趙爾班 霍鳳華 韓春雨（吉林石化公司丙烯腈廠）

雙密封導(dǎo)軌閥操縱機(jī)構(gòu)改造

趙爾班 霍鳳華 韓春雨（吉林石化公司丙烯腈廠）

針對(duì)雙密封導(dǎo)軌閥在丙烯腈裝置運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，根據(jù)閥門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，找出存在問題的原因，并結(jié)合丙烯腈生產(chǎn)的工藝特性提出改造方案。通過在線對(duì)雙密封導(dǎo)軌閥的操縱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化改造，提高了閥門的可靠性，方便了操作，避免了裝置停車，保證了裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

丙烯腈裝置 雙密封導(dǎo)軌閥 操縱器 結(jié)構(gòu)改造

1 概述

近年來，在丙烯腈裝置中的一些大孔徑（公稱直徑≥500 mm）管線上使用的雙密封導(dǎo)軌閥門多次出現(xiàn)打不開，或者損傷操作器組件的情況。每年都有幾臺(tái)閥門在停車檢修時(shí)進(jìn)行解體拆檢維修。2008年，對(duì)1臺(tái)公稱直徑DN600的閥門解體拆檢發(fā)現(xiàn)，該閥內(nèi)部閥芯與閥瓣被聚合的物料緊緊固定成一體，采用500 t水壓機(jī)才將閥芯自閥瓣分離開。最嚴(yán)重的一次是2009年，1臺(tái)DN500閥門開啟時(shí)將上閥桿扭斷（圖1），支架被軸承頂裂（圖2）。為此，針對(duì)出現(xiàn)故障的情況，結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)這次閥桿斷裂事故進(jìn)行了分析，并提出改進(jìn)措施。

2 雙密封導(dǎo)軌閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

雙密封導(dǎo)軌閥的基本結(jié)構(gòu)主要由閥體組件和操縱器組件2部分組成（圖3）。

2.1 閥體組件

閥體組件主要包括閥體、閥芯、閥瓣(嵌主密封圈)、端蓋、底盤、密封填料等。閥芯與閥瓣是閥體部分的核心。閥芯通過上、下耳軸固定于閥體內(nèi)，中間為流道口，兩側(cè)為斜楔面，在楔面上銑有的燕尾導(dǎo)軌同左右2片閥瓣相連。閥瓣是主密封件，閥瓣的表面為圓柱面，在圓柱面上銑有1圈棱形槽，采用模壓硫化的方法在其中永久嵌有主密封圈(氟化橡膠或丁腈橡膠等)，當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)可形成軟密封。

2.2 操縱器組件

操縱器主要由指示標(biāo)記牌、手輪、渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)、上閥桿、閥桿套、球頭銷、擋銷、限位軸和支架等組成，該組件通過支架固定在閥體組件的端蓋上，通過連接銷與閥體組件中的下閥桿相連。上閥桿和閥桿套通過梯形螺紋相連，上閥桿中部裝有擋銷。閥桿套上端面設(shè)有端齒，側(cè)表面有I形導(dǎo)槽(圖2)。梯形螺紋部分實(shí)現(xiàn)軸向直線移動(dòng)，端齒和擋銷導(dǎo)槽與限位軸及球頭銷相結(jié)合控制90°旋轉(zhuǎn)[1]。

當(dāng)閥門由關(guān)閉至開啟時(shí)，按逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，閥芯先作向上直線移動(dòng)，到一定位置后作90°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使閥門處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，閥體上、下游流道口均被閥瓣密封，即雙密封；同時(shí)每個(gè)閥瓣的密封面又能形成軟、硬兩種密封，確保了閥門的零泄漏。當(dāng)閥瓣旋轉(zhuǎn)時(shí)，軟密封與閥體不接觸，無摩擦，硬密封對(duì)軟密封可起到保護(hù)作用，并具有防火功能[2]。

3 問題分析

由于丙烯腈裝置生產(chǎn)過程中，所接觸的工藝介質(zhì)都含有一定濃度的氰化物，嚴(yán)禁直接排入大氣、水體。這些含有氰化物的工藝介質(zhì)在常溫狀態(tài)、流動(dòng)性差的環(huán)境極易發(fā)生自身聚合，特別是在閥門關(guān)閉后的相對(duì)封閉空間內(nèi)更是易于自聚形成一整塊聚合物。

損壞的閥門位于脫氫氰酸塔與其再沸器之間的氣相管線上，2臺(tái)再沸器1開1備；由于備用的再沸器的閥門一直處于關(guān)閉狀態(tài)，導(dǎo)致物料長(zhǎng)期滯留在閥芯中腔和閥瓣之間的空隙內(nèi)，發(fā)生自聚形成固態(tài)聚合物，將閥芯與閥瓣緊密地連為一個(gè)整體。在啟用該再沸器開啟氣相的導(dǎo)軌閥門時(shí)，閥芯與閥瓣之間由于聚合物的原因未出現(xiàn)分離而沒有發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即閥芯仍然固定在閥瓣上，整個(gè)閥門仍處于關(guān)閉狀態(tài)。由于該閥門公稱直徑為DN500，其手輪通過3∶1的圓錐齒輪帶動(dòng)渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的蝸桿，渦輪蝸桿的傳動(dòng)比為80∶1，故通過手輪傳到上閥桿的力量則被放大了240倍。另外，該閥門上閥桿為空心結(jié)構(gòu)，內(nèi)插顯示桿，故該閥桿抗剪切能力大幅下降。在閥芯因工藝介質(zhì)聚合處于抱死狀態(tài)時(shí)，強(qiáng)行轉(zhuǎn)動(dòng)手輪導(dǎo)致閥桿處的剪切力超過上閥桿材質(zhì)的強(qiáng)度而被扭斷（圖1）；同時(shí)由于上閥桿連同閥芯無法做軸向運(yùn)動(dòng)，頂起的球頭銷將支架頂裂 （圖2）。

4 解決措施

由于閥桿斷裂時(shí)裝置還在正常運(yùn)轉(zhuǎn)，為避免非計(jì)劃停車造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，嘗試在線修復(fù)該閥門。

考慮到閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)與球閥類似，閥芯旋轉(zhuǎn)90°即可打開或關(guān)閉閥門，而原操作組件過于復(fù)雜，又易損壞；故設(shè)想直接摒棄原可軸向位移的操作組件，將原傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直接安裝到上閥桿上，以類似球閥的形式開、關(guān)閥門，確保閥門的正常使用。

根據(jù)這一構(gòu)想，在原斷裂的上閥桿上增加一延長(zhǎng)的閥桿與原傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，以傳導(dǎo)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行開關(guān)閥門的扭矩。閥桿的直徑按照扭矩估算軸徑的公式進(jìn)行粗略計(jì)算。

一般正常人單手力量不超過體重的一半，則估算所用在手輪上的力為：30 kg×9.8 N/kg=294 N；由于閥門上手輪直徑為450 mm，故手輪處的力矩為：294 N×450 mm÷2=66150 N·mm；通過兩級(jí)傳動(dòng)（圓錐齒輪為3∶1，渦輪蝸桿為80∶1）放大后，閥桿處所受的扭力力矩為：66150 N·mm×3×80=15876000 N·mm；帶入按扭矩估算軸的公式：

式中：【τ】為許用扭應(yīng)力（N/mm2）。由于閥桿材質(zhì)選用45#鋼，故根據(jù)表1取【τ】為30 N/mm2。求得的閥桿直徑 d0≥139.25 mm［3］。

表1 常用材料的許用扭應(yīng)力

考慮到旋轉(zhuǎn)手輪過程中，各級(jí)傳動(dòng)副——齒輪、渦輪蝸桿之間以及軸承之間因摩擦阻力而均有一定的損失，故作用在閥桿處的力矩達(dá)不到理論計(jì)算數(shù)值。各級(jí)傳動(dòng)效率如下：

◇圓錐齒輪傳動(dòng)效率：0.92～0.95，取η1=0.95；

◇蝸桿傳動(dòng)效率：0.82～0.92，取η2=0.92；

◇滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率：0.99（一對(duì)兒），共計(jì)3對(duì)軸承，取η3=0.993=0.970299；

◇總的傳動(dòng)效率：η=η1×η2×η3=0.848041326。

閥桿直徑經(jīng)修正后d≥d0×η=118.1 mm ，故取閥桿直徑為120 mm。

為了與閥門原上閥桿連為一體，在上閥桿斷裂處焊制1片法蘭（圖4）；在新增的延長(zhǎng)閥桿底部預(yù)先焊制1片與之對(duì)應(yīng)的法蘭，通過這對(duì)兒法蘭將扭矩傳遞到閥芯。同時(shí)為固定渦輪蝸桿的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，按照原支架上下連接盤的尺寸，制作一簡(jiǎn)易支架，通過它將原傳動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在閥門上部（圖5）。

將延長(zhǎng)的閥桿與閥門原上閥桿通過中間的法蘭用螺栓固定后，再將支架與閥體通過螺栓固定，然后將渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)坐到簡(jiǎn)易支架上，通過平鍵與延長(zhǎng)的閥桿相連，并與支座上端面用螺栓固定（圖6）。最后，搖動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的手輪，旋轉(zhuǎn)約60圈后，觀察到加長(zhǎng)的閥桿同原上閥桿一同緩慢旋轉(zhuǎn)90°，證明該閥門完全開啟。

5 結(jié)論

盡管雙密封導(dǎo)軌閥具有開關(guān)靈活迅速、無泄漏等優(yōu)點(diǎn)，但不適合用于丙烯腈生產(chǎn)裝置，特別是用于輸送類似的易聚合物料時(shí)，閥芯與閥瓣抱死造成閥門開關(guān)費(fèi)力，甚至導(dǎo)致閥桿傳動(dòng)軸扭斷的嚴(yán)重后果。對(duì)此，將原空心的閥桿改為加粗的實(shí)心軸，取消復(fù)雜的操縱器部分，以簡(jiǎn)易的支架代替，簡(jiǎn)化了整個(gè)閥門的結(jié)構(gòu)，提高了閥門可靠性。

［1］宋磊，營黎明.雙密封導(dǎo)軌閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.閥門，2002（6）:1-3.

［2］宋磊，營黎明，殷偉.雙密封導(dǎo)軌閥的功能及適用性分析［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2003,22(10):40-43.

［3］楊世明.按扭矩和抗彎扭合成力矩計(jì)算軸徑的許用應(yīng)力［J］.鄭州紡織工學(xué)院學(xué)報(bào)，1995.6(3):64-68.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.06.013

趙爾班，1995年畢業(yè)于吉林化工學(xué)院，工程師，從事丙烯腈裝置設(shè)備管理工作，E-mail：jh_zeb@petrochina.com.cn，地址：吉林石化公司丙烯腈廠，132021。

2011-04-03)