煤氣柜大型進出口閥門開啟故障原因分析

楊 鎮

（寶山鋼鐵股份有限公司能源環保部，上海 201900）

引言

高爐煤氣柜是鋼鐵企業回收利用高爐煤氣的重要設備。某鋼企新建一座一段式皮膜柜，容積為15萬m3的高爐煤氣柜，投用后運行狀況良好，但其進出口閥門卻在使用僅2個月時出現開過力矩報警現象，并在使用約5個月后徹底喪失了開啟功能。筆者對此閥門故障的原因進行分析，并給出對策措施建議。

1 煤氣柜進出口閥基礎信息及故障現象

此高爐煤氣柜依靠一根管道與外界管網相連，故此管道被稱為進出口管，而且口徑很大，公稱直徑達DN4000 mm。進出口閥位于此進出口管道上，直徑與管道相等，通過開、閉操作來實現煤氣柜與管網的聯通和阻斷。

閥門為德國某品牌產品，型式為電動兩桿式雙偏心蝶閥，允許氣體雙向流動。閥門開或閉的行程時間為40 s，開閉力矩設計值分別為72000 Nm和155000 Nm。閥門本體由閥板、閥座、閥軸、軸承、軸端密封、雙偏心連桿機構等組成，見圖1，依靠安裝在閥板上的橡膠條與閥座上的不銹鋼密封面接觸來實現密封。電動執行機構型號為SAEx35.1-F35-B3+GS400。其中SAEx35.1為驅動裝置型號，電機轉速為2800 r/min；GS400為減速機構型號，機構形式為蝸輪蝸桿，減速比為54：1。開啟時閥軸逆時針旋轉，閥板是先向上提起、脫離密封面，然后再旋轉至90°全開位置；關閉時閥軸順時針旋轉，帶動閥板由90°位置旋轉至水平位置，然后向下水平落下直至閥板上的橡膠條與閥座上的不銹鋼密封面完全接觸并形成有效密封為止。由于是兩桿式雙偏心閥門，閥軸與閥板的旋轉角度不同步。

圖1 進出口閥結構示意圖

閥門的故障現象主要表現為開啟過程中出現過力矩報警以致無法繼續開啟。第一次此類故障出現在使用未及2個月時，閥軸開度為全行程的98%左右發生報警，后重復操作開關兩次，閥門恢復全開功能。約1個月后，再次出現開過力矩報警情況，后通過調整增大開力矩值恢復閥門全開功能。然而，使用一段時間后閥門又出現不能全開的情況，閥軸最大開度只能達到全行程的95%，隨后又發生若干次開過力矩故障，閥軸可達最大開度逐漸變小，直到使用約5個月后的某一天，閥軸轉動角度僅到45%左右就出現過力矩報警，無法再進一步開啟，此時閥板僅剛離開閥座密封面而尚未轉動開啟，相當于煤氣已幾乎無法流通，說明閥門已完全喪失開啟功能。幸運的是，閥門尚能夠關閉到位，但閥門全關后開度信號顯示仍有19%開度。

2 故障原因分析

2.1 故障點判斷和查找

閥門轉動涉及電動機、蝸輪蝸桿減速機構、閥軸、雙偏心連桿等一系列部件，僅憑上述故障現象難以迅速判斷究竟是哪個部件發生了問題。先根據經驗羅列出可能的故障源，然后按各類可能情況的發生概率及排查難度逐一進行排查。可能導致閥門無法開啟的常見原因有三類：（1）閥門本體轉動部件發生異常，以致旋轉受阻；（2）電動機故障，無法帶動蝸輪蝸桿機構和閥軸旋轉；（3）蝸輪蝸桿減速機構故障，無法帶動閥軸旋轉。第一類情況中涉及部件較多，又可細分為若干項可能原因，比如：閥軸彎曲或變形；軸承損傷，包括磨損和碎裂等不同程度的損傷；軸套磨損或變形；連桿彎曲或變形；轉動部位被煤氣中的雜質顆粒或大塊垃圾卡阻；等等。

首先對傳動機構電氣部分進行檢測，結果表明，盡管控制器開度顯示存在異常，但電機、電路及控制回路能夠正常工作。這暗示著閥門傳動機構機械部分或閥門本體轉動機構存在異常。然后，創造條件進入管道內直接觀察閥門情況，發現管道內十分干凈，可排除因煤氣雜質影響閥門開閉的猜想；而對閥桿和連桿等部位的觀察也未見變形等異常情況。進一步，對閥門作開啟操作，在能觀察到的一段有限的行程之內，軸套沒有表現出卡阻等異常或發生異響，軸承雖然因為藏在閥軸端部無法被直接觀察到，但也并未發出異音或表現出其他異常現象。由此，問題被聚焦到閥門傳動機構機械部分。對減速齒輪箱進行拆解，發現蝸桿有兩個齒出現磨損溝槽和毛刺；而蝸輪的所有工作齒均嚴重損壞。顯然，閥門執行機構減速機失效就是閥門無法正常開啟的原因。

2.2 減速機損傷原因分析

2.2.1 減速機結構及工作原理

減速機結構如圖2所示，其由蝸桿、蝸輪、外殼、軸承、齒連接件等部件組成。其與電機及閥門的配合工作原理為：電動機帶動蝸桿轉動，蝸桿帶動蝸輪轉動，蝸輪通過齒連接方式與閥軸相連，從而帶動閥軸轉動，使得閥板作0°～90°的開啟或90°～0°的關閉動作。對于本次故障的減速機而言，輸入轉速（即蝸桿轉速）為22 r/min，輸出轉速（即閥軸轉速）約為0.4 r/min。

圖2 減速機示意圖

2.2.2 減速機損傷形貌觀察

減速機內受損部件主要為蝸輪和蝸桿，蝸桿損傷主要表現為齒面有磨損溝槽，蝸輪損傷如圖3所示：從閥門閉至開方向順序觀察，最開頭的1個壞齒存在受力面齒頂磨損現象；隨后第2個牙齒受力面向內磨損加劇，直至非受力面的齒頂也已磨損消失；隨后第3至12個齒受力面向內的磨損進一步加劇，非受力面一側變薄斷裂，且斷面也被進一步磨平，使得整個牙齒幾乎均已消失；再后面第13至17個齒可以觀察到清晰的磨損臺階：受力面向內磨損，但非受力面部分的牙齒還存在，而且余齒逐漸變厚；至第18個齒，僅有受力面一側略有磨損痕跡。

對蝸輪蝸桿受損及正常牙齒的齒面進行肉眼觀察和著色探傷，未見裂紋、砂眼、夾渣等缺陷；齒面主要呈現為具有規律性和漸變性的磨損形貌，除部分蝸輪牙齒非受力面一側有一薄層斷裂面外，未見斷裂痕跡，由此可推測蝸輪蝸桿損傷系由磨損造成，而非受到沖擊載荷作用或因存在缺陷而斷裂等原因造成。

圖3 受損蝸輪牙齒狀態

2.2.3 蝸輪蝸桿材質及制造質量分析

查詢減速機出廠資料，可知蝸輪蝸桿設計材質為球墨鑄鐵，且蝸桿牙齒硬度應比蝸輪牙齒硬度高一個等級。

對蝸輪未損傷牙齒和蝸桿牙齒工作面及非工作面進行硬度檢測，得到如下結果：蝸輪牙齒表面硬度實測平均值約為280 HB，蝸桿工作齒面硬度實測值約為430 HB，非工作齒面硬度實測值約為330 HB。與球墨鑄鐵應有的硬度進行對比，可知蝸輪及蝸桿的材質性能符合要求。

考慮到對蝸輪蝸桿的齒面觀察中未發現鑄造缺陷，因而可進一步推論它們的制造質量正常，并非引發故障的原因。

2.2.4 減速傳動力矩計算分析

蝸輪蝸桿傳動時嚙合輪齒間有較高的相對滑動速度，摩擦損耗較大，傾向于造成齒面磨損等問題。而由于蝸桿比蝸輪硬度高，故蝸輪牙齒更容易被磨損。這一傾向性與本次故障減速機的損傷現象十分吻合，似乎暗示著減速機失效的合理性。但一般說來，減速機的磨損速度應該是比較緩慢的，而本次故障減速機中蝸輪蝸桿的磨損速度顯然是過快了。造成磨損過快的可能原因有減速機選型不當，超負荷運行，或者是蝸輪蝸桿材質、制作、安裝存在質量問題。材質分析一節已排除蝸輪蝸桿質量問題，本節將對減速機負載情況進行核算。

對于本次故障所對應的閥門及其電動執行機構，查閱設備參數表可知：閥門開閉過程中所需要的最大力矩計算值為118847 Nm，留一定安全裕量后取設計值為155000 Nm；減速機能承受的最大力矩為180000 Nm；電機在開、閉兩個方向的最大保護載荷值均為8000 Nm。如果取蝸輪蝸桿傳動效率為0.35（通常蝸輪蝸桿傳動效率較低，在0.2～0.35間取值，本故障減速機產自國際知名品牌，故取高值），則電機可提供給閥門的最大開閉力矩等于8000×54×0.35=151200 Nm，式中54為減速比。而實際閥門投用時的開閉力矩保護值均設定為6500 Nm，可推知閥門開閉過程中實際需要的最大力矩為6500×54×0.35=122850 Nm。

電動閥門在動力傳遞上的邏輯關系為：電機可提供的力矩應高于閥門開閉過程中所需要的最大力矩；減速機可承受的力矩應高于閥門開閉過程中所需要的最大力矩；電機和減速機構都應該有過載保護功能，否則電機和相關電路元件可能因過載而燒損，而減速機可能過早產生磨損失效。將這些邏輯關系與上述各類力矩值進行對比分析，發現：

（1）電機有過載保護，其最大可調過載設定值8000 Nm所對應的動力力矩151200 Nm雖然略小于閥門開閉力矩設計值155000 Nm，但投用時實際的過載保護只用到6500 Nm，說明閥門開閉所需要的實際力矩值小于該保護設定值對應的動力力矩122850 Nm，也說明廠家提供的閥門開閉所需最大力矩計算值118847 Nm基本可信，同時還說明電機能力基本能滿足閥門開閉要求。

（2）減速機的承載能力180000 Nm比閥門開閉需要的最大力矩（無論計算值118847 Nm還是實際值122850 Nm還是設計值155000 Nm）大，這看起來是符合邏輯的。然而，該減速機的老版說明書表明：180000 Nm為閥門手動操作模式下減速機的最大承載力矩，而當使用電動模式時，這個最大承載力矩會減小為125000 Nm。這樣的話，閥門開閉需要的最大力矩將十分接近甚至超過減速機承載能力，這使得減速機很可能超載運行，或至少是在接近其能力上限的情況下運行。換句話說，減速機選型存在能力偏小的問題。

（3）減速機本身沒有過載保護。如果減速機承載能力按180000 Nm計，則其比電機受保護的承載能力高，這種情況下對電機的保護也可以順便保護到蝸輪蝸桿。但如果其承載能力按125000 Nm來考慮，則如果閥門開閉需要的力矩大于此值，此時減速機將不能受到過載保護，也就是說，減速機可能超負荷運行。

如上幾點分析表明，蝸輪蝸桿所表現出的齒面快速磨損很可能與減速機選型偏小有關。

進一步，從GS400減速機的說明書中找到這樣一個數據：最大負載情況下GS400的設計可用循環數為1200次。也就是說，如果減速機一直在接近其能力上限的負荷情況下運行，甚至是在超負荷情況下運行，則其所能提供的閥門開閉次數理論上僅為1200次。回顧煤氣柜進出口閥從開始使用到首次出現過力矩報警的時間跨度，發現當時閥門開閉次數恰好大約為1200次，而到徹底失效時閥門的開閉次數大約為3000次。這兩個“次數”數據與GS400的設計壽命吻合度很高，可以佐證減速機選型偏小的觀點。

2.2.5 蝸輪蝸桿損傷因果鏈推斷

至此，整個故障因果鏈已經比較清晰：閥門電動執行機構設計中配套的減速機與閥門不匹配，后者開關過程中需要的最大力矩已接近甚至超過前者可承受的最大傳動力矩，使得減速機中的蝸輪和蝸桿一直處于接近其極限負載能力的工況下，在使用一段時間后，對應不同的受力區間，蝸輪牙齒表面開始發生不同程度磨損。隨后磨損逐漸嚴重，牙齒逐漸被磨薄，蝸輪牙齒與蝸桿牙齒的配合出現間隙，使得兩者嚙合時出現小的沖擊，同時，潤滑油脂被磨損產生的金屬粉末污染，成為加劇磨損作用的“幫兇”，使得硬度較高的蝸桿也開始表現出損傷。隨著蝸輪牙齒磨損變薄和蝸桿牙齒開始磨損，蝸輪蝸桿組的承載能力下降，觸發閥門在開啟過程中的過力矩報警，同時，當蝸輪牙齒剩余牙厚已不足以承載時將發生折斷，也可能會觸發過力矩報警。最先發生折斷的是處于受力最惡劣區間的牙齒，其折斷后，減速機仍處于運行中，載荷被分配到臨近牙齒，使得臨近的蝸輪牙齒也逐一發生折斷，同時，先前被折斷牙齒的斷面繼續被蝸桿碾壓磨損，直至所有可承載的牙齒都磨損殆盡，終于無法再傳動承托起閥板，導致出現閥門無法開啟的故障現象。如果用一句話來描述，原因分析得到的結論就是“GS400減速機承載能力偏小導致蝸輪齒面材料在高負荷狀態下使用壽命到期”。

3 對策措施研究

既然減速機承載能力不足是蝸輪蝸桿在短期內快速磨損失效以致閥門無法開啟的原因，處理對策似乎也就順理成章地指向了“提高減速機承載能力”，然而，情況并非如此簡單。

本次故障閥門直徑大、設計重量大，需要的開閉力矩值達到數十萬Nm級，市面上很難找到承載能力數倍于此的減速機構。這說明提高減速機承載能力的空間十分有限，由此措施可延長的壽命也很有限。

另一方面，除工作負荷因素外，還有一個不能忽略的因素會影響減速機使用壽命，即：閥門每日開關操作頻度。顯然，每日開關越頻繁，減速機的日歷使用壽命越短。為盡可能減小煤氣放散損失，故障閥門每日開關次數少則10余次，多者甚至超過30次。這是一個較高的操作頻度，它可以輕易地把提高承載能力所帶來的壽命延長分解掉，使這一做法幾乎失去價值。

由此可知，蝸輪蝸桿減速機構這類裝置實際上并不適宜作為本文所述煤氣柜進出口閥門的執行機構。對于開閉力矩大且開閉頻繁的大口徑煤氣柜用切斷閥，采用電動液壓式執行機構應該更合適。目前這一方案正在實施中，其效果還有待考驗。

4 結論及建議

（1）本次煤氣柜大口徑進出口閥門故障發生于設備使用初期，故障現象為無法完成開啟操作。蝸輪蝸桿減速機失效是閥門無法完成開啟操作的直接原因。蝸輪蝸桿齒面磨損失效是導致減速機失效的直接原因。而蝸輪蝸桿快速磨損失效的原因主要與閥門整體設計選型有關：閥門與電動執行機構配套減速機不匹配，前者開關所需要的動力接近甚至超過后者承載能力，使得蝸輪和蝸桿一直處于高負荷狀態下，磨損速度高；同時，閥門開關頻度較高，進一步縮短了蝸輪蝸桿的磨損日歷壽命。

（2）最直接簡單的消除故障和恢復閥門開啟功能的方法是更換失效減速機，考慮到原設計減速機承載能力偏小，應選用承載能力更高的減速機構。然而，由于閥門開關操作頻度較高，這一措施對于延長設備使用壽命的效果比較有限。如要徹底克服此類故障，需要改變閥門的電動執行機構類型，建議可采用電動液壓方式的執行機構。

（3）本次故障暴露了設備廠商與用戶在閥門采購和設計階段未充分溝通的問題，閥門使用工況、操作頻度等信息對于設計選型的重要性未被充分認識。今后類似設備的采購中一定要記取這一教訓。