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              電動閘閥發生故障的原因分析及應對
              發布時間:2019-09-13   點擊次數:2226次

                  1 概述

              ?    某廠現場所使用的送水泵出口電動閥是日本制造的,形式為暗桿楔式電動閘閥,公稱直徑 450mm,數量共有 7 臺,由于使用時間較長,閥門的性能有所下降,于 2003 年 4 月和 5 月分別將 4 號、5 號出口電動閥更換為國產件。自從國產件更換上以來,4 號和 5 號出口電動閥故障不斷,銅套頻繁的出現磨損、剪斷(拔牙)現象,致使閘板從閥桿上脫落,閘板失控,導致閥門無法開啟。

                  2 原因分析

                  從理論上講,銅套在工作時是閥桿螺紋傳遞的擠壓力、磨削力和軸向剪切力等作用在銅套上而使之損壞,但在實際生產中還存在著許多因素。比如銅套加工質量不好(牙形偏差大、光潔度差、鑄造缺陷)、行程開關調整不當、工作環境差等。

                  通過對現場設備損壞情況和實際工況的分析,認為主要原因應該是以下兩種原因之一:

                  一是傳動螺紋的表面所承受的載荷大于本身表面承受載荷的設計值。每一次開、關閥門,銅套的螺紋就受到一次強烈的擠壓磨削,而使傳動螺紋磨削變形,強度下降,最后導致銅套損壞。通過對已損壞銅套的直觀檢查來看,其創口并非完全是硬性磨損,而存在著明顯的磨削變形、擠壓變形(見圖 1)。

               

              電動閘閥發生故障的原因分析及應對.png

                  圖 1 新舊銅套對比圖

                  針對這種情況可以采取提高銅套質量的辦法來增加銅套的強度,使銅套單位面積所能承受的載荷上升,有效避免銅套的磨損。但是由于要保護閥桿,銅套的硬度不能太高,而且受到制造工藝和材料的限制,銅套的硬度也不可能有極大的提高。

                  當然也可以采取增加銅套螺紋的厚度,即增加銅套的磨損余量,同樣可以達到延長使用壽命的目的,只是方式方法上較為被動,并沒有從根木上解決問題。

              二是閥門選型不當。新更換閥門的閥板與閥座處采用的是雙楔硬密封形式,如圖 2 所示,雙楔式的密封形式即閥板與閥門的兩個端面都具有一定的斜度。

              電動閘閥發生故障的原因分析及應對1.png

                  圖 2 雙楔硬密封結構圖

                  理論上講采用雙楔形式的閥門啟閉將較為省力,因為悶板一旦開啟.閥板上升后.閥板會立即與閥座脫離接觸,在閥門開啟和關閉的過程中閥板與閥門不接觸,因此動作較為省力。但是在實際的使用過程中,由于閥門在開啟和關閉的過程中受到進口處水流的沖擊,閥板將向出口處偏移,由此造成閥板頂部的銅套與閥桿的嚙合產生變化,啥合的效果下降。銅套螺紋與閥桿螺紋在正常情況下應該如圖 3 所示,螺紋是全面積進行接觸的,而雙楔式的閘閥在動作過程中螺紋實際的接觸情況如圖 4 所示,接觸的面積大為下降,單位面積上所承受的力大幅上升,遠超出螺紋表面強度所能承受的范圍,同時螺紋的頂部直接參與嚙合,造成螺紋的磨損大為加速.使用壽命顯著下降。

              電動閘閥發生故障的原因分析及應對2.png

                  圖 3 銅套與閥桿螺紋正常嚙合圖

              電動閘閥發生故障的原因分析及應對3.png

                  圖 4 銅套與閥桿螺紋實際嚙合圖

                  而在實際使用中由于供水管網主要是控制壓力,在送水泵的流盆與壓力無法進行調節的情況下,只能通過調節該閥門的開度來控制壓力,故該閥門在單項受壓的情況下頻繁動作,所以在短時間內銅套完全失效也就不足為怪了。

                  針對這種情況可以采用增加銅套長度的方法。增加銅套的長度可以改善銅套的導向性,在一定程度上可以改善銅套的啥合狀況。但是銅套的長度到達了一定值后,改善導向作用的效果將不再明顯。同時銅套尺寸過長后會造成加工困難,加工精度不容易控制,反而會導致螺紋受力集中在幾個齒上,使銅套的受力條件更加惡化。

                  3 對策措施

                  通過對銅套材質和受力情況的分析和計算,第一種傳動螺紋的表面所承受的載荷大于本身表面承受載荷的設計值的情況可以排除.因此造成銅套短期內迅速失效的原因就應該是選型不當造成的。

               

              由于增加銅套長度的方法成本較高,所以為了避免閥板在動作過程中產生偏移,最終還是對閥門的結構進行了改進,將原來的雙楔式密封面改為如圖 5 所示的單楔式密封形式。

               

              圖 5 單楔式密封結構圖

              圖 5 單楔式密封結構圖

               

              在進水口處密封面是傾斜的,在出水口處密封面是平的。采用這種形式的密封面,在閥門的開閉過程中.閥板受進口處水流的沖擊作用.進口處的傾斜密封面脫離接觸,不受磨損,閥板沿著出口處的平面上下運動.由于有出口處的平面作為依靠,而且在閥板的側面還加裝了導向槽,閥板不會產生偏移。故保證了銅套與閥桿大面積的接觸,有效降低了螺紋單位面積上所承受的力。而在閥門關閉以后,閥門的出水口處受水壓作用,閥板與進口處的傾斜密封面緊密接觸。由于在開閉過程中該密封面不接觸,不會磨損,長期使用后閥門的密封效果也不會下降。

               

              當然也可以使用平板閘閥來代替雙鍥閘閥,但是平板閘閥本身造價就高.同時啟閉所需扭矩也較大.需要對電動執行機構進行更換.成本較高。而且平板閘閥密封面的磨損也較大,長期使用后密封效果下降較快。

               

              4 結束語

               

              閘閥本應該是在管路系統中起到截止和開放介質作用的,然而由于受到生產工藝的要求和現場實際情況的限制,本文中所提到的閘閥也起到了一定的控制流量的作用,所以在使用過程中動作較為頻繁,普通形式的雙楔閘閥和平板閘閥均難以適用。采用單楔式密封的閥門后,閥門銅套的壽命得到了極大的提高,密封效果有了極大的改獸,很好的解決了現場的技術難題。

               

                  2 閘閥閥座受力分析

                  雙側密封式閘閥是通過增強閥瓣對閥座的推力而實現的,接觸壓力應大于進口流體的壓力。這種閘閥的缺點是,如果在冷態下閉合,后來進入熱態,閥瓣就會出現膨脹,于是形成閉合位置卡緊,當再次開啟閥門時就會遇到困難,這種情況就是俗稱的“下炕”。良好狀態的閘閥都是實現單側密封。平行式閘閥也只能與出口位置的閥座實現單側密封。標準的楔式閥瓣閘閥情況也一樣,壓力使進口側閥瓣變形,流體流過進口側閥瓣直至閥腔達到壓力平衡。由此引出出口處閥座受介質外壓作用而產生的強度問題。

               

              閘閥閥座受外壓作用分析1.png

                  圖 1 實現單側密封的闡閥

                  如圖 1 所示,介質進入閥體中腔后,作用于出口側(左側)的閥瓣,在左側閥座與閥瓣密封面處形成一個密封比壓,阻止介質的流通。同時介質作用于閥體與左側閥座之間的間隙,使左側閥座外側受到介質壓力的作用。在對左側閥座進行強度計算時,就是應對閥座受外壓的狀態進行分析,而使用規則設計的設計方法已經不能解決如此復雜的問題。在本文中采用分析設計的設計方法進行楔式雙閘板閥座的強度校核。

                  通過對閥座的受力分析可知,閥座與閥體焊接處為固定約束,閥座外腔受到介質壓力的作用,閥座密封面處受到閥瓣的密封比壓的作用,詳細的受力情況如圖 2 所示。

              閘閥閥座受外壓作用分析2.png

                  圖 2 閥座受力分析

                  把實體模型轉入 ANSYS 中進行分析,選擇磚型六面體單元 Solid45,輸入材料的彈性模量和柏松比(如《表 1》所示),采用自由網格劃分模型,默認求解器求解,得出閥座的應力云圖和應變云圖。

              《表 1》 材料為 12Cr1MoV
              彈性模量(MPa) 2.140e+006
              柏松比 0.286
              質量密度(Kg/mm2 7.86e-012
              屈服拉伸強度(MPa) 255
              極限拉伸強度(MPa) 470

                  由應力分析云圖可知,閥座的最大應力出現在閥座內腔與閥座和閥體焊接連接處,閥座形狀在該位置變化較為劇烈且存在尖角,應屬于峰值應力,在該處選取應力評定線,按 JB4732-95 的應力分類原則(如《表 2》所示)對應力評定線上的應力進行分類,得出評定線上的薄膜應力和彎曲應力,分別與限定值進行比較,即可得出閥座的設計是否合理。

              《表 2》 各類應力強度的限制
              類別 符號 計算值 限制值
              一次薄膜應力 MEMBRANE Pm Sm
              一次薄膜+彎曲應力 MEM+BEND Pm+Pb 1.5Sm

                  3 結論

                  通過應力分析設計方法可以對閘閥閥座進行應力強度校核,同時可以得出閥座設計是否合理。

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