本文重点对气动调节阀的使用、故障现象和原因分析

总结：

随着自动化技术的飞速发展，调节阀用于控制各种介质的流量和压力，对稳定生产和优化控制起到举足轻重的作用。从调节阀的结构、执行机构的形式、流量特性、维护保养等方面进行综合比较，根据不同的工况对调节阀进行相应的分析和应用，真正做到在自动控制中发挥控制阀作为“执行单元”的作用[1]，为介质的管道输送提供有力保障，实现控制指标和科学管理。本文重点介绍气动调节阀的用途、故障现象及原因分析。

关键词：

调节阀；茎骨折;定位器

CLC 编号：T 文件代码：A 货号：1671-1041(2015)03-0048-04

简介

调节阀是石油化工行业用来调节各种介质流量和压力的装置。能否正常工作，直接关系到整个设备的正常生产。生产现场的工作环境往往处于高温高压、潮湿、粉尘、振动、易燃易爆等恶劣条件下，故障率高。气动调节阀是应用最广泛的，因此保证其正常使用非常重要。

1 控制阀简介

根据国际电工委员会IEC对控制阀（国外称为控制阀）的定义：控制阀由执行器和阀体部分两部分组成，即控制阀=执行器+ 阀体部分。执行器是控制阀。推动装置，根据信号压力的大小产生相应的推力，使推杆产生相应的位移，从而带动调节阀的阀芯运动；阀体部分是调节阀的调节部分，直接接触介质并通过执行机构。推杆的位移改变了调节阀的节流面积，达到调节的目的[2]。

根据执行机构，调节阀分为电动、液动和气动，其中气动最为常见；按阀体结构可分为直通单座阀、双座阀、套筒阀、球阀、蝶阀、偏心旋转阀等；流量特性可分为直线型、等百分比型、抛物线型和快开型。根据介质的性质、温度、压力等条件，选择合适的控制阀进行控制。

定位器——控制阀最重要的附件之一，阀门定位器可以增加控制阀的输出功率气动带手动蝶阀，减少控制信号的传输延迟，加快阀杆的运动速度，提高阀门的线性度，克服了阀杆的摩擦，消除了不平衡力的影响，从而保证了调节阀的正确定位，并能逆转阀门动作。共有489个气动控制阀运行，其中420个使用ABB智能阀门定位器。该定位器结构紧凑，安装调试方便。但在实际使用过程中，故障率较高。主要原因之一是容易引起调节阀波动，导致调节阀填料泄漏，工艺运行不稳定，甚至无法运行。后面会根据实际经验，列出一些由定位器引起的调节阀波动，然后说明一般的处理方法。

2 调节阀常见故障现象及原因分析

2.1 供气故障

1）现场送风未开启。

2）气源多水，天气寒冷结冰。

3）净化空气供应已停止。

4）气源总管泄漏或气路堵塞造成气压过低，调节阀不能全开或全关，甚至不动作。

5）空滤减压器使用时间长，污垢太多。减压阀下方黑色旋钮开启漏气，使输出气压低于规定压力，导致调节阀不能全开全关，甚至不动作。

6）现场气路泄漏，接头松动，造成气压不足，调节阀不能全开或全关，甚至不动作。

7）过滤减压阀故障，导致风压不稳定，导致调节阀振荡。

2.2 线故障

1）电源线端子松动、脱落、短路或断路。电路板上灰尘过多会导致控制阀接触不良、信号波动、振动。

2）大雨或台风过后，进入设备的水会使接线短路，导致调节阀不能全开或全关。

3）极性接反会导致控制阀不工作。

4）电源线中段故障。由于绝缘胶带的失效，电线的绝缘层脱落，造成电线之间的短路。因现场振动导致断线，导致调节阀不连续振荡。打开或完全关闭，甚至没有动作。

5）控制阀修复后接线错误导致控制阀故障。

6）控制阀输出信号不稳定，导致控制阀动作波动。

2.3 定位器故障

1）反馈杆固定螺母松动脱落，反馈杆上的弹簧脱落，导致反馈杆松动、脱落、卡死，引起控制阀振荡.

2）定位器中的位置传感器故障。当振动达到死点时气动带手动蝶阀，会导致中控室显示超程，过一会又恢复正常，更换即可解决。

3）定位器PID参数设置不合适。

2.4调节阀体故障

1）调节阀的阀芯或阀座磨损（介质的冲刷、锈蚀、焊渣等污物的擦伤和磨损）、卡死（各种杂质的堵塞）介质）、密封性差（密封圈磨损），使阀门全关时介质仍然过多，无法控制。

2）调节阀阀瓣压得太紧或太松，太紧会使调节阀阀杆动作缓慢或跳动，太松会导致介质泄漏，如果重油很可能燃烧，造成大事故。

3）调节阀安装时，管路与阀体不同心，会使调节阀承受过大的附加应力，产生振荡，不能全开或完全关闭。

4）调节阀的阀杆与连接件的固定螺母松动，阀杆与阀芯不同心，会造成阀门关不上，应力会增大，导致阀杆高频振荡，甚至折断。

5）调节阀膜片头故障。由于隔膜长期使用，老化变质，弹性变小，密封性能变差，隔膜泄漏，压缩弹簧老化，弹性变小，断裂，导致调整阀门无法完全打开或关闭，甚至失控。

6）调节阀阀芯脱落，阀芯与阀座卡死，阀杆弯曲或折断，会导致调节阀正常工作，但会起调节作用。

2.5 调节阀的应用条件与原设计条件不符而导致的故障

1）因为设计院给出的设计参数（阀体材质、填料形式、调节阀的启闭、流量特性的选择和开度使用过程中等）与实际情况不符，现场发生错误。

2）由于工艺介质的变化，调节阀的工况不能满足实际工况，导致故障。

3）流体流经调节阀时发生严重闪蒸（液体流经调节阀节流阀时，流速上升，压力下降，下降至饱和蒸汽压Pv此条件下的液体，当压力超过Pv时，会汽化分解气体，形成两相流）、空化（节流后速度下降，压力上升。当压力恢复超过Pv时，汽化不会继续下去，液体中的气泡会还原为液体。此时，气泡会破裂，产生强烈的压力冲击波），空化（由于气泡破裂产生的巨大冲击力，它会严重冲击和损坏阀芯和阀座表面，特别是密封面，会产生蜂窝状损坏），导致调节阀振动，材料损坏和更大的噪音。

4）现场有振动源（管道或底座），会导致控制阀接线松动，固定螺母松动，甚至引起控制阀振动。

5）调节阀通流量Cv值偏大，常在小开度工作。介质对阀座的冲刷和流动特性受到很大影响，引起调节阀振荡。

6）调节阀的流向反了，导致流量开闭的反方向，不仅会影响调节阀的流量特性，还可能造成两者之间的压差。气门前后过大，使气门开关所需的力增大，甚至造成气门杆断裂。

7）调节阀在使用过程中，由于介质的压力波动，阀芯相对导向面横向移动（如果阀芯与阀座间隙较大，振动会更强烈），这通常会引起频率小于该频率的振动，当其频率接近或什至与控制阀的固有频率相同时会产生共振。这种工况下的调节阀会产生啸叫声和很大的破坏力。

8）调节阀压缩弹簧刚度不足、预紧力不足也会引起调节阀振荡。

9）当介质中含有杂质，异物卡在阀座上时，调节阀不关闭，泄漏量增加。

10）由于介质的高温高压（一般高于200℃）泰科流体控制阀门，填料会泄漏，填料压盖不能压得太紧。如果拧紧不能解决，则必须更换。减压装置的重油一旦泄漏，很容易引发事故。

11）调节阀阀盖法兰泄漏和阀体出现水泡也会造成调节阀外漏，外漏的影响比外漏更严重内部泄漏。

3 调节阀故障的典型案例

案例一：102-FV-30204阀杆断裂失效 2013年10月30日，催化装置操作员报告1号吸收102-FT-30204流量突然下降。没有变化，变送器现场检查也没有问题。打开阀门的辅助管路后，流量增加。初步判断为调节阀阀杆断裂tycovalve，阀芯脱落。控制阀落地拆卸后发现阀杆与执行器输出轴不同心，流体与执行器的不平衡力作用于变径位置，现场工艺管道振动，导致阀芯的高频振动和垂直于阀杆的剪切。应力，金属在阀杆最薄处疲劳和断裂。

根据询价资料，2011年阀杆也发生了断裂，与阀门同处的催化单元吸收稳定换热平台的吸收塔底油控阀102-FV-30206也曾经历过类似的故障，考虑到故障并非巧合，深入研究了阀杆断裂的原因。

调节阀阀杆断裂的原因有很多：阀杆的材料、调节阀的选择、介质的工作条件、阀内件的热处理和加工质量，现场振动等。然而，阀杆断裂的根本原因是阀杆引起的剪切应力集中和金属疲劳。下面一一进行分析。

故障原因分析：

流经该阀的介质为第一吸收介质，温度46℃，工作压力0.3MPa，主要成分为粗汽油，密度740kg/m3，很少工艺介质中的杂质，如图1中的断面所示，可以看出表面光滑，不是介质腐蚀造成的。阀门正常工作流量在100T/H左右，调节频率很小，运行很稳定。故障前未进行重大调整，通过检查现场未发现明显波动和噪音。通过查询设计数据和阀门开度，该阀门为等百分比流量特性的笼式阀，阀位一般控制在45%。综合分析不是由于设计缺陷和控制阀选型。阀杆和阀芯材料为2Cr13马氏体不锈钢，具有很强的硬度、抗拉和抗压韧性、抗疲劳性和一定的耐高温和耐腐蚀性能。材料的选择没有问题。经勘查现场未发现明显的振动源，但由于阀杆和阀芯在阀盖内，从外观上无法观察到高频、低振幅的振动，阀杆断裂的根本原因是因此，这种高频、低振幅的振动直接影响到阀杆的正常使用。

图1 阀杆与阀芯连接剖面图

图1 阀杆与阀芯接头

分析结果：

由于阀门前后压差变化大，当流体流经阀门内部时，由于过流面积的快速变化，以及脉动压力的影响，使流动变得不稳定。将生成阀芯。并且调节阀阀内件的每个部件都有不同阶的固有频率。当阀杆-阀芯总成的不稳定冲击频率与其一定阶数的固有频率重合时，会使阀芯在微观高频下上下摆动，导致阀杆长期疲劳失效.

解决方案和改进：

1）改变阀芯的流动特性

控制阀一般在开度比较低的时候会振动，可以通过改变控制阀的流量特性来消除振动。如果将快开特性改为线性特性，将线性特性改为等百分比特性，再将等百分比特性变为双曲线特性，在流量满足的条件下，阀门的开度可以增大。调节阀的速率保持不变，从而防止调节阀在小开度下工作，有效防止调节阀振动的发生。

2）改变安装方向

改变阀门的流向，从侧进底出到底进侧出，即把关流阀改为开流阀，通过改变流向消除振动现象，并增加阀门运行的稳定性。

3）改变阀门结构

从 ASB 抛物线平衡阀内件更改为 ABM 笼式平衡阀内件。介质流过阀芯流孔后，流量减小，相互碰撞消耗部分能量，从而实现阀门的稳定工作。

案例2：二线控制阀101-FV-03302振动

现场控制阀最常见的故障是振动。控制阀波动过大，会影响工艺的顺利运行，产品质量不合格，甚至造成事故。虽然振荡现象很常见，但其原因有很多。因此，根据2013年12月13日日二线控制阀101-FV-03302的典型故障，总结出常规的分析解决方案。方法如下：

首先检查气路，即检查气压是否符合要求，气路接头处是否漏气，定位器是否漏气等，具体步骤为：翻到说明书状态，使阀门开到一定程度，观察阀门位置是否变化。阀杆与膜片头连接处漏气，说明膜片已损坏。经检查，发现定位器进气模块处有漏气现象，随后漏气消除，但阀门仍在振荡。调整后，调节阀仍会振荡，所以在此基础上调整参数，以达到更快解决问题的目的。定位器包含PID参数，所以也相当于一个调节器，所以参数的调整会比较麻烦，解决阀门振荡的参数只需要以下几项：

1）将运行模式从“1.0自适应控制模式”切换到“1.1固定控制模式”，观察振荡现象是否减轻或消除。减少或消除，然后进行下一步。

2）调整“P1.2公差带”，定位器默认公差带设置为0.68%，振动用阀门应适当增加其公差带，但保证公差带总是比死区大 0.2%。

3） P7.0 和 P7.1 分别为打开方向和关闭方向的放大倍率。数值越高，控制速度越快，但同时也会影响稳定性。引起波动。

4） P7.2 和 P7.3 是开闭的积分时间。数值越大，控制速度越快，但也会影响阀位精度。

5）P7.4和P7.5为开闭差，使调节阀的阀杆提前启动和制动，但如果该值太大，会降低其抗干扰能力。

6） P7.6 和 P7.7 是打开和关闭方向的偏移量。如果该值很大，则会引起波动。数值小则动作速度慢（注：ABB定位器P7配置菜单中的各项主要是调节PID参数，应根据控制阀的具体振荡形式和具体情况进行设置开关阀）。

7）经过以上参数调整，阀门不再振荡后，可以保存修改后的参数，控制阀可以投入使用。如果振动现象没有减轻或效果不明显，可以对定位器中的IP模块进行专门检查，看是否有进水、受潮或电路问题。如果无法修复，可以尝试更换定位器来解决这个问题[3]。

4 调节阀的日常维护

为了降低调节阀的故障概率，日常的维护工作也显得尤为重要。列出了以下措施：

1）定位器和减压阀定期排空（油、水）。