如何消除電動平板閘閥事故隱患

　　【摘要】針對閘板無導流孔平板電動閘閥閥體內腔積水結冰對電動裝置損壞的實例，從閥門結構特點上分析了事故的原因。根據不同的電動裝置與閥門連接型式，指出冬季平板閘閥內腔積水存在的事故隱患，同時提出解決問題的方法。
　　
　　前言
　　
　　2009年初為華北沿海某新建油庫提供的電動平板閘閥在管道系統尚未運行的情況下發生批量性閥門電動裝置（以下均稱電動裝置）上箱蓋不同程度的損壞，事故造成電動閥門無法操作。上述閥門是閥板無導流孔的平板閘閥，所配電動裝置是我國引進美國Limitorque技術的SMC-00Ex和SMC-0Ex防爆多回轉型產品。其中SMC-00Ex機座的大控制轉矩為500N.m，額定推力90kN，SMC-0Ex機座的大控制轉矩為970N.m，額定推力是150kN。閥門本體和電動裝置均為成熟技術產品并有良好的使用業績，設備的安裝、電氣接線、調試等也符合規定程序。得到用戶的反饋信息，我們勘察了事故現場。根據平板閘閥的結構和載荷特性，我們判定該事故系閥門內腔下部積水結冰所致。因為此類事故已有相同案例，只是閥門構造稍有不同。為使更多用戶能進一步了解電動裝置的構造，保證對設備的正確使用，我們認為有必要從以下幾個方面給予說明，以引起用戶的注意并避免類似事故的再發生。
　　
　　1電動平板閘閥結構圖1所示為閥門的主結構剖視，其中A-A放大剖視體現了電動裝置輸出軸部套，它是*的Limitorque電動裝置結構。由圖1可見，電動裝置輸出軸內含閥桿螺母，兩者之間的轉矩傳遞靠輸出軸的內漸開線花鍵與閥桿螺母的外花鍵。閥桿螺母的軸向位置固定兩個鎖緊套完成，其內部梯形螺紋與閥桿的螺冬季戶外用平板電動閘閥事故原因分析
　　
　　1，故障診斷
　　
　　較相對薄弱，因此作用力F持續過電動裝置額定推力2倍時箱蓋極易損壞。破壞的位置如箭頭所示。是否在冬季的戶外使箱蓋材料產生冷脆性，為證明此問題公司曾將不同機座電動裝置分別在某車輛試驗機構低溫試驗室進行過產品的低溫狀態輸出軸軸向推力試驗，結果是符合設計要求的。
　　
　　從現場勘測情況看，電動裝置箱蓋的破壞程度也不同。嚴重的沿緊固螺栓孔破裂成幾部分并高出原位置數十毫米并使數個M16螺釘彎曲，有的僅產生局部裂。這種現象與積水的多少和閥板關閉位置有關，即積水量越大膨脹量大，產生的破壞越顯。反積水較少或閥板關閉位置偏上則破壞程度較輕。現場也發現有少數電動裝置主箱體上緊固箱蓋的螺孔有破壞。在實際應用中，箱蓋的損壞在設計上是合圖1紋部分嚙合。整個輸出軸部套用上下兩個圓錐滾子軸承支撐并用箱蓋固定在電動裝置的主箱內。主箱體與閥架的法蘭部分連接。圖示門處于關閉位置。當需閥門開啟時，電控操作電動裝置，輸出軸向開方向旋轉并通過內部的閥桿螺母驅動閥桿的螺紋部分。由于輸出軸部套限定了閥桿螺母的軸向位置，因而輸出軸的旋轉運動通過閥桿螺母轉化為閥桿的向上直線運動，進而提升閥板（閥瓣）實現閥門的開啟。閥門的關閉與上述運動相反。閥門全行程終端位置由電動裝置的行程控制機構控制，如果閥門工作中產生卡阻或行程位置調整有誤電動裝置的轉矩控制機構可起到保護作用。值得提出的是，平板閘閥的載荷特性與楔式閘閥類*不同，它的閥板（閥瓣）在入座時不會產生很大的推力，即閥板對閥桿的反作用力并不大。還可以認為閥板上無導流孔的平板閘閥所需行程控制精度并不高，現行多回轉電動裝置輸出軸±5℃的重復精度標準*可滿足其控制要求。當電動裝置安裝調試合理，電平板閘閥的可靠性較高，故障率較低。由此我們也可推論本次事故與電動裝置的調試無關。
　　
　　2，電動裝置損壞原因
　　
　　仍參見圖1，由于閥門內腔下部有積水，在冬季的結冰期水將結冰，尤其遇到氣溫驟降結冰的可能性更大。本次事故和前面提到的另一案例都發生在黃河以北冬季寒冷的時間段內。由物理學基本原理可知，一定容積的水結冰后體積會膨脹。圖示閥門內腔下部是密閉的鑄鋼材料空腔，隨著積水結冰膨脹其內壁均受到作用力，與此同時閥板（閥瓣）下部也受到結冰膨脹時向上的推力F。結冰過程中產生膨脹力的具體量值在計算上有一定難度，它涉及積水的多少，閥板所處的位置、內腔的容積等等。但本次事故中該膨脹力F肯定超出了電動裝置額定推力值的2倍并持續很長時間。我們可由圖1分析，閘板在F力的作用下向上推閥桿并通過閥桿作用于電動裝置。此時閥門的蓋，閥架及各部緊固螺栓均產生拉應力。從A-A放大剖視可見，閥桿推力F通過閥桿螺母、鎖緊套、輸出軸，上部圓錐滾子軸承作用在電動裝置箱蓋。箱蓋的材料為高強度鑄鐵，與整體結構比
　　
　　42石油和化工設備2009.04故障診斷理的，因為其制造成本遠低于箱體，同時便于現場更換，避免箱損壞修復的成本相對較高。根據零件損壞程度和現場手動操作驗證，本公司提出了可行的現場修復方案，以保證用戶能正常使用。
　　
　　3，電動裝置輸出軸與閥門的
　　
　　不同連接型式不同的連接型式使電動裝置的受力狀況不同，閥體內結冰時產生作用力的對象也不同。對于明桿閥門而言（閥門開啟時閥桿螺母螺紋通過電動裝置輸出軸內孔，圖示閥門為明桿閥門），電動裝置與閥門的連接基本是兩類三種型式。兩類是指電動裝置工作時承受軸向力和不承受軸向力，而承受軸向力的結構又有兩種，這樣就成了三種型式。
　　
　　a.輸出軸內含閥桿螺母式
　　
　　也就是圖1所示的結構。前面曾提到它是Limitorque技術*的，其主要優點是閥門結構簡化，閥桿螺母可由電動裝置上部取出或安裝，電動裝置結構緊湊等。它對電動裝置主箱體等件的材質、性能要求較高，因為要承受閥桿的軸向力。該結構對于1000~10000N.m輸出轉矩產品更具優勢。
　　
　　b.電動裝置推力座部套
　　
　　在一般多回轉電動裝置下部再裝一個推力座部套（亦稱推力接盤），閥桿螺母位于推力座內，工作時閥桿的軸向力由推力座承受，電動裝置的主箱體，輸出軸只承受轉矩。這種結構更適合輸出轉1000N.m以下的為多回轉產品。
　　
　　c.輸出軸與閥門上閥桿螺母
　　
　　凹凸牙嵌式連接這種結構的閥桿螺母位于閥門的閥架上，工作時電動裝置的輸出軸驅動閥桿螺母。因而此時電動裝置僅承受轉矩而不承受推力。閥桿產生的推力*由閥門的上蓋和閥架來承受。
　　
　　從上述三種連接型式中我們可知，只有*種結構（即圖1所示結構）的電動裝置整體承受閥桿軸向推力。結合到本文內容也就是只有這種結構在閥門關閉狀態下內腔下部結冰會導致電動裝置壞。
　　
　　但是，必須認識到無論何種型式閥門下部內腔積水都是冬季管道系統的事故隱患。甚至電動裝置不承受推力的結構隱患更大。因為這種情況一旦有結冰產生，閥桿的推力*由閥門的閥架、上蓋和各緊固螺栓承受，如果發生閥桿失穩變彎，閥體脹裂、閥架斷裂、螺栓拉斷等則損失更大。即使未產生明顯的變化，閥門內部各零件應力的巨變所產生的損傷也是存在的。因此必須引起使用單位的注意。
　　
　　4，結論
　　
　　通過本次事故，無論是電動閥門生產廠家還是用戶都應從中汲取教訓和啟示。事故發生在冬季尚未運行的新建管道，有可能是清洗管道時閥門內腔積水。如果積水能及時放掉或閥門閥板所處的位置在允許的情況下稍向上提起，事故是可以避免的。即使閥門在開啟的位置內部結冰，雖然不至于造成損壞，但在閥門關閉時電動裝置的行程控制機構也不能正常控制，因為閥板無法關到正確的位置，此時轉矩控制機構要起作用。所以閥門制造廠是否應在產品的隨機文件中將放掉積水這一程序加以注明，而用戶也應將這種情況列入相應的使用程序，這樣就可以消除冰凍帶來的平板閘閥事故隱患，從而為管道系統的安全行提供可靠的保證。