空壓站壓縮空氣閥門可能產生的缺陷及其危害性分析

摘要：由于壓縮空氣閥門在安全管理工作中容易被忽視，人們往往對其危害性認識不足。本文著重從壓縮空氣閥門制造與安裝使用中產生的缺陷和危害性以及治理措施等幾個方面進行論述，希望能引起空壓站管理人員的重視。

關鍵詞：壓縮空氣閥門；鑄造缺陷；運行管理

1 引言

本文所要講的壓縮空氣閥門，不是指內螺紋連接的小型閥門，而是指≥DN150/1.6MPａ的法蘭閥門，包括單向閥、閘閥和截至閥等。

中壓壓縮空氣閥門多為HT150材質，為典型的脆性材料。在空壓機運行時，空壓站內的壓縮空氣閥門要承受著與壓力容器相同的內壓，而容器材質多為鋼制，具有較強的機械性能，其強度、塑性和韌性都很高。在承受同等的壓縮空氣內壓的同時，還要承受來自于空壓機運行中的往復慣性力的震動；再加上安裝檢修中，沒有按《工業金屬管道工程施工驗收規范》要求的標準施工，使管道閥門安裝上過于強制。忽視了管道的熱脹冷縮問題，致使管道受熱后不能自由膨脹而產生外應力；又由于氣流脈動作用產生的震動（內應力），當達到一定頻率時就會產生共振，使管道閥門的振動更加劇烈，增加了管道閥門疲勞、斷裂和爆破的可能性。

2 壓縮空氣閥門可能存在的各類缺陷分析

2.1 制造缺陷分析

存在先天性制造缺陷的閥門，大多是由非定點廠生產的產品。由于非定點廠有的質量意識淡薄，有的缺乏必要的工裝設備和起碼的出廠試驗條件，閥門鑄造的質量及各項力學性能指標往往不符合國家的有關標準要求。主要的閥門制造缺陷如下：

孔眼類缺陷。如氣孔、縮孔、疏孔、渣孔、砂眼和鐵豆等。他們可能在使用中擴展成為隱患。氣孔多數分布在鑄鐵表面或近表面，呈球狀或梨狀；渣孔形狀不規則，表面粗糙，呈各種不同顏色；縮孔和疏松呈倒錐形，孔表面粗糙，多分布在鑄造體軸心部位；砂眼和鐵豆則多散步在鑄件表面。

裂縫類缺陷。此類缺陷分為熱裂紋和冷裂紋兩類。熱裂紋是在高溫下形成的，冷裂紋是在冷卻低溫下形成的。因此，前者裂口表面呈氧化色，裂紋較直，沒有分叉。它們產生的原因可能是鑄造時的化學成分偏析，或金相組織達不到GB7216－87標準所規定的最低要求，局部過硬，易在運動壓力不高時就出現閥門爆炸事故。因此這種情況應引起格外重視。

結構形狀尺寸缺陷。是指閥體鑄件是否存在多肉、澆不足、落砂、變形及損傷缺陷。

以上所介紹的所有缺陷均為澆鑄時未嚴格執行鑄造工藝規范造成的。上述各類缺陷的存在使閥體實際強度遠遠低于理論計算值，尤其是裂紋類鑄造缺陷是閥體在承壓不高時即發生斷裂爆破的重要原因。因此，閥門的管理應先從制造質量入手，并采取措施防止質量低劣產品進入使用領域。空壓站應嚴格執行鑄鐵閥門的各項指標入廠驗收合格證制度。

2.2 安裝使用不當所造成的缺陷及危害性

2.2.1 閥門管路安裝中存在的問題

一些單位在安裝或檢修壓縮空氣管路閥門時，忽視了管道的熱脹冷縮問題以及管道振動所帶來的危害。在安裝方式上，違反了工業管道施工驗收標準要求。壓縮空氣管道一端用法蘭盤與閥門連接，另一端用T型立柱支架支掌，底柱無固定，易晃不牢固；上端用金屬鋼性卡環固定，管道過于卡死。這都是較為常見的錯誤安裝方式。

閥門管道在爆破時膨脹功，瞬時所釋放的能量很大，危險性也就很大，例如一個容積為10米3 工作壓力為11絕對大氣壓的容器，如果盛裝空氣，容器爆炸時所釋放的能量約為13.3×106 焦耳；能夠將一噸重的物體舉升1360米高！可見其破壞性極大。

2.2.2碰撞摩擦造成的破壞

壓縮空氣管道中，如果不恰當地選用了旋啟式單向閥，則會產生碰撞摩擦現象。此種閥門在介質壓力處于平衡的\"拉鋸\"狀態下，使脆性材料制的閥瓣與閥座間金屬面頻繁拍打撞擊摩擦，如圖（1）所示閥瓣與閥座間的不正常工作升程曲線，其撞擊拍打頻率基本相等。

a－閥瓣顫振h－閥瓣升程高度 t－時間秒

閥瓣在氣流的作用下撞擊閥座，增加閥瓣應力，閥瓣與閥座加劇磨損導致閥瓣破碎閥們提前損壞。撞擊還能發出更大的噪聲。甚至產生火花。如果管道閥門內存有一些油污積炭灰尖等物質與壓縮空氣混成霧狀，在加上管道溫度較高，及有可能易燃引起爆炸。爆炸產生的沖擊波可使管道中壓強增加到正常值的幾十倍，往往導致管道中最脆弱的部件鑄鐵閥門首先被破壞，造成閥體爆炸傷人的惡性事故。

3鑄鐵壓縮空氣閥門爆炸時的能量估算

現假設有一個規格為DN150mm的法蘭壓縮空氣閥門突然發生爆炸，我們可以將該閥門及閥門后通向儲風罐的全部管道共同視為一個容積為1.2m3的假想密封程壓容器（因為在爆炸瞬間閥門后至用氣設備的管道內的壓力也立即降為常壓，其能量也隨之轉換為爆破能量并在瞬間釋放）。當閥門爆破時，假想容器內氣體介質釋放出來的能量一般來不及與容器外物質進行能量交換，即該容器爆炸時內部介質處于絕熱膨脹過程，用理想氣體絕熱膨脹做功的方式來進行計算，根據工程熱力學原理飽和氣體在絕熱過程中所做的膨脹功為：

式中，W 飽和氣體膨脹做功，KJ

P——飽和氣體對壓力，可取為8.0×105Pa

P0——標準大氣壓，估算時近似取1.0×105Pa

V——飽和氣體的容積，可近似為假想容器的容積，即V=1.20m3

K——氣體的絕熱指數，即氣體的定壓比熱與定容比熱之比值，對于濕飽和氣體K=1.035＋0.1x，

X——為氣體干度。

假設容器標準前飽和氣體干度為90%，即絕熱指數K=1.053＋0.1×0.9=1.125

而1kgTNT當量約為4270KJ，則W=0.371kgTNT當量。可見，對閥門爆炸的破壞性切不可小視。

4預防壓縮空氣閥門破壞的具體措施

JB2638-81《鍋爐承壓灰鑄鐵件技術條件》第25條明文規定，鑄件不允許有裂紋及穿透性氣孔，承壓部位不允許有縮孔、砂眼、澆不足等其他缺陷。這就要求閥門生產廠家嚴格按照鑄造工藝進行操作，杜絕超標缺陷，特別是裂紋類缺陷。

安裝單位在施工中嚴禁強力組裝閥門，應確保與壓縮空氣閥門相連的管道在水平和垂直方向上能自由伸縮膨脹，管道閥門的安裝應嚴格按照《工業金屬管道工程施工驗收規范》GB50325-1997的規定執行。安裝單向閥要根據介質的特性選擇安裝，禁止金屬面相互碰撞摩擦管道發生劇烈振動應采取短管支承長度，底座固定要牢固，震動大時，用管卡緊固與壓縮機連接的管路，還要考慮氣流脈沖引起的震動。必要時，增設節流孔板，降低氣流脈沖值，可消除共震現象。

使用單位在每年的空壓站例行檢修中，應對空壓站內所有規格≥DN150mm的壓縮空氣閥門、安全閥做一次工作壓力水壓試驗，使用期達到6年的閥門做一次1.5倍的工作壓力試驗和氣密性試驗。

壓縮空氣閥門要定期檢驗，每年至少效驗一次。定期檢查工作包括清洗、研磨、試驗、效正和鉛封。同時應定期對部分壓縮空氣閥門抽樣做硬度測定，測定硬度即可無損傷地測得閥門的機械性能，也可檢查材質在使用過程中是否存在老化現象。

硬度的測定應在有針對性的部位取點，即有疑點的閥體外形突變處及受力狀況最差的部位。測量應取每點多次測量的平均值。下列3種常用灰鑄鐵材質的硬度范圍如下：

HT150：HB143～HB241

HT160：HB160～HB255

HT250：HB167～HB260

需要指出的是，用一種牌號的鑄件不同厚度處的硬度值是不同的。只要鑄件硬度在允許范圍值內，則說明其主要機械性能基本合格。

每年至少一次對管道閥門的污垢積炭進行徹底清除和檢查。容器在運行過程中，啟閉出風閥門要緩慢，避免開啟過快，保證操作壓力平穩。出風閥門要掛牌標明閥門是否啟閉，以作警示，防止誤操作釀成惡性爆炸事故。

在空壓機運行中，應盡量保持壓力的平穩，盡量避免頻繁啟停車，防止氣壓大幅度波動，從而使鑄鐵閥體及壓力容器少受疲勞影響。

參考文獻

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