浅谈闸阀的常见故障分析与改进措施

1、概述
闸阀以其耐压、耐温(高低温)、耐腐蚀(多种材料配置)、具备双向密封功能、耐磨损和使用寿命长等优点越来越广泛地应用于各类工业系统,实现介质的开启与关闭,为系统的稳定与控制发挥了重要的作用。

2、分类
以国产常见标准的明杆闸阀的闸板形式分类(新结构未列入),其主要有Z40、Z41、Z42和Z44等结构(图1)。用户选型时应以工况要求为原则,参考选择合适型号。并在安装、调试和维护等方面规范操作,以避免或杜绝事故的发生。
(a)Z40型楔式弹性板闸阀　(b)Z41型平行式单闸板闸阀　(c)Z41型楔式单闸板闸阀(d)Z42型楔式双闸板闸阀　(e)Z44型平行式双闸板闸阀

3、常见事故
3.1、阀杆断裂或变形
(1)断裂
阀杆断裂一般发生在上下螺纹根部,此处截面积最小,易出现应力集中及超标现象。尤其当工作条件较大地偏离设计参数时。如某电厂曾多次发生DN175电动闸阀开启后阀杆梯型螺纹退刀槽处拉断的事故。调查发现,阀门的阀盖预紧螺母松动,阀盖上移,阀杆螺母卡住,显然这是电装行程调试过位,保护力矩过大引起的事故。
另一类阀杆断裂事故则发生于开启瞬间。表现为闸板尚未脱离阀座,阀杆即在上或下螺纹根部断裂。其原因通常认为是闸板卡住,这其实只是部分原因或次要原因。一个重要原因是阀体中腔关闭后的异常升压,亦即阀门关闭后,封闭于上下游两侧密封面之间的中腔流体压力远高于上游压力的现象。
产生这种现象有两种原因。其一中腔流体被上游流体加热升温发生膨胀,导致压力剧烈升高。其二闸板关闭瞬间流体封闭于中腔,无法外流,中腔空间被阀杆进一步挤压,由于液体的可压缩性十分有限,也会使压力剧增,这一现象尤其易发生在发电厂的Z962类主给水闸阀上。同时,其异常升压一般会成几何级数增加,远远超过阀杆强度设计极限。
(2)变形
阀杆弯曲一般出现在电动阀门电装调试不当时,如关闭力矩过大又未设行程保护或失调等,其对阀门的破坏非常大。
3.2、泄漏
(1)外漏
阀门壳体一般采用铸件加工。虽然锻件可以代替铸件用于高温高压工况,但受工艺或成本的限制,大规格壳体通常用铸件制造。由于铸件存在气孔、夹渣、裂纹、缩松和疏松等大量缺陷,这些缺陷在阀门的运行中会随时暴露,成为威胁安全运行的隐患。某电厂2007年统计数据表明,阀门外漏事故中,37%为壳体铸造缺陷引发。其余则为阀杆、中法兰及端法兰密封出现故障引发。
密封件损坏也将导致系统介质大量外漏。如阀杆密封处外漏一般由填料压板的活节螺栓未及时压紧引起,一旦发生常导致重大事故。另一个原因是阀杆表面因处理工艺或材料选择不当被介质腐蚀或填料不合格腐蚀了阀杆密封表面。阀杆上下运动会由其表面锈蚀处带出填料微粒,反复多次即出现填料间隙泄漏,此时如维护不当,高压或高速介质在极短时间内将填料冲出,形成泄漏。同样,以石墨不锈钢丝缠绕材料作密封件的高压自紧密封阀门及以不锈钢带石墨缠绕垫的中法兰密封阀门亦应防止此类情况的发生。再一个原因也常引起介质的大量外漏,即填料压盖与阀杆间配合间隙过大,阀杆上下运动过程中,会因间隙过大反复摩擦填料带出微末,最终使填料压紧比压下降,导致泄漏。
(2)内漏
引起阀门内漏的原因很多,新阀门运行不久即发生内漏和关不到位,应为密封面夹杂异物。因此新安装阀门产品投运前认真检查,仔细冲管可减轻这类事故的发生。
3.3、闸板故障
(1)卡塞
闸板卡塞表现为闸板卡在阀体中腔导轨侧,甚至与阀杆脱离,主要因设计制造不良引发,如导轨接触宽度过短或过长,导轨表面粗糙等。当闸板卡塞在阀座中,而阀杆强行上提时,常常出现闸板T形槽断裂或变形,避开“异常升压”因素,另有温差与关闭力两大原因值得注意。典型的温差工况如阀门在冷态关闭热态后再打开,由于阀杆受热膨胀伸长使闸板进一步压紧,增大闸板的关闭力矩,导致闸板楔住。如热态关闭,冷态打开时,由于两侧阀座热变形引起裆宽变大,冷态則收缩变小,从而导致闸板楔住。上述两种状态如伴随“关闭力”过大,即关得过紧,如电装驱动调试不当或不适当地使用增力机构如扳手或杠杆等,则发生闸板楔住的几率增大。
(2)撞裂
闸板撞裂(或底部变形)主要出现在Z944/Z964平行板式结构产品中,闸板底部直接撞击阀体底部时发生,多由于电动阀门电装调试不当,关闭行程未设限位或限位失灵时极易发生。
(3)密封面裂纹
密封面裂纹主要出现在合金钢材料的阀门中,常常由于工艺不合理导致。合理选材及合理控制焊接工艺参数可避免。

4、分析与对策
4.1、设计与制造
①国家标准中对闸阀无开度标识要求,普通阀门只能凭手感判断开度,这在许多场合不尽合理。建议阀杆端部设计限位装置,防止阀门过度关闭。
②阀杆强度多处减弱,承载能力降低。如螺纹退刀槽根部等,这些部位在中腔异常升压时常常最先断裂。建议DN350以上电动阀门阀杆直径应适当加大,同时加工装配应提高支架上下同轴度,并合理选择电动装置的启闭力矩值。
③现行闸阀国家标准中对中腔异常升压现象未涉及,未提出设计内旁路或外旁路的要求,导致升压无法泄放,使用中常出现事故。建议温差较大时,采用平板阀门为宜。
④采用铝青铜制造阀杆螺母时,当电装转速较快或启闭较频繁时会很快磨光螺纹牙面,导致阀门无法动作。建议设计时适当增多牙数,有效润滑,并定期维护更换。对于重要阀门应采用合理的填料密封组合,重要的配合面间隙(如自紧密封阀门的阀体与阀盖的配合间隙、阀杆与填料压盖的配合间隙、填料压盖与阀盖配合间隙等)和位置公差(如阀盖与支架的上下同轴度、法兰螺孔位置度等)应严格控制。
⑤限于目前的工艺水平,建议重要的高温高压阀门壳体采用全锻钢或锻焊结构制造。阀门的零部件材料应严格按照相关标准选用、检测和处理。
⑥导轨加工时应去除棱角,两侧保留充分的结合面,以保证闸板严重偏移也不会脱离导轨。
⑦选择合适的密封面材料和硬度匹配,加工中保证表面粗糙度、平面度和吻合度符合要求。阀杆表面处理要达到设计要求,以防其表面锈蚀、腐蚀或镀层早期脱落。
4.2、安装与调试
①建议在重要的高压大口径阀门上下游间增加旁路装置以降低启闭压差,减轻启闭瞬间闸板对密封面的擦伤,同时有利于减小电装力矩,降低制造成本。
②中腔安装安全阀是控制异常升压的有效措施,既可保护阀门启闭件,又能维护系统的安全运行。另外在上游侧与中腔间安装外旁路或闸板上游一侧开泄压孔均是有效的可行手段。
③管道冲洗应彻底,以免管内杂物(如铁屑,焊渣,焊条头,螺母等)轧伤密封面。
④推荐闸阀阀杆垂直向上安装,倾斜安装会增加闸板卡住的几率。水平安装时应有安装支架支撑电装,并在安装时校正阀杆。
⑤电动闸阀安装调试时应由专业人员认真按要求操作。开启行程过大或保护力矩过高的后果是拉断阀杆或阀杆螺母卡住等。正确的做法是用手轮调定开启位置,用力矩保护,一般保护力矩控制在20%～30%。关闭行程过大,启闭力矩过大的后果是闸板在阀座中楔住,而启闭力矩过大则可能导致拉断阀杆、闸板T形槽断裂、阀杆螺母卡住等。
正确的做法是用手轮调定关闭位置后适当上提闸板1～3mm(主要对高压阀门),这样可避免中腔异常升压导致的开启力矩过大。平板闸阀关闭行程过大常常会撞裂(或变形)闸板。调试时调定其关闭行程位置即可,并不需过大的关闭力矩。
4.3、运行与维护
①建议启闭力矩大于400N·m的阀门应采用增力机构设计,如齿轮机构、撞击手轮、带轴承的阀杆螺母等。电装选型时应预留30%～50%的力矩裕度,不推荐采用气动型楔式闸阀。
②自紧密封设计的阀门运行一段时间后应再紧固预紧螺栓,防止压力波动时阀盖下沉引起介质外漏,冲出自密封圈。运行过程中应对填料压紧螺栓和中法兰压紧螺栓进行正常维护,及时紧固。对轴承机构、各类螺纹处定期润滑,及时去除灰尘污垢。定期动作试验(重要阀门应经常启闭测试其动作性能,防止锈蚀卡涩,及时发现隐患),定期检修(重要阀门应定期检修,检查维护其密封面、驱动机构、密封圈等重要关键部位),建立设备维护记录档案。