程控閥氣缸竄氣的快速判斷、分析及處理方法

劉錦民 丁波 崔曉錦 韓智煒

(甘肅銀光聚銀化工有限公司甘肅白銀730900)

程控閥氣缸竄氣的快速判斷、分析及處理方法

劉錦民 丁波 崔曉錦 韓智煒

(甘肅銀光聚銀化工有限公司甘肅白銀730900)

甘肅銀光聚銀化工有限公司現有3套變壓吸附(PSA)裝置，在正常生產過程中，程控閥氣缸竄氣是造成變壓吸附裝置不能正常運行的主要因素。由于程控閥氣缸結構復雜、密封件較多且閥門開關頻率高，造成各密封件磨損嚴重，甚至損壞，導致氣缸竄氣頻率較高。所以，生產運行期間及時發現氣缸不同部位的竄氣，對于分析判斷故障原因并盡快處理十分重要。而程控閥作為PSA裝置運行中最重要的控制設備，對開關動作響應速度要求高，開關的快慢直接影響產品質量和后工序的安全穩定生產。如果竄氣嚴重，會立即導致閥門無法開關，致使PSA裝置無法正常運行，產品氣不合格、生產降負荷或后工序停運，經濟損失非常大。

1 程控閥氣缸結構和工作原理

1.1程控閥氣缸結構

程控閥氣缸類似于活塞，氣缸頂部彈簧預緊螺栓密封墊片，氣缸被活塞板分為2個部分，上氣缸內安裝高強度安全彈簧，在活塞板上由彈簧預緊螺栓固定彈簧罩平衡反扣，保證彈簧輕微壓緊而不發生位移。活塞“O”形密封圈和特殊潤滑油密封活塞板與氣缸之間保持合適的間隙，活塞“O”形圈在充分潤滑和適中的磨合速度下往復滑動。由于“O”形密封圈與活塞板邊緣溝槽的接觸面積大于與氣缸內壁滑動面的接觸面積，且各角度接觸面潤滑均勻，所以可在活塞板上下運動時保證活塞板密封完好，平行滑動。活塞固定螺母和活塞固定套將活塞板緊固在推桿的一定位置，活塞推桿“O”形圈及其特殊潤滑油在推桿襯套凹槽處將推桿與活塞板完全固定密封。在氣缸底部，支架推桿“O”形圈和活塞推桿“O”形圈分別與特殊密封潤滑油在氣缸支架頂部邊緣溝槽處和推桿倒角處接觸氣缸邊緣和支架頂部，對其完全固定密封。從根本上實現了氣缸整體和上下氣缸的完全密封。

1.2程控閥氣缸工作原理

當程序運行至閥門開啟時，氣源擠壓通過下氣源管和二位五通電磁閥下通道，推動快速排氣閥薄膜關閉，進入活塞下部分，由于活塞完全密封、儀表風壓力較高，在下氣缸內的活塞板上產生強大的推力，帶動推桿在一定的上行程范圍內拉動閥芯迅速向上運行，并壓縮上氣缸彈簧，上氣缸內氣體被壓縮，壓力增大，儀表風通過氣缸上通道氣源管至二位五通電磁閥上通道打開滑閥排氣，使閥門快速開啟。另外，閥芯處的流體壓推閥芯通過閥桿帶動活塞板向上運行，當推桿的向上推力與活塞上彈簧的反作用力、上氣缸內氣體壓力平衡時，推桿穩定在新的位置，閥門穩定開啟，上氣缸停止排氣，各進、排氣口氣體不會流動和發出聲音。

閥門關閉時，氣源擠壓通過氣缸上氣源管和二位五通電磁閥上通道進入活塞上部分，由于氣缸完全密封。儀表風壓力高，在活塞板表面產生強大的推力，和彈簧伸張彈力帶動推桿在一定的下行程范圍內下推閥芯迅速運行。下氣缸內氣體被壓縮，壓力增大，儀表風通過下氣源管推動快速排氣閥內薄膜打開，從快速排氣閥排氣口直接排出而不經過電磁閥通道，閥門快速關閉，當推桿的向下推力和彈簧的作用力與下氣缸內氣體壓力平衡時，推桿穩定在新的位置，閥門穩定關閉，快速排氣閥停止排氣，閥門各進、排氣口氣體不會流動和發出聲音。

2 程控閥氣缸竄氣故障的判斷方法

程控閥氣缸竄氣故障的判斷方法有現場判斷法和DCS曲線判斷法，其中后者最快捷有效。DCS曲線判斷法從工藝監控位置和判斷效果上分為PSA吸附曲線判斷和產品氣在線分析儀判斷;現場判斷法又可細分為故障終止判斷和生產期間故障判斷。故障終止判斷就是故障發生到終止、被迫維修的階段，閥門故障的預防性判斷和處理效果消失，沒有實際意義。生產期間故障判斷根據造成氣缸竄氣密封部件分為氣缸損壞、活塞板斷裂、活塞固定螺母松動、活塞“O”形圈損壞、快速排氣閥損壞、支架推桿“O”形圈損壞等，而電磁閥內部為金屬滑閥，活塞推桿“O”形圈、支架“O”形圈和氣缸頂部的彈簧預緊螺栓密封墊屬于緊固件密封，一般不會損壞，造成氣缸故障終止。

2.1DCS曲線判斷法

DCS曲線判斷是利用DCS集中監控工藝運行狀況，PSA吸附曲線能間接的完全反映出閥門的開關狀態和歷史趨勢，查調曲線并實時監控，判斷直接、快速。產品氣在線儀曲線的異常間接說明閥門開關不及時，開關出現故障，一般而言，故障原因是氣缸竄氣。

2.1.1 PSA吸附曲線判斷

PSA吸附器內壓力是程控閥在程序控制開關下控制工藝運行達到的，所以PSA吸附曲線是吸附器過程壓力變化最直接、真實的反映，若程控閥氣缸竄氣、在程序規定的時間內無法正常開關，吸附壓力必然發生異常變化，導致曲線紊亂。只要查調同一時刻、不同步序的曲線，根據吸附壓力變化情況、工藝需求推理，即可判斷出竄氣閥門的位號。按PSA吸附曲線異常嚴重程度分為氣缸輕微竄氣和嚴重竄氣。輕微竄氣時，程控閥開關延時不大，壓力異常不大，曲線出現“毛刺”或“拐角”，可觀察運行;嚴重竄氣時，閥門無法開關，無法滿足工藝需求，曲線出現“凸臺”或“棱角”，需停止運行進行檢查維修。

2.1.2 產品氣在線分析儀曲線判斷

產品氣在線分析儀取樣口安裝在產品氣出口總管上，檢測產品氣中主要雜質組分數據，能真實反應PSA吸附器提純氣體輸出后雜質組分的變化。正常情況下，在沒作任何工藝調整時，各時序下吸附床輸出氣體組分穩定，在線分析儀檢測的雜質組分也是穩定的，曲線呈規律性變化。一旦程控閥氣缸竄氣，設定程序內無法正常開關，造成該步序下其他吸附器內氣體竄入，組分發生變化。輕微竄氣時，延時短、組分波動小，在規律性曲線上出現“毛刺”或者“拐角”，但基本不影響工藝運行，可觀察運行;竄氣嚴重時，閥門開關就會延時過長或停止開關，造成雜質組分波動大，曲線“突跳”明顯，此時閥門故障終止。

2.2現場判斷法

閥門氣缸竄氣時，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。密封件損壞越嚴重，密封性越差，泄漏口越大，流速越快，排氣聲越高。現場判斷法根據閥門儀表風竄氣部位、氣流大小、聲音高低、是否連續等類型作出初步判斷，繼而觀察裝置運行狀態，找出問題的根本原因。由于氣缸結構復雜、密封件較多，無法對竄氣聲音高低準確測量，主要依靠工作經驗和原理分析判斷氣缸竄氣原因，其準確性和精確性不高，但該方法能做到基本準確，使得閥門勉強開關，可維持生產線正常運行，這為故障處理贏得時間，不會造成故障終止判斷。現場判斷法是氣缸竄氣的最有價值、實際意義、直接有效的判斷方法。

2.2.1 氣缸損壞后氣缸竄氣的判斷

缸體損壞造成氣缸無法密閉，甚至活塞板斷裂、彈簧斷損，儀表風從損壞口直接排入外界，閥門無法開關，直接導致閥門故障終止。

2.2.2 活塞板斷裂后氣缸竄氣的判斷

當活塞板裂紋較小或沒有完全斷裂時，閥門能夠開關，但開關時都會延時，此時氣缸上下相互竄氣，閥門無論開關，上、下氣缸進氣都會竄氣。二位五通電磁閥和快速排氣閥排氣口同時持續排氣，氣流在快速排氣口收縮擠壓排出，流速高、壓力大、擾動聲大，觸摸時沖刷力大。

當活塞板裂紋較大或完全斷裂后，儀表風從電磁閥和排氣閥排氣口縮徑處擠壓持續排出，竄氣量越大，流速越高;壓力越大、持續擾動聲越大，觸摸時沖擊力大，此時閥門無法開關，故障終止。

2.2.3 活塞固定螺母松動后程控閥氣缸竄氣的判斷

活塞固定螺母松動造成氣缸內活塞固定套上下活動，會出現以下幾種現象:①當閥門開啟和開啟穩定后，排氣基本正常，無法察覺;②關閉延時，氣流在快速排氣口縮徑擠壓持續排氣，流速高、壓力大、擾動聲大，觸摸時沖擊力大;③閥門能夠開啟，勉強維持生產，此時狀況不易發現異常;④關閉時輕微竄氣，誤判為密封圈磨損而推遲維修，活塞板繼續隨程序較長時間頻繁上下活動、持續開關導致活塞固定螺母松動嚴重，進而造成氣缸損壞。

2.2.4 活塞“O”形圈損壞后氣缸竄氣的判斷

活塞“O”形圈比較粗(粗約10mm，不同規格閥門密封圈內徑Φ100～800mm)，其損壞后的現象有:①閥門開、關延時;②活塞“O”形圈撕裂面積較大，開啟、關閉時快速排氣閥排氣口持續排氣，竄氣量大，氣流擾動聲音大，壓力大;③活塞“O”形圈輕度撕裂，在二位五通電磁閥和快速排氣閥排氣口附近迅速收縮擠壓持續排氣，雖然竄氣量不大，但其流速高，擾動聲非常大，觸摸時沖擊力大。

“O”形圈撕裂口越多，開、關延時越嚴重，開關時排氣口儀表風持續收縮擠壓排出，流速越高，壓力越大、發出擾動聲越大，觸摸時沖擊力大，比氣源管接口直接斷開時強大。另外，活塞“O”形圈作為易損件，質量不高時，運行3d就已經損壞，損壞頻率較高，所以，及時發現并解決活塞“O”形圈磨損問題，實際意義重大。

2.2.5 快速排氣閥薄膜損壞后氣缸竄氣的判斷

快速排氣閥薄膜損壞后出現的現象:①閥門開啟延時，快速排氣閥排氣口持續排氣，發出擾動聲;②關閉時，氣流從薄膜撕裂口排出，發出“外刺”聲，且排氣壓力越來越低，聲音越來越小;③穩定關閉后，各進、排氣口氣流正常;④閥門開啟輕微延時，關閉時基本不影響工藝運行，能夠滿足工藝需求，可觀察運行;⑤吸附壓力受影響，PSA吸附曲線肯定出現“毛刺”或者“拐角”。

2.2.6 支架推桿“O”形圈損壞后氣缸竄氣的判斷

支架推桿“O”形圈損壞后，程控閥下氣缸無法完全密封。開啟時，下氣缸進氣，支架推桿與氣缸支架頂部接觸邊緣竄氣，但由于支架推桿“O”形圈非常細(粗約2mm，外徑約Φ50mm)，且撕裂面最大不超過全密封面的1/4，所以竄氣量小、壓力小，不影響程控閥的開關，但支架推桿處氣體“外刺”。

3 程控閥氣缸竄氣的理論分析

化工工藝管道氣體流動過程中，管道內氣體壓力的大小間接反映流速的快慢，所以，通過計算造成程控閥氣缸竄氣的配件損壞面處氣體壓力大小，可間接對比出氣缸竄氣量的大小。一般輕度損壞時，損壞面較小且為1個，按照規則矩形估算，以DN200mm閥門為例(活塞板外徑380mm;活塞“O”形圈粗約10mm，外徑約375mm;支架推桿“O”形圈粗約2mm，外徑約50mm)，分別對活塞板斷裂、活塞“O”形圈、支架推桿“O”形圈損壞后氣缸竄氣量根據下式進行粗略計算。

V=Sv

式中:V——造成程控閥氣缸竄氣的配件損壞面處瞬時氣體流量;

S——造成程控閥氣缸竄氣的配件損壞面積;

v——壓縮氣體的流速。

當活塞板斷裂時，裂紋寬度一般約1mm，則V1=S1v1=0.38×0.001v=0.00038v。

活塞“O”形圈撕裂時，撕裂面長度一般約10mm，則V2=S2v2=0.01×0.01v=0.0001v。

支架推桿“O”形圈撕裂時，撕裂面長度一般約10mm，則V3=S3v3=0.01×0.002v=0.00002v。

以閥板斷裂造成閥門無法開關時壓縮氣體壓力損失為臨界值對比為V1＞V2＞V3，V1≈3V3。由此可見，當活塞“O”形圈撕裂產生1個斷損面時，儀表風損失的壓力不足以導致閥門無法正常開關;當斷損面超過3個，儀表風的損失壓力就會造成閥門無法正常開關;支架推桿“O”形圈撕裂產生19個斷損面時，損失的儀表風壓力才能影響閥門開關，此現象一般不會出現，因為當密封圈撕裂面太多時，撕裂面能夠通過損失的儀表風，不會再次撕裂其他部位;氣缸損壞后儀表風損失壓力遠遠大于活塞板斷裂時配件損壞面處瞬時氣體流量V1，一旦發生，肯定導致閥門無法開關，因此不做計算。上述估算結果的分析與閥門氣缸竄氣后實際維修處理情況基本相符。

4 程控閥氣缸竄氣判斷處理案例

2013年6月19日，現場發現某程控閥排氣異常，檢查確認快速排氣閥排氣口持續排氣，擾動聲非常大，觸摸時沖擊力大，開啟速度緩慢;嚴重延時，電磁閥排氣口持續排氣，擾動聲非常大，觸摸沖擊力大，初步判斷為氣缸竄氣。通過對竄氣現象及工作原理分析，進一步判斷該閥門氣缸內活塞板斷裂或活塞“O”形圈撕裂。后切出程序停運該閥，對氣缸解體檢查，活塞板沒有完全斷裂，但出現裂紋，活塞“O”形圈完好，更換活塞板投運后PSA裝置運行正常。

此時由于PSA吸附曲線和產品氣在線分析儀曲線沒有明顯的異常，所以DCS操作站員工無法及時發現故障，誤判生產線運行正常。而根據現場生產期間故障判斷及時發現和檢查處理氣缸竄氣的閥門，沒有出現故障終止。在該閥切除系統停運更換新閥板時，雖然造成生產線負荷降低、產氣量下降，此時該閥所在的吸附床曲線異常，但整套PSA裝置的其余吸附床曲線正常，生產線低負荷下連續安全穩定運行，產品氣質量合格、后工序穩定運行。

5 程控閥氣缸竄氣統計

2012年6月至2014年6月程控閥氣缸竄氣情況統計見表1。

表1 2012年6月至2014年6月程控閥氣缸竄氣情況統計

由表1可以看出，2013年6月至2014年6月，程控閥共發生氣缸竄氣74次，比2012年6月至2013年6月多13次，這是由于2013年未安排程控閥大修，造成快速排氣閥薄膜、活塞“O”形圈老化嚴重，活塞板使用周期延長，斷損頻率高，氣缸竄氣明顯增加。快速排氣閥薄膜損壞、活塞“O”形圈輕微損壞可觀察運行時間較長，也不影響閥門正常運行，為發現和處理故障爭取了時間，所以一般出現故障完全能夠發現。支架推桿“O”形圈密封面與磨損面較小，屬于靜密封，故障頻次變化不大。而新故障氣缸損壞突發之前沒有明顯的現象，活塞固定螺母松動最初與密封件損壞相似，容易誤判，如果誤判或提前不易察覺，嚴重時突發性強、損壞性大、破壞劇烈，可能將氣缸撞壞，甚至撞破，閥板斷裂，進而損壞彈簧，故障終止，潛在的危險較大，對生產穩定運行影響嚴重、后續維修耗時長、成本高。因此，生產期間巡檢時，對氣缸竄氣的閥門及時排查，盡早發現異常，重點對竄氣現象和開關狀態仔細觀察、深入分析及準確判斷，關鍵閥板斷裂、活塞鎖緊螺母松動突發造成程控閥故障終止的閥門及時處理，能夠有效維護生產線正常運行。同時，不斷總結經驗、提高技能和判別的準確性，可有效降低誤判造成故障終止的次數。

6 結語

程控閥竄氣原因有氣缸損壞、活塞板斷裂、活塞固定螺母松動、活塞“O”形圈損壞、快速排氣閥薄膜損壞、支架推桿“O”形圈損壞等。程控閥竄氣后，開關過程中動力氣體流徑異常，氣流聲音、排氣量異常，容易發現故障。但竄氣聲音高低和排氣量無法檢測、量化，且異常位置變化不大，不易準確判斷原因，需要不斷總結經驗，堅持定期檢查、排查閥門，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，為程控閥氣缸搶修創造條件和贏得時間。DCS曲線判斷程控閥氣缸竄氣不是最佳方法，只能在閥門故障終止時才能有效判斷出故障，對工藝穩定運行意義不大，而作為輕微竄氣故障監控意義明顯。

2014－09－18)