氣動執行器在高危泵切斷閥上的應用

陳 剛

(中國石化儀征化纖股份有限公司PTA生產中心，江蘇儀征 211900)

在PTA生產中，有很多易燃、有毒有害介質需要通過泵輸送，這些高危泵機械密封運行風險大、易泄漏、不可控，在機械密封發生泄漏時，必須迅速切斷泵的進出口閥，以避免事故擴大，而部分大口徑手閥開關一次需要近20 min，所以須對易燃、有毒有害類物料的高危泵出口閥和入口閥進行改造。以氣動執行器進行控制可提高閥門的切斷速度，且距離遠，能降低人員的操作風險。

1 氣動執行器的原理和特點

氣動執行器是一種作連續旋轉運動的氣動執行元件，是一種把壓縮空氣的壓力能轉換成回轉機械能的能量轉換裝置，其作用相當于電動機或液壓馬達，它輸出轉矩，驅動執行機構作旋轉運動。在氣壓傳動中使用廣泛的是葉片式、活塞式和齒輪式氣動馬達。

氣動執行器是以壓縮空氣為工作介質的原動機，它是采用壓縮氣體的膨脹作用，把壓力能轉換為機械能的動力裝置，通常也叫做氣動馬達，如圖1所示。

各類型式的氣動執行器盡管結構不同，工作原理也有區別，但大多數氣動執行器具有以下特點:

a)可以無級調速。只要控制進氣閥或排氣閥的開度，即控制壓縮空氣的流量，就能調節馬達的輸出功率和轉速，以達到調節轉速和功率的目的。

b)能夠正轉也能反轉。大多數氣動執行器只要簡單地用操縱閥來改變馬達進排氣方向，即能實現氣馬達輸出軸的正轉和反轉，并且可以瞬時換向。在正反向轉換時，沖擊很小，如圖2所示。

圖1 氣動執行器結構

圖2 氣動執行器操作示意

氣馬達換向工作的一個主要優點是它具有幾乎在瞬時可升到全速的能力。葉片式氣馬達可在一轉半的時間內升至全速;活塞式氣馬達可以在不到1 s的時間內升至全速。利用操縱閥改變進氣方向，便可實現正反轉。實現正反轉的時間短，速度快，沖擊性小，而且不需卸負荷。其結構特征如下:

①具有寬的轉矩范圍，輸出轉矩從100～80 000 Nm，能更好地匹配不同大小閥門的使用要求;

②提供多種連接方式及尺寸，可以很好地匹配不同尺寸規格的閥門;

③動力源采用壓縮空氣，設備整體采用金屬材料，具有安全防爆、耐高溫的特點，適用于各種防爆、高溫、危險場合;

④外殼額定防護等級為塵封、防水的IP65防護等級;

⑤配備手輪及切換裝置，可方便地進行手動操作，操作方法與普通手動閥門一致;

⑥配備限位裝置和開度指示裝置;

⑦配備獨立的氣源控制箱，可在離開閥門的地方操作氣源控制箱內的手動換向閥開關閥門;

⑧執行器加裝帶緩沖墊的高度可調式支承架，避免執行器的質量及振動對管道的影響。

c)使用空氣作為介質，無供應上的困難，用過的空氣不需處理，放到大氣中無污染，壓縮空氣可以集中供應，遠距離輸送。

氣動執行器有兩個進氣口，一個主排氣口。馬達工作時從一個進氣口進氣，則另一進氣口為副排氣口，若需馬達旋轉方向改變時，只需將進氣口與副排氣口交換位置即可，所以選用的控制閥必須具備上述功能才能使馬達正常工作。在進行管道布置時，氣源與氣馬達之間的管道通徑(包括管道附件、控制閥、油霧器等)均不得小于與馬達相適應的最小內徑，且管道不得有嚴重的節流現象，如圖3所示。管道接頭處應牢固、密封，不得有泄漏現象，否則氣動馬達達不到應有的工作性能。

圖3 氣源配管圖

d)具有較高的起動力矩，可以直接帶載荷起動，功率范圍及轉速范圍較寬，功率小至幾百瓦，大至幾萬瓦，轉速可從0一直到每分鐘萬轉。

行程限位非常重要，可避免執行器開關過度對閥門閥體及氣動執行器自身造成損傷，更可確保每次開關閥門可靠。如果沒有配置此裝置，可能會導致以下后果:

①由于氣源壓力的變化導致力矩過大，損壞閥桿或閥門密封面;

②閥門全關后不能再次開閥，這是因為關閥時閥板為動摩擦，全關后再次開閥時閥板為靜摩擦，所以開閥比關閥力矩大。

2 氣動執行器與傳統的氣動馬達的性能比較

PTA裝置以前改造的部分氣動馬達由于缺少過載保護限位裝置，閥門開關到位后氣動馬達還在繼續工作，最終導致齒輪損壞。

氣動執行器是一種由氣動馬達驅動的多圈回轉執行器，吸收國外先進氣動馬達技術可實現集中遠距離控制閥門啟閉及開度調節。直接安裝在閘閥、截止閥等閥桿作多圈回轉或直線運動的閥門及其它類似設備，也可以與蝸輪蝸桿等結構的齒輪箱組合使用于球閥、蝶閥等部分回轉的閥門，可以很方便地將手動操作閥門改裝成氣動操作。

工作安全，不受振動、高溫、電磁、輻射等影響，適用于惡劣的工作環境，在易燃、易爆、高溫、振動、潮濕、粉塵等不利條件下均能正常工作。

有過載保護作用，不會因過載而發生故障。過載時，馬達只是轉速降低或停止，當過載解除，立即可以重新正常運轉，并不產生機件損壞等故障。可以長時間滿載連續運轉，溫升較小。

具有結構簡單、體積小、質量輕、馬力大、操縱容易、維修方便等特點。

3 氣動執行器與儀表控制閥性能比較

儀表開關閥具有遠距離操作、閥門切斷迅速等特點，但是儀表閥氣缸體積較大，安裝空間需求較高，同時投資高，閥門需要送到DCS來操作，需要鋪設電纜，購買安全柵和DCS卡件等系統資源;控制閥的故障率也較高，還會受到閥門失電、電磁閥故障、DCS安全柵和卡件故障等很多因素的影響，導致閥門誤動作。筆者所在的PTA裝置在PX儲罐區罐根閥改造過程中，曾經遇到正常出料的閥門因為電磁閥失電，造成閥門關閉而導致裝置停車的情況。

氣動執行器安裝體積較小，成本只有同口徑儀表控制閥一半。氣動執行器開關都需要氣源驅動，每次選擇開或關以后，閥門動作到位后就處于保持狀態，不會因為外界因素干擾導致閥門突然關閉，避免引起生產波動。氣動執行器也可以根據需要，配備防爆電磁閥和回訊器，接入DCS遠程控制閥門，閥位回訊分為開關二位式和4～20 mA模擬量連續閥位式。配備閥門控制器可實現4～20 mA模擬量輸入調節控制。

4 氣動執行器改造注意事項

高危泵截止閥有很多類型，工藝介質的工況也不同，例如溫度、壓力、閥門前后壓差等等，需要配置不同型號的氣動執行器，選擇合適尺寸和扭矩的氣動執行器，既避免投資浪費，還能保證閥門操作正常。

定期維護保養氣動執行器，檢查過載保護裝置，確保過載保護裝置起作用，以避免損壞齒輪;定期加潤滑脂，確保傳動裝置潤滑正常;定期排放氣源過濾器，以避免氣源雜質進入執行器，造成部件磨損。

由于PTA工藝介質存在高溫、高壓和強腐蝕性，閥門內件長期使用出現沖刷、腐蝕，造成閥門內漏，部分閥門無法修復需要更換新閥。不同廠家生產的工藝閥門蝸輪蝸桿連接尺寸不同，造成與現有的氣動執行器連接不上，需要重新加工連接支架，所以申報工藝閥門時，需要提供連接支架螺栓孔距，避免重復制作連接支架，造成資源浪費。

5 結語

PTA裝置的高危泵截止閥種類很多，介質的壓力等級和閥門口徑也很多，要根據實際情況選擇不同型號的氣動執行器，確保氣動執行器的力矩和開關形式能滿足生產要求。同時高危泵進出口的閥門長期處于全開、全關狀態，不需要調節閥來實現開度控制，選擇氣動執行器的投資成本較低，而且故障率也較低，能夠同時滿足化工裝置的安全要求和生產要求。

通過氣動執行器的改造，可以節約大量的人力成本，原本兩個人操作、耗時近20 min的大口徑閥門，現在只需要1個操作工、不到20 s的時間就可以實現開關。在出現介質泄漏和火災等危險情況的時候，還能夠遠距離迅速切斷閥門，以避免事故的擴大。