1 調(diào)節(jié)閥簡(jiǎn)介
根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC對(duì)調(diào)節(jié)閥（國(guó)外稱CONTROLVALVE控制閥）的定義：調(diào)節(jié)閥是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥體部件兩部分組成，即調(diào)節(jié)閥=執(zhí)行機(jī)構(gòu)+閥體部件執(zhí)行機(jī)構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的推動(dòng)裝置，它按信號(hào)壓力的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力，使推桿產(chǎn)生相應(yīng)的位移，從而帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥芯動(dòng)作；閥體部件是調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)部分，它直接與介質(zhì)接觸，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿的位移，改變調(diào)節(jié)閥的節(jié)流面積，達(dá)到調(diào)節(jié)的目的[2]。
調(diào)節(jié)閥根據(jù)執(zhí)行器分為電動(dòng)、液動(dòng)、氣動(dòng)，以氣動(dòng)最為常見(jiàn)；根據(jù)閥體結(jié)構(gòu)可分為直通單、雙座閥、套筒閥、球閥、蝶閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥等；按流量特性可分為直線、等百分比、拋物線和快開(kāi)，根據(jù)介質(zhì)的性質(zhì)、溫度、壓力等條件應(yīng)選用合適的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。
定位器——調(diào)節(jié)閥最重要的附件之一，閥門定位器能夠增大調(diào)節(jié)閥的輸出功率，減少調(diào)節(jié)信號(hào)的傳遞滯后，加快閥桿的移動(dòng)速度，能夠提高閥門的線性度，克服閥桿的摩擦力并消除不平衡力的影響，從而保證調(diào)節(jié)閥的正確定位，并且可以使閥門動(dòng)作反向。運(yùn)行一部全部氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥共489臺(tái)，其中420臺(tái)使用了ABB智能閥門定位器，此定位器結(jié)構(gòu)緊湊，安裝調(diào)試方便，但是實(shí)際使用過(guò)程中，故障率較高，其中一個(gè)最主要的原因就是很容易引起調(diào)節(jié)閥波動(dòng)，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥盤根泄漏，工藝操作不穩(wěn)定，甚至無(wú)法操作。后面會(huì)根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，羅列出一些由于定位器引起的調(diào)節(jié)閥波動(dòng)，然后闡述一般的處理方法。
2 調(diào)節(jié)閥常見(jiàn)故障現(xiàn)象及原因分析
2.1 氣源故障
1）現(xiàn)場(chǎng)氣源未開(kāi)。
2）氣源含水，天氣寒冷結(jié)冰。
3）凈化風(fēng)停止供應(yīng)。
4）氣源總管泄露或風(fēng)線堵塞導(dǎo)致風(fēng)壓過(guò)低，調(diào)節(jié)閥不能全開(kāi)或全關(guān)，甚至不動(dòng)作。
5）空氣過(guò)濾減壓器長(zhǎng)時(shí)間使用，臟物太多，減壓閥下黑色旋鈕打開(kāi)漏風(fēng)，使輸出風(fēng)壓小于規(guī)定的壓力，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥不能全開(kāi)全關(guān)，甚至不動(dòng)作。
6）現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)線漏風(fēng)，接頭松動(dòng)，導(dǎo)致風(fēng)壓不足，調(diào)節(jié)閥不能全開(kāi)全關(guān)，甚至不動(dòng)作。
7）過(guò)濾減壓閥故障，導(dǎo)致風(fēng)壓不穩(wěn)，造成調(diào)節(jié)閥振蕩。
2.2 線路故障
1）電源線接線端松動(dòng)、脫落、短路、斷路，電路板灰塵積得太多導(dǎo)致接觸不良，信號(hào)波動(dòng)，調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生振動(dòng)。
2）大雨或臺(tái)風(fēng)過(guò)后，設(shè)備進(jìn)水受潮使接線短路，造成調(diào)節(jié)閥不能全開(kāi)或全關(guān)。
3）極性接反會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥不動(dòng)作。
4）電源線中間段故障，由于絕緣膠帶的失效，電線絕緣皮脫落造成線與線之間的短路，由于現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)導(dǎo)致電線斷裂，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動(dòng)作不連續(xù)振蕩，不能全開(kāi)或全關(guān)甚至是不動(dòng)作。
5）由于調(diào)節(jié)閥維修過(guò)后接線失誤，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥故障。
6）調(diào)節(jié)閥輸出信號(hào)不穩(wěn)定，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥操作波動(dòng)。
2.3 定位器故障
1）反饋桿固定螺母松動(dòng)脫落，反饋桿上的彈簧脫落，造成反饋桿的松動(dòng)、脫落、卡澀，使調(diào)節(jié)閥振蕩。
2）定位器中的位置傳感器故障，當(dāng)振動(dòng)到壞點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致中控室顯示超程，過(guò)一陣又恢復(fù)正常，通過(guò)更換可以解決。
3）定位器PID參數(shù)整定不合適。
2.4 調(diào)節(jié)閥閥體故障
1）調(diào)節(jié)閥閥芯或閥座磨損（介質(zhì)的沖刷、鐵銹、焊渣等臟物的劃傷磨損），卡澀（介質(zhì)中的各種雜質(zhì)堵塞），密封不嚴(yán)（密封環(huán)磨損），導(dǎo)致閥全關(guān)時(shí)介質(zhì)依然過(guò)量，無(wú)法控制。
2）調(diào)節(jié)閥盤根壓得過(guò)緊或過(guò)松，過(guò)緊使調(diào)節(jié)閥閥桿動(dòng)作遲緩或跳躍，過(guò)松會(huì)使介質(zhì)泄露，若是重油很有可能燃燒，造成很大的事故。
3）調(diào)節(jié)閥安裝時(shí)管道與閥體不同心，使調(diào)節(jié)閥受附加應(yīng)力過(guò)大，造成振蕩，不能全開(kāi)或全關(guān)等。
4）調(diào)節(jié)閥閥桿與連接件固定螺母松動(dòng)，閥桿與閥芯不同心，導(dǎo)致閥關(guān)不死，所受應(yīng)力增大，導(dǎo)致閥桿高頻振蕩，甚至斷裂。
5）調(diào)節(jié)閥膜頭故障，由于膜片長(zhǎng)時(shí)間使用，老化變質(zhì)，彈性變小，密封性變差，膜片漏氣，壓縮彈簧老化，彈性變小，斷裂，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥不能全開(kāi)全關(guān)甚至失去控制。
6）調(diào)節(jié)閥閥芯脫落、閥芯與閥座卡死、閥桿彎曲或折斷會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動(dòng)作正常，但是起不到調(diào)節(jié)作用。
2.5 調(diào)節(jié)閥應(yīng)用工況與原設(shè)計(jì)工況不符導(dǎo)致的故障
1）由于設(shè)計(jì)院給的設(shè)計(jì)參數(shù)（閥體的材質(zhì)、填料的形式、調(diào)節(jié)閥的流開(kāi)與流閉、流量特性的選擇及使用時(shí)的開(kāi)度等）與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際不符出現(xiàn)故障。
2）由于工藝介質(zhì)的變化，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥的工況滿足不了實(shí)際工況而造成故障。
3）流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的閃蒸（液體流過(guò)調(diào)節(jié)閥的節(jié)流口時(shí)，速度上升，壓力下降，降到液體在該工況下的飽和蒸汽壓Pv時(shí)，便會(huì)汽化，分解出氣體形成兩相流動(dòng)）、空化（節(jié)流后，速度下降，壓力回升，當(dāng)壓力的恢復(fù)超過(guò)Pv時(shí)，不再繼續(xù)汽化，同時(shí)液體中的氣泡將還原為液體，這時(shí)氣泡破裂，產(chǎn)生較強(qiáng)的壓力沖擊波）、氣蝕（由于氣泡破裂產(chǎn)生的沖擊力極大，會(huì)嚴(yán)重地沖擊損傷閥芯、閥座表面，特別是密封面處，會(huì)產(chǎn)生蜂窩狀的損壞），造成調(diào)節(jié)閥的振蕩，材質(zhì)的損壞及較大的噪聲。
4）現(xiàn)場(chǎng)有振動(dòng)源（管道或基座），會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥接線松動(dòng)，固定螺母松動(dòng)甚至導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥振蕩。
5）調(diào)節(jié)閥流通能力Cv值選得過(guò)大，經(jīng)常在小開(kāi)度下工作，介質(zhì)對(duì)閥芯閥座的沖刷及流量特性均受很大影響，使調(diào)節(jié)閥振蕩。
6）調(diào)節(jié)閥流向裝反，導(dǎo)致流開(kāi)與流閉的形式反向，不僅會(huì)影響調(diào)節(jié)閥的流量特性，還有可能使閥前后壓差過(guò)大，使閥開(kāi)關(guān)所需的力增大，甚至導(dǎo)致閥桿斷裂。
7）調(diào)節(jié)閥在使用過(guò)程中，由于介質(zhì)的壓力波動(dòng)，閥芯相對(duì)于導(dǎo)向面作橫向運(yùn)動(dòng)（若閥芯與閥座間間隙較大，振動(dòng)更加強(qiáng)烈），一般會(huì)產(chǎn)生頻率小于1500Hz的振動(dòng)，當(dāng)其頻率與調(diào)節(jié)閥的固有頻率相接近甚至相同時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，這種工況下的調(diào)節(jié)閥會(huì)產(chǎn)生嘯叫現(xiàn)象，以及極大的破壞力。
8）調(diào)節(jié)閥壓縮彈簧剛度不足，預(yù)緊力不夠也會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥振蕩。
9）當(dāng)介質(zhì)內(nèi)含有雜質(zhì)、異物卡在閥芯閥座處，會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥關(guān)不死，泄漏量增大。
10）由于介質(zhì)高溫高壓（一般高于200℃），盤根會(huì)出現(xiàn)泄漏，而且填料壓蓋又不能壓得太緊，如果緊固解決不了，就必須更換，例如常減壓裝置的重油一旦泄漏，很容易發(fā)生事故。
11）調(diào)節(jié)閥閥蓋法蘭泄漏和閥體出現(xiàn)砂眼也會(huì)造成調(diào)節(jié)閥的外漏，外漏所造成的影響要比內(nèi)漏更加嚴(yán)重。
案例一：102-FV-30204閥桿斷裂故障2013年10月30日，催化單元操作員反映吸收一中102-FT-30204顯示流量驟降，給大調(diào)節(jié)閥閥位，后路流量無(wú)變化，現(xiàn)場(chǎng)檢查變送器FT30204無(wú)問(wèn)題，打開(kāi)該閥副線后，流量增大，初步判斷調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂，閥芯脫落。調(diào)節(jié)閥落地解體后發(fā)現(xiàn)閥桿與執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出軸不同心，流體及執(zhí)行機(jī)構(gòu)不平衡力作用在變徑位置，且現(xiàn)場(chǎng)工藝管線振動(dòng)，導(dǎo)致閥芯高頻震動(dòng)，產(chǎn)生垂直于閥桿的剪切應(yīng)力，金屬產(chǎn)生疲勞、在閥桿最細(xì)位置斷裂。
通過(guò)查詢資料顯示，該閥在2011年也曾出現(xiàn)過(guò)閥桿斷裂的情況，且與該閥同處的催化單元吸收穩(wěn)定換熱平臺(tái)的吸收塔底油控制閥102-FV-30206也有過(guò)類似故障，考慮到該故障并非巧合，于是對(duì)閥桿斷裂的原因進(jìn)行了深入研究。
調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂的原因有很多：閥桿的材質(zhì)，調(diào)節(jié)閥的選型，介質(zhì)的工況，閥內(nèi)件的熱處理與加工質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)等。但造成閥桿斷裂的根本原因是閥桿受剪切應(yīng)力集中和金屬疲勞導(dǎo)致的。下面逐一進(jìn)行分析。
故障原因分析：
流經(jīng)該閥的介質(zhì)為吸收一中，溫度46℃，操作壓力0.3MPa，主要成分為粗汽油，密度740kg/m3，工藝介質(zhì)內(nèi)雜質(zhì)較少，如圖1中斷面可知表面光滑，不是由于介質(zhì)的腐蝕導(dǎo)致。該閥正常工作流量為100T/H左右，調(diào)節(jié)頻次幅度都很小，操作十分平穩(wěn)，在故障前也沒(méi)有作大幅度地調(diào)整，通過(guò)檢查現(xiàn)場(chǎng)也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯波動(dòng)和噪聲。通過(guò)查詢?cè)O(shè)計(jì)資料和閥門開(kāi)度，該閥為籠式閥，等百分比流量特性，閥位一般控制在45％，綜合分析并不是由于設(shè)計(jì)上的缺陷和調(diào)節(jié)閥選型的問(wèn)題。閥桿閥芯材質(zhì)為2Cr13馬氏體不銹鋼，這種材質(zhì)有較強(qiáng)的硬度、抗拉壓韌性、抗疲勞強(qiáng)度和一定耐高溫耐腐蝕能力。從材質(zhì)的選擇上來(lái)說(shuō)是沒(méi)有問(wèn)題的。通過(guò)勘查現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的振動(dòng)源，不過(guò)由于閥桿和閥芯在閥蓋內(nèi)，發(fā)生高頻低幅的振動(dòng)從外觀是無(wú)法觀察到的，加上閥桿斷裂的根本原因是閥桿處收到的剪切應(yīng)力，所以這種高頻率、低幅度的振動(dòng)直接影響了閥桿的正常使用。
閥桿與閥芯連接處斷面
Fig.1 The valve stem and valve core joint section
分析結(jié)果：
由于閥前后差壓變化大，當(dāng)流體流過(guò)閥門內(nèi)部時(shí)，由于流通面積地急劇變化，使得流動(dòng)變得不穩(wěn)定，對(duì)閥芯會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)壓力的沖擊。而調(diào)節(jié)閥的閥內(nèi)件的各個(gè)組件其存在各階固有頻率。當(dāng)閥桿-閥芯組件受到流體不穩(wěn)定沖擊的頻率和其某一階固有頻率相吻合的時(shí)候，便會(huì)致使閥門閥芯處于微觀高頻上下振蕩，長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)致閥桿疲勞失效。
解決及改進(jìn)方案：
1）改變閥芯的流量特性
調(diào)節(jié)閥一般在開(kāi)度相對(duì)較低的時(shí)候發(fā)生振動(dòng)，采用改變調(diào)節(jié)閥流量特性的方法可以消除振動(dòng)。如把快開(kāi)特性改成直線特性、直線特性改成等百分比特性、等百分比特性改成雙曲線特性，可以在調(diào)節(jié)閥流量不變的情況下增大閥門的開(kāi)度，從而可以避免調(diào)節(jié)閥在小開(kāi)度下工作，有效地防止調(diào)節(jié)閥振動(dòng)的發(fā)生。
2）改變安裝方向
改變閥門流向，由側(cè)進(jìn)底出改為底進(jìn)側(cè)出，即將流閉閥改成流開(kāi)閥，通過(guò)改變流向消除振動(dòng)現(xiàn)象，增加閥門運(yùn)行穩(wěn)定性。
3）改變閥門結(jié)構(gòu)
由ASB拋物線型平衡式閥內(nèi)件改為ABM籠式平衡式閥內(nèi)件，介質(zhì)流經(jīng)閥芯流量孔后通過(guò)互相碰撞降低流速及消耗掉部分能量，達(dá)到閥門的穩(wěn)定運(yùn)行。
案例二： 常二線控制閥101-FV-03302震蕩
現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)閥最常見(jiàn)的故障就是震蕩，調(diào)節(jié)閥的波動(dòng)過(guò)大會(huì)影響工藝操作平穩(wěn)，產(chǎn)品質(zhì)量不合格，甚至引起事故。震蕩現(xiàn)象雖然十分普遍，但引起震蕩的原因很多，故根據(jù)2013年12月13日常二線控制閥101-FV-03302的典型故障，總結(jié)出一個(gè)常規(guī)的分析解決方案，方法如下：
首先檢查氣路環(huán)節(jié)，即檢查風(fēng)壓是否達(dá)到要求，風(fēng)線接頭處是否漏氣，定位器是否漏氣等。具體步驟為：將其打到手動(dòng)狀態(tài)，使閥開(kāi)到一定開(kāi)度，觀察閥位是否變化，其上面的小風(fēng)表也會(huì)有靈敏的變化，可據(jù)此判斷定位器環(huán)節(jié)是否漏氣，若閥桿與膜頭連接處漏風(fēng)，則說(shuō)明膜片破損。經(jīng)檢查后，發(fā)現(xiàn)定位器進(jìn)氣模塊處漏風(fēng)，隨后進(jìn)行密封處理，漏氣現(xiàn)象消除，但閥還是震蕩，于是對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行自整定，看自整定能否消除震蕩現(xiàn)象。整定完后調(diào)節(jié)閥仍然震蕩，于是在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整以達(dá)到較快解決問(wèn)題的目的。定位器中包含有PID參數(shù)，故而它也相當(dāng)于一個(gè)調(diào)節(jié)器，因此對(duì)參數(shù)的調(diào)整會(huì)相對(duì)煩瑣一些，解決閥震蕩的參數(shù)只要有以下幾項(xiàng)：
1）將運(yùn)行模式從“1.0自適應(yīng)控制方式”下切換到“1.1固定控制方式”，觀察震蕩現(xiàn)象是否減小或消除，若無(wú)減小或消除，則進(jìn)行下一步設(shè)置。
2） 調(diào)整“P1.2容差帶”，定位器的容差帶缺省設(shè)置在0.68%，而針對(duì)震蕩的閥則應(yīng)適當(dāng)增大其容差帶，但保證容差帶總是比死區(qū)大0.2％以上。
3） P7.0與P7.1是開(kāi)向與關(guān)向放大比例，數(shù)值較高，控制速度快，但同時(shí)影響穩(wěn)定性，數(shù)值太大將會(huì)引起波動(dòng)。
4） P7.2與P7.3是開(kāi)向與關(guān)向積分時(shí)間，數(shù)值較高，控制速度快，但同時(shí)影響閥位精度。
5） P7.4與P7.5是開(kāi)向與關(guān)向微分，使調(diào)節(jié)閥的閥桿提前啟動(dòng)和制動(dòng)，但數(shù)值過(guò)大，會(huì)降低其抗干擾能力。
6） P7.6與P7.7是開(kāi)向與關(guān)向偏移量，數(shù)值大了，會(huì)引起波動(dòng)，數(shù)值小了，動(dòng)作速度慢（注：ABB定位器P7組態(tài)菜單中的各個(gè)項(xiàng)目主要是調(diào)節(jié)PID參數(shù)，根據(jù)調(diào)節(jié)閥具體的震蕩形式、開(kāi)關(guān)閥的具體情況要進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)定）。
7）經(jīng)過(guò)以上的參數(shù)調(diào)整，閥不再震蕩后，即可保存修改參數(shù)，將調(diào)節(jié)閥投用。若震蕩現(xiàn)象沒(méi)有得到減小或效果不明顯，可將定位器中的IP模塊進(jìn)行專項(xiàng)檢查，看是否出現(xiàn)進(jìn)水受潮或電路問(wèn)題，若無(wú)法維修，可以試著更換新的定位器解決此問(wèn)題[3]。
4 調(diào)節(jié)閥的日常維護(hù)
為了降低調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障的概率，日常對(duì)其進(jìn)行的維護(hù)保養(yǎng)工作也尤為重要，羅列出下面幾項(xiàng)措施：
1）定位器、減壓閥定期排污（油、水）。
2）檢查反饋桿是否松動(dòng)與脫落。
3）檢查附件各壓力表是否損壞，氣源壓力是否符合調(diào)節(jié)閥銘牌上的額定值。
4）檢查調(diào)節(jié)閥膜頭是否漏氣，氣源管是否破裂、漏氣。
5）檢查調(diào)節(jié)閥上下膜蓋上排氣孔是否堵塞（氣開(kāi)式有進(jìn)雨水的可能）。
6）檢查調(diào)節(jié)閥的填料是否有泄漏。
7）檢查調(diào)節(jié)閥的上閥蓋與閥體接觸面是否泄漏。
8）檢查進(jìn)線口是否密封，各螺栓連接件部分是否銹蝕，是否需要防腐。
9）檢查調(diào)節(jié)閥的手輪是否處于自動(dòng)位置，未處于自動(dòng)位置的是否屬于限位，是否有記錄。
10）保持調(diào)節(jié)閥的整體衛(wèi)生清潔。
11）防水，閥門要做防雨罩。
12）檢查閥門的固定是否牢固，是否有振動(dòng)。
13）檢查機(jī)械齒輪是否有卡的現(xiàn)象，要定期潤(rùn)滑保養(yǎng)。
14）檢查反饋桿等運(yùn)動(dòng)部分要定期潤(rùn)滑，保證靈活可靠。
5 結(jié)論
調(diào)節(jié)閥是自動(dòng)控制系統(tǒng)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其運(yùn)行情況的準(zhǔn)確、穩(wěn)定直接影響控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。因此，做好調(diào)節(jié)閥日常巡檢和維護(hù)保養(yǎng)工作，可大幅度提高調(diào)節(jié)閥使用的平穩(wěn)率，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，能做好原因分析、制定解決方案、事后總結(jié)等一系列工作，對(duì)自己的儀表水平是一種提升，更是為生產(chǎn)的平穩(wěn)操作保駕護(hù)航。
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