單作用氣動執行器增大扭力方法探究與應用

朱志星,郭永新,于海軍

(中海石油(中國)有限公司 深圳分公司,廣東 深圳 518000)

氣動關斷閥在石油化工行業中應用廣泛,在緊急情況下,關斷閥可快速動作切斷管路,起到隔離作用。為保證關斷閥的密封性,關斷閥的閥體通常會選用球閥,而球閥很容易受介質中的雜質影響,因此容易出現卡阻現象,如果執行器扭力不足,則關斷閥無法全關,起不到保護作用。若更換大扭力的執行器,不僅費用高而且周期長。操作人員和供應商嘗試各種方法尋找有效增加扭力的辦法,以解決卡阻的問題。

1 單作用氣動關斷閥結構及工作原理

1.1 關斷閥結構

單作用氣動關斷閥結構如圖1所示,一般由執行器氣缸、閥體、氣源、電磁閥、反饋開關組成。

圖1 單作用氣動關斷閥結構示意

1.2 工作原理

單作用氣動關斷閥通過氣源供氣,利用氣動執行機構將壓縮空氣轉換成機械能,推動閥芯的運動,從而控制閥門的開度,實現對流體流動的控制。

1)氣源供氣。通過氣源將壓縮空氣送入氣動關斷閥的氣動執行機構中。

2)氣動執行機構。氣動執行機構包括活塞、氣動驅動器和閥芯等部件。當氣源供氣時,氣動驅動器將壓縮空氣轉換成機械能,推動活塞和閥芯運動。

3)閥芯運動。活塞和閥芯通過連桿相連,當氣動驅動器推動活塞運動時,閥芯也會隨之移動。閥芯的移動會改變閥門的開度,從而控制流體的流動。

4)流體控制。當閥芯關閉時,閥門完全關閉,流體無法通過;當閥芯打開時,閥門完全開啟,流體可以自由通過。閥芯的位置可以根據需要進行調節,從而控制流體的流量和壓力。

5)控制信號。閥芯的運動由氣源供氣的控制信號來控制,通常使用氣動控制系統或電氣控制系統來發送信號,控制閥芯的開度。

2 關斷閥的卡阻原因分析

關斷閥卡阻原因及應對措施見表1所列。根據表1分析出的原因,對現場卡阻的閥門進行檢修并逐項排查,排除了氣源問題、潤滑問題、腐蝕問題、污染問題、活塞密封問題。通過查閱閥門以及執行器說明書,確認關斷閥卡阻原因為閥門設計問題,扭力選型過于保守,選擇的扭力為閥體扭力的1.5倍,球型閥體在有雜質時,扭力會增大,從而導致執行器卡阻。同時對卡阻的ROTORK S-045-200/DL型關斷閥進行扭力測試,測試記錄見表2所列。

表1 關斷閥的常見卡阻原因及措施

表2 ROTORK S-045-200/DL型關斷閥扭力測試記錄 N·m

表2中的數據是閥門實測扭力將執行器與閥體脫開后,使用扭力扳手所測的數據。其中,閥門開度在50%位置時,執行器的扭力無法驅動球閥打開。因此,只要加大彈簧扭力,則可以解決卡阻問題。

3 增大執行器扭力非常規方法

3.1 方法一

使用工具增加扭力,利用一種外夾式氣動執行器閥門活絡輔助裝置,可在日常設備維保及異常情況下使用,提高設備的安全可靠性。該方案已獲得專利授權,活絡裝置由第一半圓夾塊和固定連接在第一半圓夾塊背面的第二半圓夾塊組成,2塊半圓夾塊的外表面開設有插孔,內壁設置有直條紋內牙,插孔的內壁設置有直桿。該活絡裝置在執行器與閥體間的連接件上組合2塊半圓夾塊形成夾環,將直桿插入到夾環插孔內。由于彈簧處于壓縮狀態,擺動直桿使連接件產生一個旋轉的作用力,相當于給彈簧增加一個外部作用力,因此可以使卡阻的閥體進行活絡,彈簧可以復位工作,從而可以在閥門卡阻情況下,通過外加作用力,手動開關閥門,使閥門執行器彈簧復位[1]。該方法可以在線及時解決活絡閥門,解決卡阻問題,但只適用于小尺寸的氣動執行器,并不能從本質上增大扭力解決問題。

3.2 方法二

將電磁閥更換成“兩位五通”電磁閥,結構如圖2所示。電磁閥的2個出口分別連接到執行器的進氣口與透氣口,此時執行器變成了雙作用執行器。

圖2 “兩位五通”電磁閥結構示意

“兩位五通”電磁閥通常與雙作用執行器配合,通過控制該電磁閥的開關狀態,可以改變氣缸2個端口的氣壓或真空狀態,從而控制雙作用執行器的運動方向和位置。當電磁閥失電時,進氣口端無壓力,而透氣口端有壓力,此時活塞往左運動,彈簧復位,閥門處于關閉狀態;當電磁閥得電時,透氣口端無壓力,而進氣口端有壓力,此時活塞往右運動,彈簧壓縮,閥門處于打開狀態。

該方法的雙作用氣缸可以有效增加執行器扭力,解決閥門卡阻問題,只需要更換電磁閥,周期短且費用低,但同樣不能從本質上解決卡阻問題。例如,當在極端情況時,無電源和氣源,此時執行器需要依靠彈簧的彈力來驅動閥門關閉。如果原閥門本來就存在卡阻現象,那么該情況下,閥門還是會存在隱患。該執行器是基于單作用方式來設計的,如果從透氣口處反供氣,活塞右邊到透氣口部分密封容易損壞,容易導致漏氣。

3.3 方法三

增加一個小彈簧,實現雙彈簧驅動,增大執行器輸出扭力。假設第一個彈簧的力為F1,第二個彈簧的力為F2,當2個彈簧都處于彈性形變狀態時,它們的力可以通過彈簧的胡克定律計算。根據胡克定律,彈簧力與形變程度成正比,可以表示為F=kx,其中,F為彈簧力,k為彈簧的彈性系數,x為形變程度。同時,由于在執行器內彈簧是線性運行,當2個彈簧同時受力時,它們的力疊加為F=F1+F2,因此增加彈簧可以增大執行器輸出扭力。該方法費用低,可以從本質上解決執行器扭力不足問題,但增加彈簧需要考慮不影響原執行器的正常運行,同時需要計算選擇合適的彈簧。

以上三種方法各有優缺點,可以根據現場情況選擇不同的整改措施。

4 應用效果

通過以上分析,選用合適的解決方法,效果如下：

1)方法二應用效果。現場將執行器的“兩位三通”電磁閥更換為“兩位五通”電磁閥,并且按照雙作用執行器工作原理,對管路進行改造。經過測試,執行器工作正常,閥門不存在卡阻現象。

2)方法三應用效果。選擇合適尺寸的小彈簧,安裝到執行器氣缸原彈簧內。增加小彈簧后,對原執行器不產生任何影響,經過現場實際應用,閥門卡阻現象得到改善。

3)經效效益。某海上平臺關斷閥共有175臺,經統計,生產工藝流程關斷閥出現卡阻故障現象每月約20次。應用以上兩種方法后,月故障次數降低到2次,有效提高了設備的穩定性,同時節約升級費用約200萬元人民幣。

5 結束語

對于單作用氣動關斷閥出現卡阻問題,供應商希望用戶更換新型號閥門;而用戶在遇到卡阻問題時,除考慮產品成本外,還需要打破常規,敢于創新。事實證明,增大扭力除升級外,還可通過增加1個小彈簧可以有效增大執行器的扭力,解決卡阻問題,有效延長氣動關斷閥生命周期。