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          閥門知識

          氣動蝶閥開啟動作延遲問題及解決方法

          2020-07-31

          氣動蝶閥概述

          某核電廠氣動蝶閥在機組運行期間出現多次開啟動作延遲故障(運行規范要求閥門的開啟時間≤120s)。氣動蝶閥開啟初期,在2~3min時間內無動作。氣動蝶閥開始動作后,在30~40s內能達到全開狀態,但氣動蝶閥在20%~40%開度發生過卡塞故障。經檢測,氣動蝶閥各部件運行良好,無卡塞和損壞等本體故障。為徹底消除氣動閥門開啟動作延遲和卡塞故障,對氣動蝶閥和系統進行了系列分析、計算和相關試驗,查找氣動蝶閥故障產生原因,制定氣動蝶閥改進方案。

          氣動蝶閥的結構性能氣動蝶閥圖片

          氣動蝶閥由襯膠對夾式蝶閥及氣動裝置組成(圖1)。襯膠對夾式蝶閥由閥體、蝶板、閥座和閥桿等組成,通過蝶板與橡膠閥座的過盈實現閥門的密封。氣動裝置為撥叉式單作用氣缸,氣缸側進氣,活塞推動撥叉旋轉,輸出力矩關閥,并壓縮彈簧儲能,氣缸側停止進氣,彈簧復位,推動活塞,帶動撥叉旋轉,輸出力矩開閥。蝶閥公稱尺寸DN600,工作壓力1.2MPa。

          氣動蝶閥的計算及分析

          針對氣動蝶閥實際工況條件,通過理論計算和試驗對蝶閥的開啟力矩進行計算和實測。

          1、計算

          根據理論計算,氣動蝶閥的zui大開啟力矩約4200N.m,閥門氣動執行機構設計輸出力矩為4106~7035N.m,正常情況下實際力矩應小于理論計算值,閥門力矩能夠滿足閥門正常開啟。

          2、動態試驗

          在試驗臺架的一段直管段上安裝氣動蝶閥,使用試驗泵對此管段進行1.2MPa下流量循環,測量閥門的力矩變化。襯膠對夾式蝶閥開啟瞬間,由于密封面摩擦力矩的影響,力矩較大。蝶板開啟20°后已完全脫離密封面,閥門扭矩明顯減小。在1.2MPa壓力下保持閥門關閉狀態20d,啟泵進行流量循環和對比試驗。

          實測證明,氣動蝶閥開啟zui大扭矩發生在蝶板與閥座密封面結合時(即存在靜態摩擦阻力時),實測zui大力矩<2500N.m。小于閥門氣動執行機構設計輸出力矩4106~7035N.m。由此判斷閥門設計滿足工況要求。在現場出現故障,是應為其他在設計中未考慮到的因素。氣動蝶閥開啟力矩表

          3、分析

          對現場實際情況建模分析,氣動蝶閥所在管路系統復雜,前后彎管距離較短,紊流強烈,動水力矩超出設計值,因此介質對蝶板沖擊較大。

          理論計算和閥門動態試驗結果分析,氣動蝶閥無法開啟的原因為系統動水力矩超出設計要求。經研究,解決方案有3種。一是更改系統管道,減小氣動蝶閥的動水力矩。二是增加氣動蝶閥氣動執行機構的輸出力矩,克服氣動蝶閥的動水力矩。三是減小氣動蝶閥的靜態阻力,用更多的輸出力矩克服氣動蝶閥的動水力矩。

          氣動蝶閥的改進

          因系統布局等原因,管道更改較困難。為確保氣動蝶閥的可靠性,現場采用二、三方案聯合使用方法,即更換氣缸彈簧增加氣動蝶閥的輸出力矩和減小閥座密封件過盈量減小閥門靜態阻力同步實施,用以消除氣動蝶閥無法開啟故障。氣動蝶閥在20%~40%情況下卡塞,主要通過上下閥桿增加拉桿機構,減小系統壓力對上下閥桿產生偏移的影響。

          1、減少密封過盈量

          減小密封過盈量能夠減小氣動蝶閥開關時靜態阻力,蝶板與閥座單邊過盈量由2.0mm減小至1.6mm,有效減小了氣動蝶閥驅動力矩。為驗證方案的可行性,試制了樣機。樣機除密封過盈量減少外,其他參數變動較小。對原有氣動蝶閥和樣機氣動蝶閥進行空載荷1.76MPa啟閉扭矩的對比測試。試驗方法為蝶板關閉至全關位置后,測量氣動蝶閥開啟力矩值(表1)。

          測試數據顯示,空載情況下,減小密封過盈量減少氣動蝶閥扭矩約600N.m,在1.76MPa情況下,減少密封過盈量減小閥門扭矩約1500N.m。從試驗結果分析,密封過盈量減小后,可有效減小氣動蝶閥開啟扭矩。

          2、閥桿增加拉桿機構

          上下閥桿增加拉桿機構,減小系統壓力對上下閥桿產生偏移的影響,提高上下閥桿同軸度,消除閥桿不同心導致中間位置卡阻。在下閥桿與蝶板連接處設計了小球結構,對下閥桿與蝶板起定位防轉功能,上下閥桿實現同步轉動,保證上下閥桿連接處螺紋不會松脫。

          3、氣缸改進

          考慮到現場空間限制,只對活塞缸體及配用的彈簧進行改進。經計算,選用缸徑D=450mm,外彈簧有效圈數10.5,總圈數12,全壓縮時壓力為20.1KN,內彈簧有效圈數10.5,總圈數12,全壓縮時壓力20.2KN。氣缸改進后開啟zui大力矩增大1.4倍,達到7550N.m,設計安全系數達到1.75,可以避免氣動蝶閥因紊流、振動、軸承磨損等原因導致的卡阻。

          氣動蝶閥改進后,經現場使用,氣動蝶閥120s開啟動作延遲現象完全消失,閥門能夠在30~50s內開啟,20%~40%開度卡塞現象徹底消失,氣動蝶閥驗證合格。經大量更換系統中類似氣動蝶閥,其性能良好,無卡塞和開啟動作延遲情況發生,為系統正常運行提供了保障。

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