双密封导轨阀操纵机构改造

赵尔班 霍凤华 韩春雨（吉林石化公司丙烯腈厂）

双密封导轨阀操纵机构改造

赵尔班 霍凤华 韩春雨（吉林石化公司丙烯腈厂）

针对双密封导轨阀在丙烯腈装置运行过程中出现的问题，根据阀门结构特点进行分析，找出存在问题的原因，并结合丙烯腈生产的工艺特性提出改造方案。通过在线对双密封导轨阀的操纵器结构进行简化改造，提高了阀门的可靠性，方便了操作，避免了装置停车，保证了装置的稳定运行。

丙烯腈装置 双密封导轨阀 操纵器 结构改造

1 概述

近年来，在丙烯腈装置中的一些大孔径（公称直径≥500 mm）管线上使用的双密封导轨阀门多次出现打不开，或者损伤操作器组件的情况。每年都有几台阀门在停车检修时进行解体拆检维修。2008年，对1台公称直径DN600的阀门解体拆检发现，该阀内部阀芯与阀瓣被聚合的物料紧紧固定成一体，采用500 t水压机才将阀芯自阀瓣分离开。最严重的一次是2009年，1台DN500阀门开启时将上阀杆扭断（图1），支架被轴承顶裂（图2）。为此，针对出现故障的情况，结合其结构特点，对这次阀杆断裂事故进行了分析，并提出改进措施。

2 双密封导轨阀的结构特点

双密封导轨阀的基本结构主要由阀体组件和操纵器组件2部分组成（图3）。

2.1 阀体组件

阀体组件主要包括阀体、阀芯、阀瓣(嵌主密封圈)、端盖、底盘、密封填料等。阀芯与阀瓣是阀体部分的核心。阀芯通过上、下耳轴固定于阀体内，中间为流道口，两侧为斜楔面，在楔面上铣有的燕尾导轨同左右2片阀瓣相连。阀瓣是主密封件，阀瓣的表面为圆柱面，在圆柱面上铣有1圈棱形槽，采用模压硫化的方法在其中永久嵌有主密封圈(氟化橡胶或丁腈橡胶等)，当阀门关闭时可形成软密封。

2.2 操纵器组件

操纵器主要由指示标记牌、手轮、涡轮蜗杆机构、上阀杆、阀杆套、球头销、挡销、限位轴和支架等组成，该组件通过支架固定在阀体组件的端盖上，通过连接销与阀体组件中的下阀杆相连。上阀杆和阀杆套通过梯形螺纹相连，上阀杆中部装有挡销。阀杆套上端面设有端齿，侧表面有I形导槽(图2)。梯形螺纹部分实现轴向直线移动，端齿和挡销导槽与限位轴及球头销相结合控制90°旋转[1]。

当阀门由关闭至开启时，按逆时针转动手轮，阀芯先作向上直线移动，到一定位置后作90°旋转运动，使阀门处于导通状态。当阀门处于关闭状态时，阀体上、下游流道口均被阀瓣密封，即双密封；同时每个阀瓣的密封面又能形成软、硬两种密封，确保了阀门的零泄漏。当阀瓣旋转时，软密封与阀体不接触，无摩擦，硬密封对软密封可起到保护作用，并具有防火功能[2]。

3 问题分析

由于丙烯腈装置生产过程中，所接触的工艺介质都含有一定浓度的氰化物，严禁直接排入大气、水体。这些含有氰化物的工艺介质在常温状态、流动性差的环境极易发生自身聚合，特别是在阀门关闭后的相对封闭空间内更是易于自聚形成一整块聚合物。

损坏的阀门位于脱氢氰酸塔与其再沸器之间的气相管线上，2台再沸器1开1备；由于备用的再沸器的阀门一直处于关闭状态，导致物料长期滞留在阀芯中腔和阀瓣之间的空隙内，发生自聚形成固态聚合物，将阀芯与阀瓣紧密地连为一个整体。在启用该再沸器开启气相的导轨阀门时，阀芯与阀瓣之间由于聚合物的原因未出现分离而没有发生相对运动，即阀芯仍然固定在阀瓣上，整个阀门仍处于关闭状态。由于该阀门公称直径为DN500，其手轮通过3∶1的圆锥齿轮带动涡轮蜗杆传动机构的蜗杆，涡轮蜗杆的传动比为80∶1，故通过手轮传到上阀杆的力量则被放大了240倍。另外，该阀门上阀杆为空心结构，内插显示杆，故该阀杆抗剪切能力大幅下降。在阀芯因工艺介质聚合处于抱死状态时，强行转动手轮导致阀杆处的剪切力超过上阀杆材质的强度而被扭断（图1）；同时由于上阀杆连同阀芯无法做轴向运动，顶起的球头销将支架顶裂 （图2）。

4 解决措施

由于阀杆断裂时装置还在正常运转，为避免非计划停车造成严重的生产事故，尝试在线修复该阀门。

考虑到阀门内部结构与球阀类似，阀芯旋转90°即可打开或关闭阀门，而原操作组件过于复杂，又易损坏；故设想直接摒弃原可轴向位移的操作组件，将原传动机构直接安装到上阀杆上，以类似球阀的形式开、关阀门，确保阀门的正常使用。

根据这一构想，在原断裂的上阀杆上增加一延长的阀杆与原传动机构相连，以传导通过传动机构执行开关阀门的扭矩。阀杆的直径按照扭矩估算轴径的公式进行粗略计算。

一般正常人单手力量不超过体重的一半，则估算所用在手轮上的力为：30 kg×9.8 N/kg=294 N；由于阀门上手轮直径为450 mm，故手轮处的力矩为：294 N×450 mm÷2=66150 N·mm；通过两级传动（圆锥齿轮为3∶1，涡轮蜗杆为80∶1）放大后，阀杆处所受的扭力力矩为：66150 N·mm×3×80=15876000 N·mm；带入按扭矩估算轴的公式：

式中：【τ】为许用扭应力（N/mm2）。由于阀杆材质选用45#钢，故根据表1取【τ】为30 N/mm2。求得的阀杆直径 d0≥139.25 mm［3］。

表1 常用材料的许用扭应力

考虑到旋转手轮过程中，各级传动副——齿轮、涡轮蜗杆之间以及轴承之间因摩擦阻力而均有一定的损失，故作用在阀杆处的力矩达不到理论计算数值。各级传动效率如下：

◇圆锥齿轮传动效率：0.92～0.95，取η1=0.95；

◇蜗杆传动效率：0.82～0.92，取η2=0.92；

◇滚动轴承传动效率：0.99（一对儿），共计3对轴承，取η3=0.993=0.970299；

◇总的传动效率：η=η1×η2×η3=0.848041326。

阀杆直径经修正后d≥d0×η=118.1 mm ，故取阀杆直径为120 mm。

为了与阀门原上阀杆连为一体，在上阀杆断裂处焊制1片法兰（图4）；在新增的延长阀杆底部预先焊制1片与之对应的法兰，通过这对儿法兰将扭矩传递到阀芯。同时为固定涡轮蜗杆的传动机构，按照原支架上下连接盘的尺寸，制作一简易支架，通过它将原传动机构固定在阀门上部（图5）。

将延长的阀杆与阀门原上阀杆通过中间的法兰用螺栓固定后，再将支架与阀体通过螺栓固定，然后将涡轮蜗杆传动机构坐到简易支架上，通过平键与延长的阀杆相连，并与支座上端面用螺栓固定（图6）。最后，摇动传动机构的手轮，旋转约60圈后，观察到加长的阀杆同原上阀杆一同缓慢旋转90°，证明该阀门完全开启。

5 结论

尽管双密封导轨阀具有开关灵活迅速、无泄漏等优点，但不适合用于丙烯腈生产装置，特别是用于输送类似的易聚合物料时，阀芯与阀瓣抱死造成阀门开关费力，甚至导致阀杆传动轴扭断的严重后果。对此，将原空心的阀杆改为加粗的实心轴，取消复杂的操纵器部分，以简易的支架代替，简化了整个阀门的结构，提高了阀门可靠性。

［1］宋磊，营黎明.双密封导轨阀结构设计［J］.阀门，2002（6）:1-3.

［2］宋磊，营黎明，殷伟.双密封导轨阀的功能及适用性分析［J］.油气储运，2003,22(10):40-43.

［3］杨世明.按扭矩和抗弯扭合成力矩计算轴径的许用应力［J］.郑州纺织工学院学报，1995.6(3):64-68.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.06.013

赵尔班，1995年毕业于吉林化工学院，工程师，从事丙烯腈装置设备管理工作，E-mail：jh_zeb@petrochina.com.cn，地址：吉林石化公司丙烯腈厂，132021。

2011-04-03)