氣動薄膜調節閥膜頭漏氣的預判斷、分析及處理

劉錦民　王小偉　滕志君　闞愛兵　劉　杰

(甘肅銀光聚銀化工有限公司甘肅白銀730900)

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氣動薄膜調節閥膜頭漏氣的預判斷、分析及處理

劉錦民王小偉滕志君闞愛兵劉杰

(甘肅銀光聚銀化工有限公司甘肅白銀730900)

化工生產過程中，調節閥的開度直接影響產品質量和生產的安全穩定，故對調節閥開度的精確控制要求很高。調節閥膜頭運行頻率高，如果維護不當，長期運行時易造成膜頭內件損壞而出現漏氣，使調節閥調控失準，影響生產正常運行，進而造成經濟損失。因此，生產運行期間，及時發現調節閥膜頭漏氣、分析判斷原因及預處理故障十分重要。

1氣動調節閥執行結構工作原理

氣動調節閥執行結構工作原理：執行結構將控制信號轉換成相應的動作，以控制閥內截流件位置的調節結構裝置，按照信號壓力的大小產生相應的推力來推動推桿移動，帶動閥芯動作。按動作方式分為直行程和角行程。

氣動調節閥是以壓縮空氣為動力源的調節閥。氣動薄膜執行結構由上膜蓋、下膜蓋、橡膠膜片、推桿、支架、彈簧、彈簧座及彈簧罩等部件組成。氣缸支架支撐下膜蓋，內部排放彈簧座及彈簧，彈簧罩平衡反扣在彈簧上，頂部彈簧緊固螺母，將橡膠薄膜和彈簧罩緊固在推桿頂部，保證彈簧輕微壓緊而不發生位移；在底部，推桿O形圈和密封潤滑油在推桿倒角處抱緊推桿，并密封完全，彈簧安裝在彈簧座上；根據調節閥的正、反作用和薄膜在上、下膜蓋內的安裝位置，在緊貼薄膜的膜蓋上安裝排氣口，實現氣缸完全密封。膜片由丁腈橡膠、中間夾尼龍的絲織物組成，調節閥工作環境溫度為-30～60 ℃。在全行程范圍內，所有彈簧的伸縮長度或倔強系數完全一致，保證執行結構的線性度好或調解準確；如果薄膜損傷或彈簧受損，會導致氣缸竄氣。目前，國內調節閥多采用HA多彈簧精小型氣動執行結構，與傳統ZMA執行結構相比，具有質量輕、高度小、結構緊湊、裝校簡便、動作可靠及輸出力大等優點。

氣動執行結構的作用原理：調節閥定位器接受0.02～0.10 MPa(或4～20 mA)的標準信號，輸出0.02～0.24 MPa的氣信號至薄膜氣缸內，以驅動氣動執行結構進行工作。氣源壓力在薄膜上產生推力，使推桿部件移動，并壓縮彈簧，直至彈簧的反作用力與信號壓力在薄膜上產生的推力平衡為止，此時推桿的移動就是氣動薄膜執行結構的位移。當控制系統輸出信號增大時，定位器中的背壓腔內壓力增大，通過氣動放大器的放大作用，將氣源放大并輸送到執行結構膜頭內部，使執行結構推桿向下運動，推桿帶動反饋凸輪杠桿與凸輪旋轉，彈簧的壓縮力增大，產生反向推力使閥芯向左運動。當彈簧的壓縮力與膜片的推力相等時，定位器處于平衡狀態，定位器不進氣也不排氣，膜頭排氣口停止排氣。當控制系統輸出的氣壓信號減小時，定位器中的背壓腔內壓力減小，通過氣動放大器的作用，減少輸送到執行結構膜頭內部的氣源，排出執行結構膜腔內的氣壓，使得推桿向上運動，推動帶動反饋凸輪旋轉，彈簧的壓縮力減小，閥芯向右運動；當彈簧的壓縮力與膜片的推力相等時，定位器處于平衡狀態，定位器不進氣也不排氣，膜頭排氣口停止排氣。

2調節閥膜頭漏氣的故障判斷方法

2.1DCS曲線判斷法

化工設備或者管線內壓力是調節閥在工藝調控要求下滿足工藝運行的目標。DCS曲線是利用DCS集中監控工藝運行狀況參數和閥門開度變化的控制曲線。調節閥前、后工藝控制點上的壓力變化是調節閥開度變化作用的結果，壓力曲線能間接反映閥門的開度變化。若膜頭漏氣，在程序規定時間內無法正常調控，壓力必然異常，導致曲線紊亂，故觀察某控制點連續時間段內的曲線，根據壓力變化情況，可直接判斷出漏氣閥門的位號。另外，閥門開度的歷史趨勢能直接反映閥門調控狀態，根據調控調節閥開度曲線對閥門運行狀況進行快速實時監控；然而，此工作量大，監控畫面多，給生產操作帶來不便。

壓力曲線的突變異常間接說明調節閥調控異常，結合開度變化曲線異常的閥門，鎖定故障閥門。如果膜頭漏氣，造成閥門緩慢，調控異常，甚至閥門停運。按照曲線異常的嚴重程度分為輕微漏氣和嚴重漏氣。輕微漏氣時，調控動作延時和壓力曲線異常不大或者閥門開度曲線變化緩慢，曲線出現“毛刺”或“拐角”，可觀察運行；嚴重漏氣時，閥門無法達到調控需求和滿足工藝需求，曲線出現“凸出”或“棱角”，需停運閥門，被迫檢查維修。

2.2現場判斷法

調節閥膜頭漏氣時，儀表風從排氣口或漏氣口非正常持續排出，發出穩定、有規律的聲音。損壞部位越嚴重，密封性越差，泄漏口越大，流速越快且泄漏聲越大。現場判斷法根據閥門儀表風竄氣部位、氣流大小及連續性、聲音高低等情況作出初步判斷；繼而觀察運行狀態，根據執行結構原理進行分析，結合故障處理經驗判明原因。由于竄氣聲音高低和氣流量無法準確測量，所以無法精準判斷出原因；但由于氣缸結構簡單，可判明故障原因，為生產期間閥門的預檢、預修和維持正常運行，以及及時發現、處理故障贏得時間，不會造成故障終止(指故障導致無法運行)判斷。因此，現場判斷法是膜頭漏氣最有價值和直接有效的判斷方法之一。

(1)上、下膜頭損壞后膜頭漏氣的判斷。上、下膜頭損壞使膜頭無法密閉，儀表風從上膜頭、下膜頭、彈簧、儀表風的損壞口直接排出，造成調節閥推力減少，閥門調控開度時嚴重緩慢，甚至無法動作，直接導致閥門故障終止。該情況下故障發生的可能性較小，但還會發生。

(2)彈簧斷損后膜頭漏氣的判斷。調節閥根據膜頭大小其彈簧分為4組、6組、8組等，當彈簧斷損1～2組時，膜頭推力減小，導致達到控制開度目標延時。當閥門開度穩定、膜頭內部作用力平衡時，排氣口持續漏氣，但由于漏氣量小、流速低、壓力小，幾乎沒有聲音，觸摸時才能發現。如斷損根數較多且集中偏向一面，氣動薄膜動作時側面塌陷，儀表風從排氣口縮徑處擠壓持續排出；觸摸時漏氣量越大、流速越高、沖擊力越大，持續擾動聲越大，說明彈簧損壞越嚴重，斷損根數越多，此時閥門已無法調控，導致閥門故障終止，需盡快解體維修。

(3)氣動薄膜損壞后膜頭漏氣的判斷。調節閥膜片輕微損壞時(一般是膜片表面橡膠磨損、出現裂紋或頂部螺母緊固處磨損)，此時閥門能滿足工藝調控要求，動作延時不明顯。當閥門開度穩定時，膜頭內儀表風直接通過氣動薄膜，從排氣口擠壓持續竄氣外漏，但漏氣量小、流速低、壓力小，幾乎沒有擾動聲，觸摸時才能發現。當薄膜破損嚴重時，聲音較大；觸摸時，竄氣量越大，流速越高，壓力越大；持續擾動聲越大，沖擊力大，說明薄膜損壞越嚴重，此時閥門已無法調控，導致閥門故障終止，需盡快解體維修。

(4)彈簧罩預緊螺母松動后膜頭漏氣的判斷。彈簧罩預緊螺母松動造成氣缸內彈簧罩、膜片上下活動，由于彈簧伸縮長度不同，儀表風通過薄膜和彈簧組的傾斜部位竄出，調控動作延時不明顯，能滿足工藝調控要求。當閥門動作或開度穩定時，膜頭內部儀表風從排氣口持續漏氣。由于漏氣量小、流速低、壓力小，幾乎沒有聲音，觸摸時才能發現。如果脫絲越嚴重，漏氣量越大、流速越高、壓力越大、持續擾動聲越大，觸摸時沖擊力大，此時閥門已無法調控，導致閥門故障終止，需盡快解體維修。

(5)推桿密封圈損壞后膜頭漏氣的判斷。推桿密封圈輕微損壞后，膜頭底部一直漏氣，損壞較小時，發出聲音較小或者沒有聲音，只有觸摸下膜頭推桿處，感觸到漏氣才會發現，此時觀察運行，一般不會對生產造成影響。如果損壞部位增大或損壞已經較大時，會發出氣流聲，甚至較大的聲音，此時需對閥門停運檢修，并更換密封墊。由于推桿密封圈屬于靜密封，且密封件厚、材質較好，一般損壞的可能性較小。

3調節閥膜頭漏氣統計

2012年1月至2015年10月中旬調節閥膜頭漏氣情況統計見表1。從表1看出，調節閥膜頭漏氣故障頻發，對生產安全穩定、連續運行帶來嚴重隱患和威脅。調節閥膜頭損壞、彈簧斷損、氣動薄膜損壞、彈簧罩預緊螺母松動、上下膜頭間密封墊損壞共導致膜頭漏氣56次，生產線無法正常運行，尤其是沒有旁通控制的調節閥，故障嚴重時直接導致生產線停車；另外，由于使用年限增加，膜頭內件老化嚴重，竄氣臺數明顯增加。調節閥膜頭損壞、彈簧斷損、氣動薄膜損壞嚴重時，隨時可能導致閥門故障終止，進而生產線停運。只有長期觀察，提前發現漏氣現象，觀察運行狀態，預判斷、分析原因，在閥門故障終止前予以維修，可避免生產事故發生。對不同規格的調節閥膜頭各內件準備備件，降低閥門維修的難度，縮短維修時間；對沒有旁通控制的調節閥應增加旁通，可有效降低閥門故障后導致生產線停車的次數。

表1　2012年1月至2015年10月中旬調節閥膜頭漏氣統計

4調節閥膜頭漏氣判斷處理案例

2015年10月17日，現場發現調節閥(HV3502)排氣異常，檢查確認排氣口持續排氣，觸摸時沖擊大，調控動作沒有延時，分析是由于該閥門膜頭內彈簧斷損、膜片損壞或彈簧罩預緊螺母松動原因造成漏氣。由于該調節閥設計有旁通，且切除系統程序停運該閥，準備充分，對氣缸解體檢查，彈簧完好，氣動薄膜損壞。更換膜片后投運，生產運行正常，沒有對生產線造成明顯的影響，消除了生產隱患，保證了生產線連續安全穩定運行，產品氣質量合格，后工序穩定運行。

5結語

調節閥膜頭漏氣原因有：氣缸損壞、彈簧斷損、活塞板斷裂、活塞固定螺母松動、推桿O形圈損壞等。漏氣后調控過程中，動力氣體流徑、氣流聲音及排氣量異常，容易發現故障。但漏氣聲音高低和排氣量當前無法測量對比，且異常位置變化不大，不易準確判明原因，需要不斷總結經驗，堅持定期檢查、排查閥門狀況，多觀察思考，結合故障判斷方法和工作原理，快速分析和判斷，完全能夠精準判斷出原因，有效維護閥門的正常運行，為調節閥膜頭搶修創造條件，贏得時間。

DCS曲線判斷可提前鎖定故障調節閥位號，對其運行狀況實施有效監控，但無法判斷出閥門故障狀況，需進一步現場判斷才能判別原因；另外，由于監控畫面和人力資源有限，無法實現對全部調節閥開度曲線同時監控。因此，DCS曲線判斷不是調節閥膜頭故障的最佳預判斷方法。

現場判斷法對膜頭漏氣的閥門及時排查，重點對漏氣現象和開關狀態仔細觀察，不斷總結經驗，提高技能和預判斷的準確性、及時處理是維護調節閥正常運行的最重要有效的途徑之一，且人力資源和系統投資低，預故障判斷明確，發現故障早，為故障處理創造條件。另外，在2013年檢修期間，對沒有旁通控制的調節閥增加旁通后，進一步為閥門故障的處理創造了良好的條件。通過現場判斷法，不斷總結經驗，生產運行期間及時發現并成功預處理了調節閥膜頭漏氣故障，完全避免了因膜頭漏氣嚴重而導致的故障。

(收到修改稿日期2015-12-10)