程控阀气缸窜气的快速判断、分析及处理方法

刘锦民 丁波 崔晓锦 韩智炜

(甘肃银光聚银化工有限公司甘肃白银730900)

程控阀气缸窜气的快速判断、分析及处理方法

刘锦民 丁波 崔晓锦 韩智炜

(甘肃银光聚银化工有限公司甘肃白银730900)

甘肃银光聚银化工有限公司现有3套变压吸附(PSA)装置，在正常生产过程中，程控阀气缸窜气是造成变压吸附装置不能正常运行的主要因素。由于程控阀气缸结构复杂、密封件较多且阀门开关频率高，造成各密封件磨损严重，甚至损坏，导致气缸窜气频率较高。所以，生产运行期间及时发现气缸不同部位的窜气，对于分析判断故障原因并尽快处理十分重要。而程控阀作为PSA装置运行中最重要的控制设备，对开关动作响应速度要求高，开关的快慢直接影响产品质量和后工序的安全稳定生产。如果窜气严重，会立即导致阀门无法开关，致使PSA装置无法正常运行，产品气不合格、生产降负荷或后工序停运，经济损失非常大。

1 程控阀气缸结构和工作原理

1.1程控阀气缸结构

程控阀气缸类似于活塞，气缸顶部弹簧预紧螺栓密封垫片，气缸被活塞板分为2个部分，上气缸内安装高强度安全弹簧，在活塞板上由弹簧预紧螺栓固定弹簧罩平衡反扣，保证弹簧轻微压紧而不发生位移。活塞“O”形密封圈和特殊润滑油密封活塞板与气缸之间保持合适的间隙，活塞“O”形圈在充分润滑和适中的磨合速度下往复滑动。由于“O”形密封圈与活塞板边缘沟槽的接触面积大于与气缸内壁滑动面的接触面积，且各角度接触面润滑均匀，所以可在活塞板上下运动时保证活塞板密封完好，平行滑动。活塞固定螺母和活塞固定套将活塞板紧固在推杆的一定位置，活塞推杆“O”形圈及其特殊润滑油在推杆衬套凹槽处将推杆与活塞板完全固定密封。在气缸底部，支架推杆“O”形圈和活塞推杆“O”形圈分别与特殊密封润滑油在气缸支架顶部边缘沟槽处和推杆倒角处接触气缸边缘和支架顶部，对其完全固定密封。从根本上实现了气缸整体和上下气缸的完全密封。

1.2程控阀气缸工作原理

当程序运行至阀门开启时，气源挤压通过下气源管和二位五通电磁阀下通道，推动快速排气阀薄膜关闭，进入活塞下部分，由于活塞完全密封、仪表风压力较高，在下气缸内的活塞板上产生强大的推力，带动推杆在一定的上行程范围内拉动阀芯迅速向上运行，并压缩上气缸弹簧，上气缸内气体被压缩，压力增大，仪表风通过气缸上通道气源管至二位五通电磁阀上通道打开滑阀排气，使阀门快速开启。另外，阀芯处的流体压推阀芯通过阀杆带动活塞板向上运行，当推杆的向上推力与活塞上弹簧的反作用力、上气缸内气体压力平衡时，推杆稳定在新的位置，阀门稳定开启，上气缸停止排气，各进、排气口气体不会流动和发出声音。

阀门关闭时，气源挤压通过气缸上气源管和二位五通电磁阀上通道进入活塞上部分，由于气缸完全密封。仪表风压力高，在活塞板表面产生强大的推力，和弹簧伸张弹力带动推杆在一定的下行程范围内下推阀芯迅速运行。下气缸内气体被压缩，压力增大，仪表风通过下气源管推动快速排气阀内薄膜打开，从快速排气阀排气口直接排出而不经过电磁阀通道，阀门快速关闭，当推杆的向下推力和弹簧的作用力与下气缸内气体压力平衡时，推杆稳定在新的位置，阀门稳定关闭，快速排气阀停止排气，阀门各进、排气口气体不会流动和发出声音。

2 程控阀气缸窜气故障的判断方法

程控阀气缸窜气故障的判断方法有现场判断法和DCS曲线判断法，其中后者最快捷有效。DCS曲线判断法从工艺监控位置和判断效果上分为PSA吸附曲线判断和产品气在线分析仪判断;现场判断法又可细分为故障终止判断和生产期间故障判断。故障终止判断就是故障发生到终止、被迫维修的阶段，阀门故障的预防性判断和处理效果消失，没有实际意义。生产期间故障判断根据造成气缸窜气密封部件分为气缸损坏、活塞板断裂、活塞固定螺母松动、活塞“O”形圈损坏、快速排气阀损坏、支架推杆“O”形圈损坏等，而电磁阀内部为金属滑阀，活塞推杆“O”形圈、支架“O”形圈和气缸顶部的弹簧预紧螺栓密封垫属于紧固件密封，一般不会损坏，造成气缸故障终止。

2.1DCS曲线判断法

DCS曲线判断是利用DCS集中监控工艺运行状况，PSA吸附曲线能间接的完全反映出阀门的开关状态和历史趋势，查调曲线并实时监控，判断直接、快速。产品气在线仪曲线的异常间接说明阀门开关不及时，开关出现故障，一般而言，故障原因是气缸窜气。

2.1.1 PSA吸附曲线判断

PSA吸附器内压力是程控阀在程序控制开关下控制工艺运行达到的，所以PSA吸附曲线是吸附器过程压力变化最直接、真实的反映，若程控阀气缸窜气、在程序规定的时间内无法正常开关，吸附压力必然发生异常变化，导致曲线紊乱。只要查调同一时刻、不同步序的曲线，根据吸附压力变化情况、工艺需求推理，即可判断出窜气阀门的位号。按PSA吸附曲线异常严重程度分为气缸轻微窜气和严重窜气。轻微窜气时，程控阀开关延时不大，压力异常不大，曲线出现“毛刺”或“拐角”，可观察运行;严重窜气时，阀门无法开关，无法满足工艺需求，曲线出现“凸台”或“棱角”，需停止运行进行检查维修。

2.1.2 产品气在线分析仪曲线判断

产品气在线分析仪取样口安装在产品气出口总管上，检测产品气中主要杂质组分数据，能真实反应PSA吸附器提纯气体输出后杂质组分的变化。正常情况下，在没作任何工艺调整时，各时序下吸附床输出气体组分稳定，在线分析仪检测的杂质组分也是稳定的，曲线呈规律性变化。一旦程控阀气缸窜气，设定程序内无法正常开关，造成该步序下其他吸附器内气体窜入，组分发生变化。轻微窜气时，延时短、组分波动小，在规律性曲线上出现“毛刺”或者“拐角”，但基本不影响工艺运行，可观察运行;窜气严重时，阀门开关就会延时过长或停止开关，造成杂质组分波动大，曲线“突跳”明显，此时阀门故障终止。

2.2现场判断法

阀门气缸窜气时，仪表风从排气口或漏气口非正常持续排出，发出稳定、有规律的声音。密封件损坏越严重，密封性越差，泄漏口越大，流速越快，排气声越高。现场判断法根据阀门仪表风窜气部位、气流大小、声音高低、是否连续等类型作出初步判断，继而观察装置运行状态，找出问题的根本原因。由于气缸结构复杂、密封件较多，无法对窜气声音高低准确测量，主要依靠工作经验和原理分析判断气缸窜气原因，其准确性和精确性不高，但该方法能做到基本准确，使得阀门勉强开关，可维持生产线正常运行，这为故障处理赢得时间，不会造成故障终止判断。现场判断法是气缸窜气的最有价值、实际意义、直接有效的判断方法。

2.2.1 气缸损坏后气缸窜气的判断

缸体损坏造成气缸无法密闭，甚至活塞板断裂、弹簧断损，仪表风从损坏口直接排入外界，阀门无法开关，直接导致阀门故障终止。

2.2.2 活塞板断裂后气缸窜气的判断

当活塞板裂纹较小或没有完全断裂时，阀门能够开关，但开关时都会延时，此时气缸上下相互窜气，阀门无论开关，上、下气缸进气都会窜气。二位五通电磁阀和快速排气阀排气口同时持续排气，气流在快速排气口收缩挤压排出，流速高、压力大、扰动声大，触摸时冲刷力大。

当活塞板裂纹较大或完全断裂后，仪表风从电磁阀和排气阀排气口缩径处挤压持续排出，窜气量越大，流速越高;压力越大、持续扰动声越大，触摸时冲击力大，此时阀门无法开关，故障终止。

2.2.3 活塞固定螺母松动后程控阀气缸窜气的判断

活塞固定螺母松动造成气缸内活塞固定套上下活动，会出现以下几种现象:①当阀门开启和开启稳定后，排气基本正常，无法察觉;②关闭延时，气流在快速排气口缩径挤压持续排气，流速高、压力大、扰动声大，触摸时冲击力大;③阀门能够开启，勉强维持生产，此时状况不易发现异常;④关闭时轻微窜气，误判为密封圈磨损而推迟维修，活塞板继续随程序较长时间频繁上下活动、持续开关导致活塞固定螺母松动严重，进而造成气缸损坏。

2.2.4 活塞“O”形圈损坏后气缸窜气的判断

活塞“O”形圈比较粗(粗约10mm，不同规格阀门密封圈内径Φ100～800mm)，其损坏后的现象有:①阀门开、关延时;②活塞“O”形圈撕裂面积较大，开启、关闭时快速排气阀排气口持续排气，窜气量大，气流扰动声音大，压力大;③活塞“O”形圈轻度撕裂，在二位五通电磁阀和快速排气阀排气口附近迅速收缩挤压持续排气，虽然窜气量不大，但其流速高，扰动声非常大，触摸时冲击力大。

“O”形圈撕裂口越多，开、关延时越严重，开关时排气口仪表风持续收缩挤压排出，流速越高，压力越大、发出扰动声越大，触摸时冲击力大，比气源管接口直接断开时强大。另外，活塞“O”形圈作为易损件，质量不高时，运行3d就已经损坏，损坏频率较高，所以，及时发现并解决活塞“O”形圈磨损问题，实际意义重大。

2.2.5 快速排气阀薄膜损坏后气缸窜气的判断

快速排气阀薄膜损坏后出现的现象:①阀门开启延时，快速排气阀排气口持续排气，发出扰动声;②关闭时，气流从薄膜撕裂口排出，发出“外刺”声，且排气压力越来越低，声音越来越小;③稳定关闭后，各进、排气口气流正常;④阀门开启轻微延时，关闭时基本不影响工艺运行，能够满足工艺需求，可观察运行;⑤吸附压力受影响，PSA吸附曲线肯定出现“毛刺”或者“拐角”。

2.2.6 支架推杆“O”形圈损坏后气缸窜气的判断

支架推杆“O”形圈损坏后，程控阀下气缸无法完全密封。开启时，下气缸进气，支架推杆与气缸支架顶部接触边缘窜气，但由于支架推杆“O”形圈非常细(粗约2mm，外径约Φ50mm)，且撕裂面最大不超过全密封面的1/4，所以窜气量小、压力小，不影响程控阀的开关，但支架推杆处气体“外刺”。

3 程控阀气缸窜气的理论分析

化工工艺管道气体流动过程中，管道内气体压力的大小间接反映流速的快慢，所以，通过计算造成程控阀气缸窜气的配件损坏面处气体压力大小，可间接对比出气缸窜气量的大小。一般轻度损坏时，损坏面较小且为1个，按照规则矩形估算，以DN200mm阀门为例(活塞板外径380mm;活塞“O”形圈粗约10mm，外径约375mm;支架推杆“O”形圈粗约2mm，外径约50mm)，分别对活塞板断裂、活塞“O”形圈、支架推杆“O”形圈损坏后气缸窜气量根据下式进行粗略计算。

V=Sv

式中:V——造成程控阀气缸窜气的配件损坏面处瞬时气体流量;

S——造成程控阀气缸窜气的配件损坏面积;

v——压缩气体的流速。

当活塞板断裂时，裂纹宽度一般约1mm，则V1=S1v1=0.38×0.001v=0.00038v。

活塞“O”形圈撕裂时，撕裂面长度一般约10mm，则V2=S2v2=0.01×0.01v=0.0001v。

支架推杆“O”形圈撕裂时，撕裂面长度一般约10mm，则V3=S3v3=0.01×0.002v=0.00002v。

以阀板断裂造成阀门无法开关时压缩气体压力损失为临界值对比为V1＞V2＞V3，V1≈3V3。由此可见，当活塞“O”形圈撕裂产生1个断损面时，仪表风损失的压力不足以导致阀门无法正常开关;当断损面超过3个，仪表风的损失压力就会造成阀门无法正常开关;支架推杆“O”形圈撕裂产生19个断损面时，损失的仪表风压力才能影响阀门开关，此现象一般不会出现，因为当密封圈撕裂面太多时，撕裂面能够通过损失的仪表风，不会再次撕裂其他部位;气缸损坏后仪表风损失压力远远大于活塞板断裂时配件损坏面处瞬时气体流量V1，一旦发生，肯定导致阀门无法开关，因此不做计算。上述估算结果的分析与阀门气缸窜气后实际维修处理情况基本相符。

4 程控阀气缸窜气判断处理案例

2013年6月19日，现场发现某程控阀排气异常，检查确认快速排气阀排气口持续排气，扰动声非常大，触摸时冲击力大，开启速度缓慢;严重延时，电磁阀排气口持续排气，扰动声非常大，触摸冲击力大，初步判断为气缸窜气。通过对窜气现象及工作原理分析，进一步判断该阀门气缸内活塞板断裂或活塞“O”形圈撕裂。后切出程序停运该阀，对气缸解体检查，活塞板没有完全断裂，但出现裂纹，活塞“O”形圈完好，更换活塞板投运后PSA装置运行正常。

此时由于PSA吸附曲线和产品气在线分析仪曲线没有明显的异常，所以DCS操作站员工无法及时发现故障，误判生产线运行正常。而根据现场生产期间故障判断及时发现和检查处理气缸窜气的阀门，没有出现故障终止。在该阀切除系统停运更换新阀板时，虽然造成生产线负荷降低、产气量下降，此时该阀所在的吸附床曲线异常，但整套PSA装置的其余吸附床曲线正常，生产线低负荷下连续安全稳定运行，产品气质量合格、后工序稳定运行。

5 程控阀气缸窜气统计

2012年6月至2014年6月程控阀气缸窜气情况统计见表1。

表1 2012年6月至2014年6月程控阀气缸窜气情况统计

由表1可以看出，2013年6月至2014年6月，程控阀共发生气缸窜气74次，比2012年6月至2013年6月多13次，这是由于2013年未安排程控阀大修，造成快速排气阀薄膜、活塞“O”形圈老化严重，活塞板使用周期延长，断损频率高，气缸窜气明显增加。快速排气阀薄膜损坏、活塞“O”形圈轻微损坏可观察运行时间较长，也不影响阀门正常运行，为发现和处理故障争取了时间，所以一般出现故障完全能够发现。支架推杆“O”形圈密封面与磨损面较小，属于静密封，故障频次变化不大。而新故障气缸损坏突发之前没有明显的现象，活塞固定螺母松动最初与密封件损坏相似，容易误判，如果误判或提前不易察觉，严重时突发性强、损坏性大、破坏剧烈，可能将气缸撞坏，甚至撞破，阀板断裂，进而损坏弹簧，故障终止，潜在的危险较大，对生产稳定运行影响严重、后续维修耗时长、成本高。因此，生产期间巡检时，对气缸窜气的阀门及时排查，尽早发现异常，重点对窜气现象和开关状态仔细观察、深入分析及准确判断，关键阀板断裂、活塞锁紧螺母松动突发造成程控阀故障终止的阀门及时处理，能够有效维护生产线正常运行。同时，不断总结经验、提高技能和判别的准确性，可有效降低误判造成故障终止的次数。

6 结语

程控阀窜气原因有气缸损坏、活塞板断裂、活塞固定螺母松动、活塞“O”形圈损坏、快速排气阀薄膜损坏、支架推杆“O”形圈损坏等。程控阀窜气后，开关过程中动力气体流径异常，气流声音、排气量异常，容易发现故障。但窜气声音高低和排气量无法检测、量化，且异常位置变化不大，不易准确判断原因，需要不断总结经验，坚持定期检查、排查阀门，多观察思考，结合故障判断方法和工作原理，快速分析和判断，完全能够精准判断出原因，有效维护阀门的正常运行，为程控阀气缸抢修创造条件和赢得时间。DCS曲线判断程控阀气缸窜气不是最佳方法，只能在阀门故障终止时才能有效判断出故障，对工艺稳定运行意义不大，而作为轻微窜气故障监控意义明显。

2014－09－18)