電動閘閥閥桿拉斷故障原因分析

（1國土資源部海洋油氣資源和環境地質重點實驗室;

2青島海洋地質研究所，山東 青島 266071）

摘 要：近年來發生了多起電動閘閥閥桿拉斷事件，給設備安全運行造成了隱患。本文結合電動閘閥控制系統及閥門結構特點、故障現象規律，對發生閥桿拉斷故障的原因進行了分析，并提出改進措施。

關鍵詞：電動閘閥;閥桿拉斷;原因

0 前言

電動閘閥是船舶的重要設備，由于受安裝空間及其使用條件的限制，要求閥門必須具有結構緊湊、體積小、質量輕、耐傾斜搖擺、抗沖擊、工作性能可靠、使用壽命長和便于維修等特點。近幾年發生的數起閥桿拉斷事件均是在例行閥門狀態檢查時發生的，并未造成嚴重后果。為避免類似事件的發生對船舶安全造成影響，我們對閥桿拉斷的機理進行分析并提出相應的改進措施。

1 傳統觀念上對全封閥閥桿拉斷故障原因的解釋

電動閘閥控制系統存在安全隱患。早期電動閘閥的位置指示部件由一根與閥桿相連的磁性導桿（指示標），與上、下兩組自耦變壓器（上部罩子內的兩組線圈）構成。為了減少干擾并獲得穩定可靠的開關閥信號，其控制線路使用的是交流220V/400Hz中頻電源作為電源。在進行閥門操作之前，應將電動閘閥動作所需的交流220V/50Hz、220V/400Hz、三相交流380V/50Hz三種電源全部供齊才能確保其可靠動作。此外需注意的是，使用開閥控制繼電器JK的常開觸點控制開閥接觸器CK完成開閥控制與保護，由JK常閉觸點控制CK[1]。由于JK觸點的接法不同，會產生以下幾種狀態：

1.1 對于使用JK常開觸點CK來說

（1）如果中頻電未供齊或閥門控制插件未插，顯示電動閘閥開，關閥指示燈全亮，且不能進行任何操作，相對閥門來說是安全的;（2）閥門控制插件上干簧繼電器選擇開關全部關閉（干簧繼電器不起控制作用）時，任何情況下開、關閥信號均不顯示，且閥門無開關保護。

1.2 對于使用JK常閉觸點控制CK來說

（1）如果中頻電未供齊或閥門控制插件未插，顯示全封閉電動閘閥在關閉位置，且能進行開閥操作，易造成閥門過度開啟;（2）閥門控制插件上干簧繼電器選擇開關全部關閉（干簧繼電器不起控制作用）時，任何情況下開、關閥信號均不顯示，但閥門可以開啟，不受保護。

由此可見，電動閘閥的控制線路在設計上存在一定的安全隱患，且相對于使用JK常開觸點控制CK的線路來說，使用JK常閉觸點控制CK的安全性更低。閥的閥桿拉斷事件的控制回路就屬于后者的類型，且當時的確出現過疑似中頻電未供齊或閥門信號插件損壞的故障現象，顯示閥在關位，進行開閥操作數次后關閥燈仍不滅。拆檢閥門時發現閥桿已斷裂，且磁性閥位指示導桿彎曲變形，故障分析認為由于控制系統設計缺陷導致判斷失誤造成的閥門過開，超過閥門開啟極限后首先頂彎磁性導桿，之后在電機的驅動下繼續開閥，在閥頭限位對開螺母的卡阻下將閥桿突然拉斷[2]。

2 電動閘閥閥桿拉斷故障的力學分析

閥門在設計階段需對各零部件的性能參數進行反復計算驗證，必須保證各部件在力學性能、化學性能等方面具有較高的可靠性;還應當考慮在極端情況下如閥門卡滯、過開等情況時設置保護措施，這種保護措施可以是故意設置薄弱點以保護重要部件，但故意設置的易損部件應當是容易更換和維修的，或者易損件被破壞后不會對系統造成安全威脅。但從已發生閥桿拉斷故障的閥門來看，如果在閥桿T型槽部位是故意設計的閥桿薄弱環節，則一旦由于閥門卡阻或過開，需保護閥門傳動機構而使T型槽部位發生斷裂，那么限位對開螺母很容易脫落掉入回路當中造成嚴重后果。若電動閘閥在設計時已充分考慮發生過開事件時可能發生的各種隱患，則閥桿T型槽部位肯定不是在設計階段故意設置的閥桿薄弱環節。

以通徑65mm電動閘閥閥桿為例進行計算，看看單憑電機扭矩能否將閥桿最薄弱處拉斷。為方便計算，閥門傳動系的摩擦忽略不計，且閥桿截面上的應力計算忽略不均勻分布的因素，電動閘閥閥桿抗拉強度σb為700至1000MPa，整個閥桿受拉應力最大的部分應為橫截面積最小處，根據圖紙尺寸數據可算出閥桿T型槽頂端（實際發生拉斷故障也是發生在這個部位）最小橫截面積S=296mm2，滾珠絲杠副螺紋有效直徑為D=25mm，螺距為P=6mm，可計算出螺紋升角

λ==4.26°

假設閥頭卡死，閥門驅動電機工作在最大負荷下，其輸出轉矩為2Mmax=90Nm，轉矩傳遞到閥桿滾珠絲杠副中無損耗，則閥桿承受的最大拉力T為：

T==98638N

因此，閥桿最薄弱處受到的最大拉應力σmax為：

σmax==333MPa

最大拉應力遠小于材料的抗拉強度700MPa，因此通徑65mm的電動閘閥如果在閥頭出現卡滯、閥桿無缺陷的情況下，驅動電機的力量是無法將閥桿直接拉斷的，而通徑65mm以上的電動閘閥由于電機輸出扭矩相同，且閥桿最小橫截面均大于上述用于舉例的閥桿最小截面，因此也不可能發生由于閥門過開或閥頭卡死而直接將閥桿拉斷的事故，一旦發生閥頭卡死的現象，理論上分析只會造成電機堵轉，嚴重時會減少電機使用壽命甚至燒毀電機線圈，但更換和修復電動閘閥的驅動電機是比較容易的，這可能也是在閥門設計過程中考慮過的[3]。

3 電動閘閥閥桿拉斷的原因

由于閥門的驅動電機無法拉斷一根完好的閥桿，那么造成閥桿斷裂的原因只能是閥桿由于某種原因已產生缺陷后被電機拉斷。幾起閥桿拉斷事故的閥桿斷裂截面都存在相似的現象，具體過程分析如下：

（1）閥桿T型槽部分形狀相對復雜，在加工制造過程中使用車、銑等工藝制作閥桿截面突變部位時易形成較深劃痕。

（2）閥門在關閥位置進行開啟的瞬間，電機啟動轉矩應當是其最大扭矩，考慮到閥桿與閥頭存在裝配間隙，電機在某些情況下是空轉了一小段距離后突然受到一個沖擊載荷，因此閥桿瞬間受到的平均拉應力很可能要稍大于電機最大輸出轉矩下造成的拉應力。

（3）實際情況下開閥瞬間閥桿截面突變處應力分布不均，在開槽部位附近會出現應力集中的現象，正常情況下這種應力集中產生的最大應力應當在設計允許值之內，但當存在第一條當中所說的較深劃痕或其它材料缺陷的情況下，缺陷處的應力會大大增加，開閥瞬間形成的沖擊將形成足以破壞閥桿材料完整性的應力，并在此處開始形成裂紋，裂紋根部又會產生更為嚴重的應力集中，同時T型槽作為限制閥桿發生軸向運動的卡槽，在槽上部還受到一定程度的扭力作用，復雜的受力狀態為下一次開閥埋下隱患。

（4）在長時間的閥門使用過程中，每一次閥門開啟的瞬間都會導致裂紋進一步擴展，不斷擴展的裂紋形成了在斷裂截面照片中看到的縱向波浪狀條紋，能看到的條紋的輪廓既是上一次的裂紋根部，又是下一次裂紋的開始。

（5）隨著裂紋的不斷擴展，閥桿的有效抗拉截面不斷減小，同時所受的拉應力不斷增大，直到面積減少到一定程度導致閥桿所受拉應力超過材料抗拉強度時，閥桿被突然拉斷，形成斷裂截面右半部分細小顆粒狀表面。

閥桿材料的抗拉強度最低約為700MPa，而一根完整的閥桿截面最小處所受的平均拉應力約為30MPa，當裂紋擴展導致閥桿T型槽部位有效抗拉截面減少到原來的一半左右時，電機的轉矩就足以將閥桿拉斷。因此，閥桿拉斷的原因可以歸納為：由裂紋不斷擴展導致閥桿有效抗拉截面減小，直至截面積小于許用值造成閥桿突然斷裂。且斷裂發生的時機為閥門開啟的瞬間，多數情況下閥桿斷裂時閥門并未開啟，斷裂碎片落入回路中的可能性較小。

4 預防措施

為避免電動閘閥閥桿拉斷故障，可以從以下幾方面進行預防：

（1）改進電動閘閥控制線路，消除過開隱患，減少閥桿受較大沖擊的幾率;

（2）嚴格按規定進行操作，防止由于誤操作導致閥門損壞，同時減少不必要的開關閥操作次數，延長閥門使用壽命;

（3）適當減小閥門位置指示磁性導桿的長度，使其在閥桿對開螺母到達限位時也不至于接觸到閥頂屏蔽套，避免破壞一回路邊界;

（4）閥桿開槽部位改為圓角設計，盡量減少應力集中，減少閥桿斷裂幾率。

5 結束語

在實際運行使用中，電動閘閥閥桿拉斷的原因與閥桿材質與電路控制有直接關系，在使用過程中主要應從這兩方面進行維護保養，出現故障時也應從這兩點出發進行分析，找出原因，及時排除故障，保證其正常運行。

參考文獻：

[1]杜銀泉.遠程GPRS閘閥控制系統研究與開發[J].科技創新與應用，2014（36）：32.

[2]戴學祥.閘閥與止回閥組合的多用閥結構設計[J].閥門，2013（06）：7-8.

[3]申會芹.超高壓采氣井口平板閘閥密封結構技術研究[J].石油機械，2011（10）：35-37.