单作用气动执行器增大扭力方法探究与应用

朱志星,郭永新,于海军

(中海石油(中国)有限公司 深圳分公司,广东 深圳 518000)

气动关断阀在石油化工行业中应用广泛,在紧急情况下,关断阀可快速动作切断管路,起到隔离作用。为保证关断阀的密封性,关断阀的阀体通常会选用球阀,而球阀很容易受介质中的杂质影响,因此容易出现卡阻现象,如果执行器扭力不足,则关断阀无法全关,起不到保护作用。若更换大扭力的执行器,不仅费用高而且周期长。操作人员和供应商尝试各种方法寻找有效增加扭力的办法,以解决卡阻的问题。

1 单作用气动关断阀结构及工作原理

1.1 关断阀结构

单作用气动关断阀结构如图1所示,一般由执行器气缸、阀体、气源、电磁阀、反馈开关组成。

图1 单作用气动关断阀结构示意

1.2 工作原理

单作用气动关断阀通过气源供气,利用气动执行机构将压缩空气转换成机械能,推动阀芯的运动,从而控制阀门的开度,实现对流体流动的控制。

1)气源供气。通过气源将压缩空气送入气动关断阀的气动执行机构中。

2)气动执行机构。气动执行机构包括活塞、气动驱动器和阀芯等部件。当气源供气时,气动驱动器将压缩空气转换成机械能,推动活塞和阀芯运动。

3)阀芯运动。活塞和阀芯通过连杆相连,当气动驱动器推动活塞运动时,阀芯也会随之移动。阀芯的移动会改变阀门的开度,从而控制流体的流动。

4)流体控制。当阀芯关闭时,阀门完全关闭,流体无法通过;当阀芯打开时,阀门完全开启,流体可以自由通过。阀芯的位置可以根据需要进行调节,从而控制流体的流量和压力。

5)控制信号。阀芯的运动由气源供气的控制信号来控制,通常使用气动控制系统或电气控制系统来发送信号,控制阀芯的开度。

2 关断阀的卡阻原因分析

关断阀卡阻原因及应对措施见表1所列。根据表1分析出的原因,对现场卡阻的阀门进行检修并逐项排查,排除了气源问题、润滑问题、腐蚀问题、污染问题、活塞密封问题。通过查阅阀门以及执行器说明书,确认关断阀卡阻原因为阀门设计问题,扭力选型过于保守,选择的扭力为阀体扭力的1.5倍,球型阀体在有杂质时,扭力会增大,从而导致执行器卡阻。同时对卡阻的ROTORK S-045-200/DL型关断阀进行扭力测试,测试记录见表2所列。

表1 关断阀的常见卡阻原因及措施

表2 ROTORK S-045-200/DL型关断阀扭力测试记录 N·m

表2中的数据是阀门实测扭力将执行器与阀体脱开后,使用扭力扳手所测的数据。其中,阀门开度在50%位置时,执行器的扭力无法驱动球阀打开。因此,只要加大弹簧扭力,则可以解决卡阻问题。

3 增大执行器扭力非常规方法

3.1 方法一

使用工具增加扭力,利用一种外夹式气动执行器阀门活络辅助装置,可在日常设备维保及异常情况下使用,提高设备的安全可靠性。该方案已获得专利授权,活络装置由第一半圆夹块和固定连接在第一半圆夹块背面的第二半圆夹块组成,2块半圆夹块的外表面开设有插孔,内壁设置有直条纹内牙,插孔的内壁设置有直杆。该活络装置在执行器与阀体间的连接件上组合2块半圆夹块形成夹环,将直杆插入到夹环插孔内。由于弹簧处于压缩状态,摆动直杆使连接件产生一个旋转的作用力,相当于给弹簧增加一个外部作用力,因此可以使卡阻的阀体进行活络,弹簧可以复位工作,从而可以在阀门卡阻情况下,通过外加作用力,手动开关阀门,使阀门执行器弹簧复位[1]。该方法可以在线及时解决活络阀门,解决卡阻问题,但只适用于小尺寸的气动执行器,并不能从本质上增大扭力解决问题。

3.2 方法二

将电磁阀更换成“两位五通”电磁阀,结构如图2所示。电磁阀的2个出口分别连接到执行器的进气口与透气口,此时执行器变成了双作用执行器。

图2 “两位五通”电磁阀结构示意

“两位五通”电磁阀通常与双作用执行器配合,通过控制该电磁阀的开关状态,可以改变气缸2个端口的气压或真空状态,从而控制双作用执行器的运动方向和位置。当电磁阀失电时,进气口端无压力,而透气口端有压力,此时活塞往左运动,弹簧复位,阀门处于关闭状态;当电磁阀得电时,透气口端无压力,而进气口端有压力,此时活塞往右运动,弹簧压缩,阀门处于打开状态。

该方法的双作用气缸可以有效增加执行器扭力,解决阀门卡阻问题,只需要更换电磁阀,周期短且费用低,但同样不能从本质上解决卡阻问题。例如,当在极端情况时,无电源和气源,此时执行器需要依靠弹簧的弹力来驱动阀门关闭。如果原阀门本来就存在卡阻现象,那么该情况下,阀门还是会存在隐患。该执行器是基于单作用方式来设计的,如果从透气口处反供气,活塞右边到透气口部分密封容易损坏,容易导致漏气。

3.3 方法三

增加一个小弹簧,实现双弹簧驱动,增大执行器输出扭力。假设第一个弹簧的力为F1,第二个弹簧的力为F2,当2个弹簧都处于弹性形变状态时,它们的力可以通过弹簧的胡克定律计算。根据胡克定律,弹簧力与形变程度成正比,可以表示为F=kx,其中,F为弹簧力,k为弹簧的弹性系数,x为形变程度。同时,由于在执行器内弹簧是线性运行,当2个弹簧同时受力时,它们的力叠加为F=F1+F2,因此增加弹簧可以增大执行器输出扭力。该方法费用低,可以从本质上解决执行器扭力不足问题,但增加弹簧需要考虑不影响原执行器的正常运行,同时需要计算选择合适的弹簧。

以上三种方法各有优缺点,可以根据现场情况选择不同的整改措施。

4 应用效果

通过以上分析,选用合适的解决方法,效果如下：

1)方法二应用效果。现场将执行器的“两位三通”电磁阀更换为“两位五通”电磁阀,并且按照双作用执行器工作原理,对管路进行改造。经过测试,执行器工作正常,阀门不存在卡阻现象。

2)方法三应用效果。选择合适尺寸的小弹簧,安装到执行器气缸原弹簧内。增加小弹簧后,对原执行器不产生任何影响,经过现场实际应用,阀门卡阻现象得到改善。

3)经效效益。某海上平台关断阀共有175台,经统计,生产工艺流程关断阀出现卡阻故障现象每月约20次。应用以上两种方法后,月故障次数降低到2次,有效提高了设备的稳定性,同时节约升级费用约200万元人民币。

5 结束语

对于单作用气动关断阀出现卡阻问题,供应商希望用户更换新型号阀门;而用户在遇到卡阻问题时,除考虑产品成本外,还需要打破常规,敢于创新。事实证明,增大扭力除升级外,还可通过增加1个小弹簧可以有效增大执行器的扭力,解决卡阻问题,有效延长气动关断阀生命周期。