來控制,通常使用氣動控制系統(tǒng)或電氣控制系統(tǒng)來發(fā)送信號,控制閥芯的開度。

2 關(guān)斷閥的卡阻原因分析

關(guān)斷閥卡阻原因及應(yīng)對措施見表1所列。根據(jù)表1分析出的原因,對現(xiàn)場卡阻的閥門進(jìn)行檢修并逐項排查,排除了氣源問題、潤滑問題、腐蝕問題、污染問題、活塞密封問題。通過查閱閥門以及執(zhí)行器說明書,確認(rèn)關(guān)斷閥卡阻原因為閥門設(shè)計問題,扭力選型過于保守,選擇的扭力為閥體扭力的1.5倍,球型閥體在有雜質(zhì)時,扭力會增大,從而導(dǎo)致執(zhí)行器卡阻。同時對卡阻的ROTORK S-045-200/DL型關(guān)斷閥進(jìn)行扭力測試,測試記錄見表2所列。

表1 關(guān)斷閥的常見卡阻原因及措施

表2 ROTORK S-045-200/DL型關(guān)斷閥扭力測試記錄 N·m

表2中的數(shù)據(jù)是閥門實測扭力將執(zhí)行器與閥體脫開后,使用扭力扳手所測的數(shù)據(jù)。其中,閥門開度在50%位置時,執(zhí)行器的扭力無法驅(qū)動球閥打開。因此,只要加大彈簧扭力,則可以解決卡阻問題。

3 增大執(zhí)行器扭力非常規(guī)方法

3.1 方法一

使用工具增加扭力,利用一種外夾式氣動執(zhí)行器閥門活絡(luò)輔助裝置,可在日常設(shè)備維保及異常情況下使用,提高設(shè)備的安全可靠性。該方案已獲得專利授權(quán),活絡(luò)裝置由第一半圓夾塊和固定連接在第一半圓夾塊背面的第二半圓夾塊組成,2塊半圓夾塊的外表面開設(shè)有插孔,內(nèi)壁設(shè)置有直條紋內(nèi)牙,插孔的內(nèi)壁設(shè)置有直桿。該活絡(luò)裝置在執(zhí)行器與閥體間的連接件上組合2塊半圓夾塊形成夾環(huán),將直桿插入到夾環(huán)插孔內(nèi)。由于彈簧處于壓縮狀態(tài),擺動直桿使連接件產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的作用力,相當(dāng)于給彈簧增加一個外部作用力,因此可以使卡阻的閥體進(jìn)行活絡(luò),彈簧可以復(fù)位工作,從而可以在閥門卡阻情況下,通過外加作用力,手動開關(guān)閥門,使閥門執(zhí)行器彈簧復(fù)位[1]。該方法可以在線及時解決活絡(luò)閥門,解決卡阻問題,但只適用于小尺寸的氣動執(zhí)行器,并不能從本質(zhì)上增大扭力解決問題。

3.2 方法二

將電磁閥更換成“兩位五通”電磁閥,結(jié)構(gòu)如圖2所示。電磁閥的2個出口分別連接到執(zhí)行器的進(jìn)氣口與透氣口,此時執(zhí)行器變成了雙作用執(zhí)行器。

圖2 “兩位五通”電磁閥結(jié)構(gòu)示意

“兩位五通”電磁閥通常與雙作用執(zhí)行器配合,通過控制該電磁閥的開關(guān)狀態(tài),可以改變氣缸2個端口的氣壓或真空狀態(tài),從而控制雙作用執(zhí)行器的運動方向和位置。當(dāng)電磁閥失電時,進(jìn)氣口端無壓力,而透氣口端有壓力,此時活塞往左運動,彈簧復(fù)位,閥門處于關(guān)閉狀態(tài);當(dāng)電磁閥得電時,透氣口端無壓力,而進(jìn)氣口端有壓力,此時活塞往右運動,彈簧壓縮,閥門處于打開狀態(tài)。

該方法的雙作用氣缸可以有效增加執(zhí)行器扭力,解決閥門卡阻問題,只需要更換電磁閥,周期短且費用低,但同樣不能從本質(zhì)上解決卡阻問題。例如,當(dāng)在極端情況時,無電源和氣源,此時執(zhí)行器需要依靠彈簧的彈力來驅(qū)動閥門關(guān)閉。如果原閥門本來就存在卡阻現(xiàn)象,那么該情況下,閥門還是會存在隱患。該執(zhí)行器是基于單作用方式來設(shè)計的,如果從透氣口處反供氣,活塞右邊到透氣口部分密封容易損壞,容易導(dǎo)致漏氣。

3.3 方法三

增加一個小彈簧,實現(xiàn)雙彈簧驅(qū)動,增大執(zhí)行器輸出扭力。假設(shè)第一個彈簧的力為F1,第二個彈簧的力為F2,當(dāng)2個彈簧都處于彈性形變狀態(tài)時,它們的力可以通過彈簧的胡克定律計算。根據(jù)胡克定律,彈簧力與形變程度成正比,可以表示為F=kx,其中,F為彈簧力,k為彈簧的彈性系數(shù),x為形變程度。同時,由于在執(zhí)行器內(nèi)彈簧是線性運行,當(dāng)2個彈簧同時受力時,它們的力疊加為F=F1+F2,因此增加彈簧可以增大執(zhí)行器輸出扭力。該方法費用低,可以從本質(zhì)上解決執(zhí)行器扭力不足問題,但增加彈簧需要考慮不影響原執(zhí)行器的正常運行,同時需要計算選擇合適的彈簧。

以上三種方法各有優(yōu)缺點,可以根據(jù)現(xiàn)場情況選擇不同的整改措施。

4 應(yīng)用效果

通過以上分析,選用合適的解決方法,效果如下：

1)方法二應(yīng)用效果?，F(xiàn)場將執(zhí)行器的“兩位三通”電磁閥更換為“兩位五通”電磁閥,并且按照雙作用執(zhí)行器工作原理,對管路進(jìn)行改造。經(jīng)過測試,執(zhí)行器工作正常,閥門不存在卡阻現(xiàn)象。

2)方法三應(yīng)用效果。選擇合適尺寸的小彈簧,安裝到執(zhí)行器氣缸原彈簧內(nèi)。增加小彈簧后,對原執(zhí)行器不產(chǎn)生任何影響,經(jīng)過現(xiàn)場實際應(yīng)用,閥門卡阻現(xiàn)象得到改善。

3)經(jīng)效效益。某海上平臺關(guān)斷閥共有175臺,經(jīng)統(tǒng)計,生產(chǎn)工藝流程關(guān)斷閥出現(xiàn)卡阻故障現(xiàn)象每月約20次。應(yīng)用以上兩種方法后,月故障次數(shù)降低到2次,有效提高了設(shè)備的穩(wěn)定性,同時節(jié)約升級費用約200萬元人民幣。

5 結(jié)束語

對于單作用氣動關(guān)斷閥出現(xiàn)卡阻問題,供應(yīng)商希望用戶更換新型號閥門;而用戶在遇到卡阻問題時,除考慮產(chǎn)品成本外,還需要打破常規(guī),敢于創(chuàng)新。事實證明,增大扭力除升級外,還可通過增加1個小彈簧可以有效增大執(zhí)行器的扭力,解決卡阻問題,有效延長氣動關(guān)斷閥生命周期。