張家鵬 ，閆懷超，馮國衛(wèi)，王孝龍

(1.上海工業(yè)自動化儀表研究院有限公司，上海 200233；2.河北新啟元能源技術(shù)開發(fā)股份有限公司，河北 滄州 061100)

0 引言

化工行業(yè)作為促進(jìn)國家發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。閥門是化工廠非常重要的一類設(shè)備。根據(jù)各種工藝的不同，其執(zhí)行的功能也各不相同，主要起到切斷隔離、調(diào)控流量、排放工質(zhì)等作用。由于閥門的工作位長期處于高溫、高壓、腐蝕等惡劣環(huán)境，在運(yùn)行過程中會時常發(fā)生故障。如果不能及時進(jìn)行檢測和維修，很可能會引發(fā)嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于閥門運(yùn)行故障導(dǎo)致化工廠停車比例為17%。導(dǎo)致故障的原因主要是制造裝配、人因和運(yùn)行環(huán)境等。在日常運(yùn)維中，調(diào)節(jié)閥發(fā)生故障的概率高達(dá)50%，而在失效的閥門中，由于閥門的彈性元件疲勞、彈力不足導(dǎo)致閥體故障的概率高達(dá)70%。彈簧失效是導(dǎo)致閥門故障的重要原因之一。因此，及時分析彈簧失效原因、對彈性元件進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)、提升高精密度調(diào)節(jié)閥的可靠性、切實(shí)保障生產(chǎn)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行，是運(yùn)維保障工作的關(guān)鍵點(diǎn)。這也對精密度高的調(diào)節(jié)閥故障診斷技術(shù)提出更高的要求。

1 項(xiàng)目基本情況

1.1 項(xiàng)目概述

一般來說，化工廠工藝復(fù)雜。例如蒽油工藝中，某單元的原料在管道內(nèi)輸送途中需要注入新風(fēng)，使其冷卻。新風(fēng)入口的孔洞與調(diào)節(jié)閥內(nèi)部相通。在這一過程中，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥時易吸入水分，造成閥門內(nèi)滯留積水。在低溫的環(huán)境下，積水會在閥門內(nèi)部凍結(jié)形成冰晶。當(dāng)閥門再次收到開啟指令時，凍結(jié)的冰晶會阻礙彈簧正常運(yùn)動，甚至引起彈簧卡滯折斷，使得閥門無法完全關(guān)閉，導(dǎo)致閥門內(nèi)漏故障發(fā)生。又如，在壓縮工段前的丙烷脫氫工藝中，新注入丙烷會與脫油塔頂?shù)谋檫M(jìn)行氣體混合之后送入進(jìn)料汽化器。汽化后的混合氣體通過換熱器進(jìn)行加熱，達(dá)到一定溫度后在進(jìn)料加熱爐中加熱至反應(yīng)所需溫度，然后送入反應(yīng)器發(fā)生脫氫反應(yīng)。由于脫氫反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，需不斷補(bǔ)充熱量，由8臺反應(yīng)器以循環(huán)方式操作。任何時候，均有：3臺反應(yīng)器反應(yīng)，3臺預(yù)熱再生，2臺抽蒸汽吹掃、真空、催化劑還原[1]。每一個單元的調(diào)節(jié)閥都長期處于這一系列的惡劣環(huán)境中，且需要根據(jù)實(shí)際的工藝需要，頻繁改變開度。由于閥門的彈性元件動作頻繁，會使設(shè)備疲勞，造成彈力不足、閥體無法密封、反饋桿松動、反饋觸點(diǎn)失準(zhǔn)等故障。由此可見，彈簧失效是導(dǎo)致閥門故障的重要原因之一。因此，分析彈簧失效原因也是運(yùn)維保障的關(guān)鍵點(diǎn)。

1.2 彈簧的失效形式分析

彈簧是將彈性材料在受力或恢復(fù)時產(chǎn)生的形變力與機(jī)械力或動能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化的裝置。其失效的形式體現(xiàn)為斷裂和彈力失效兩方面。斷裂失效主要包含以下幾類。

①脆性斷裂失效。

這種失效主要由于材料缺陷、制造方法不當(dāng)及熱處理不當(dāng)?shù)纫?。預(yù)防脆性斷裂失效的基本措施是加強(qiáng)表面缺失的檢查和生產(chǎn)制造管理。

②彈簧的疲勞斷裂失效

彈簧的疲勞斷裂一般出現(xiàn)在彈簧的局部，即某個微小的部位。在載荷的不斷作用下，裂紋會逐漸變大，最后導(dǎo)致彈簧斷裂。細(xì)小裂紋經(jīng)過一定的應(yīng)力循環(huán)后會導(dǎo)致疲勞失效。在彈簧斷裂失效中，疲勞斷裂所占的比例最大[2]。

③彈簧的腐蝕斷裂失效及腐蝕疲勞失效。

腐蝕往往是加速彈簧失效的原因。在惡劣的工況下，高低溫瞬變與其他應(yīng)力不斷變化，對彈簧的疲勞度影響很大。正常情況下，應(yīng)力相同配合環(huán)境低頻變化，腐蝕作用對彈簧的破壞會更明顯，進(jìn)而導(dǎo)致其壽命變短。

④彈簧的失效形式主要有斷裂失效和松弛失效兩大類。其中，斷裂失效的危害性最嚴(yán)重[3]，但更為普遍的現(xiàn)象是彈力松弛及變形。相對于彈簧斷裂的危害，松弛及變形失效并不是很嚴(yán)重。但是對于精密度要求較高的承壓類設(shè)備來說，松弛是一個非常嚴(yán)重的問題。

從彈簧的失效特性來看，整個過程是一個比較長的周期。如果在彈簧失效之前，進(jìn)行主動保養(yǎng)維護(hù)，就會大幅提高閥門的穩(wěn)定性和可靠性，使其使用壽命大大增加[4]。目前，大部分工廠都通過被動檢修的方式排除閥門故障。如果閥門的故障比較嚴(yán)重，則需要閥門廠商派專職人員進(jìn)廠維修。這是因?yàn)橐坏r間延誤就會影響正常生產(chǎn)，造成經(jīng)濟(jì)損失。

2 主動運(yùn)維專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是當(dāng)前故障診斷運(yùn)用最廣泛的方法之一。而研究主動運(yùn)維專家系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)價(jià)值融合創(chuàng)新體系[5]。其將傳統(tǒng)的專家知識庫與智能學(xué)習(xí)有效地融合到系統(tǒng)中，通過數(shù)學(xué)模型與實(shí)際數(shù)據(jù)對比，對設(shè)備異常數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測分析，準(zhǔn)確、迅速地預(yù)測出將要發(fā)生故障的設(shè)備，從而保障系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1 專家系統(tǒng)概述

專家系統(tǒng)作為一種可靠的計(jì)算機(jī)決策系統(tǒng)，運(yùn)用數(shù)據(jù)庫的歷史數(shù)據(jù)重現(xiàn)以及多模態(tài)啟發(fā)式方法來決策復(fù)雜的問題。其具有較高的專業(yè)性、良好的可靠性、較完善的學(xué)習(xí)能力等重要特征[6]。主動運(yùn)維專家系統(tǒng)會對調(diào)節(jié)閥動作的行為進(jìn)行在線監(jiān)測。當(dāng)被監(jiān)測的圖譜進(jìn)入專家系統(tǒng)后，系統(tǒng)會根據(jù)數(shù)學(xué)模型對當(dāng)前圖譜進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫中已有的數(shù)據(jù)作分析對比。若系統(tǒng)感知到調(diào)節(jié)閥將要發(fā)生膜室漏氣、薄膜破裂、彈簧失效、連桿卡死等故障，則會根據(jù)當(dāng)前的情況判斷出主動維護(hù)方法，并通過系統(tǒng)告知運(yùn)維人員以往的處理方式，從而有效地避免故障發(fā)生。如果在監(jiān)測過程中沒有主動預(yù)判到閥門動作失常，則會在故障發(fā)生后通知運(yùn)維人員進(jìn)行檢修，然后進(jìn)行學(xué)習(xí)，分析故障發(fā)生前的數(shù)據(jù)，并修正系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)模型。 主動運(yùn)維專家系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 主動運(yùn)維專家系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flowchart of active operation and maintenance expert system

2.2 專家系統(tǒng)原理分析

當(dāng)一個彈簧放在兩個平行板之間并施加一定的壓力，在常溫下會發(fā)現(xiàn)彈簧的承載能力隨著時間的延長而逐漸下降[7]。當(dāng)應(yīng)力為σ1時，其應(yīng)力變?yōu)棣?；若保持應(yīng)力ε1恒定不變，則維持ε1所需的應(yīng)力隨時間延長由σ1減小到σ2。應(yīng)力松馳的產(chǎn)生如圖2所示。

圖2 應(yīng)力松弛的產(chǎn)生示意圖Fig.2 Generation of stress relaxation

彈簧材料的應(yīng)力松弛過程可以用松弛曲線來描述。應(yīng)力松弛曲線如圖3所示。

圖3 應(yīng)力松弛曲線Fig.3 Stress relaxation curve

應(yīng)力松弛曲線是在總變形恒定的條件下，應(yīng)力隨時間延長而下降的曲線。不難看出，該曲線可以分為Ⅰ和Ⅱ兩部分，說明了松弛過程的兩個階段。對應(yīng)圖3中t1和t2第Ⅰ階段時間較短，而應(yīng)力下降顯著[8]；第Ⅱ階段持續(xù)時間很長，應(yīng)力隨時間延長而緩慢降低，而且降低速度趨勢恒定。所以，第Ⅱ階段是松弛過程的重要組成部分[9]。

彈簧松弛的穩(wěn)定性是指彈簧在抵抗所受的應(yīng)力時自身松弛的能力。松弛穩(wěn)定性的高低可由以下特性指標(biāo)表示。

①在允許時間tp后的殘留應(yīng)力σp。

允許時間tp一般定為105h。圖3中，tp所對應(yīng)的應(yīng)力即為殘余應(yīng)力σp。σp值越高，表示彈簧的抗松弛性能越好。

②應(yīng)力松弛率η。

式中：σ0為初應(yīng)力；σ1為任意時間之后的殘留應(yīng)力；η越小，表示彈簧材料的抗松弛性能越好。

一般規(guī)定，精密彈簧的松弛率應(yīng)≤5%。

3 案例分析

以套筒調(diào)節(jié)閥為研究對象，套筒調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 套筒調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of sleeve regulating valve

該閥門在單座閥體內(nèi)插入一個圓筒形的套筒，并以套筒為導(dǎo)向，裝配了一個能夠在其內(nèi)自由滑動的閥芯。套筒壁開有一定流量特性的窗孔，閥芯上下運(yùn)動，使套筒面積變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的目的[10]。其中，壓縮彈簧是關(guān)鍵部件之一。彈簧在全形成范圍內(nèi)的剛度不變，以提高薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的線性度。執(zhí)行機(jī)構(gòu)通入信號壓力后，壓力通過彈簧帶動推桿完成調(diào)節(jié)動作[11-12]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓縮彈簧如圖5所示。

圖5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)壓縮彈簧示意圖Fig.5 Actuator compression spring

如圖5所示，調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)壓縮彈簧位置位于閥門頂部。參考閥門使用說明書中的閥門結(jié)構(gòu)圖，得出壓縮彈簧的參數(shù)如下。

直徑d為13 mm、外徑D為135 mm、初始應(yīng)力σ0為1 667 N/mm2、使用后實(shí)際應(yīng)力σ1為1 631 N/mm2。

將數(shù)據(jù)代入應(yīng)力松弛率計(jì)算公式，得到應(yīng)力松弛率η≈2.5%。該閥門彈簧的松弛率≤5%，屬于正常范圍內(nèi)，所以不需要主動維護(hù)。

4 結(jié)論

隨著化工行業(yè)的快速發(fā)展，未來會有越來越多的智能閥門應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。這對閥門的可靠性提出了更高的要求。同時，對現(xiàn)場技術(shù)人員來說，提高智能儀表運(yùn)維的技術(shù)水平也是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。專家系統(tǒng)可以及時分析彈簧失效原因，利用從現(xiàn)場閥門收集到的測量數(shù)據(jù)，形成越來越成熟的知識庫，增強(qiáng)對彈性元件進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)的準(zhǔn)確性，彌補(bǔ)部分技術(shù)人員的不足，進(jìn)而提高閥門的可靠性，切實(shí)保障生產(chǎn)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行。