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气动蝶閥开启动作延迟问题及解决方法

2020-07-31

气动蝶閥概述

某核电厂气动蝶閥在机组运行期间出现多次开启动作延迟故障(运行规范要求阀门的开启时间≤120s)。气动蝶閥开启初期,在2~3min时间内无动作。气动蝶閥开始动作后,在30~40s内能达到全开状态,但气动蝶閥在20%~40%开度发生过卡塞故障。经检测,气动蝶閥各部件运行良好,无卡塞和损坏等本体故障。为彻底消除气动阀门开启动作延迟和卡塞故障,对气动蝶閥和系统进行了系列分析、计算和相关试验,查找气动蝶閥故障产生原因,制定气动蝶閥改进方案。

气动蝶閥的结构性能气动蝶閥图片

气动蝶閥由衬胶对夹式蝶閥及气动装置组成(图1)。衬胶对夹式蝶閥由阀体、蝶板、阀座和阀杆等组成,通过蝶板与橡胶阀座的过盈实现阀门的密封。气动装置为拨叉式单作用气缸,气缸侧进气,活塞推动拨叉旋转,输出力矩关阀,并压缩弹簧储能,气缸侧停止进气,弹簧复位,推动活塞,带动拨叉旋转,输出力矩开阀。蝶閥公称尺寸DN600,工作压力1.2MPa。

气动蝶閥的计算及分析

针对气动蝶閥实际工况条件,通过理论计算和试验对蝶閥的开启力矩进行计算和实测。

1、計算

根据理论计算,气动蝶閥的zui大开启力矩约4200N.m,阀门气动执行机构设计输出力矩为4106~7035N.m,正常情况下实际力矩应小于理论计算值,阀门力矩能够满足阀门正常开启。

2、動態試驗

在试验台架的一段直管段上安装气动蝶閥,使用试验泵对此管段进行1.2MPa下流量循环,测量阀门的力矩变化。衬胶对夹式蝶閥开启瞬间,由于密封面摩擦力矩的影响,力矩较大。蝶板开启20°后已完全脱离密封面,阀门扭矩明显减小。在1.2MPa压力下保持阀门关闭状态20d,启泵进行流量循环和对比试验。

实测证明,气动蝶閥开启zui大扭矩发生在蝶板与阀座密封面结合时(即存在静态摩擦阻力时),实测zui大力矩<2500N.m。小于阀门气动执行机构设计输出力矩4106~7035N.m。由此判断阀门设计满足工况要求。在现场出现故障,是应为其他在设计中未考虑到的因素。气动蝶閥开启力矩表

3、分析

对现场实际情况建模分析,气动蝶閥所在管路系统复杂,前后弯管距离较短,紊流强烈,动水力矩超出设计值,因此介质对蝶板冲击较大。

理论计算和阀门动态试验结果分析,气动蝶閥无法开启的原因为系统动水力矩超出设计要求。经研究,解决方案有3种。一是更改系统管道,减小气动蝶閥的动水力矩。二是增加气动蝶閥气动执行机构的输出力矩,克服气动蝶閥的动水力矩。三是减小气动蝶閥的静态阻力,用更多的输出力矩克服气动蝶閥的动水力矩。

气动蝶閥的改进

因系统布局等原因,管道更改较困难。为确保气动蝶閥的可靠性,现场采用二、三方案联合使用方法,即更换气缸弹簧增加气动蝶閥的输出力矩和减小阀座密封件过盈量减小阀门静态阻力同步实施,用以消除气动蝶閥无法开启故障。气动蝶閥在20%~40%情况下卡塞,主要通过上下阀杆增加拉杆机构,减小系统压力对上下阀杆产生偏移的影响。

1、減少密封過盈量

减小密封过盈量能够减小气动蝶閥开关时静态阻力,蝶板与阀座单边过盈量由2.0mm减小至1.6mm,有效减小了气动蝶閥驱动力矩。为验证方案的可行性,试制了样机。样机除密封过盈量减少外,其他参数变动较小。对原有气动蝶閥和样机气动蝶閥进行空载荷1.76MPa启闭扭矩的对比测试。试验方法为蝶板关闭至全关位置后,测量气动蝶閥开启力矩值(表1)。

测试数据显示,空载情况下,减小密封过盈量减少气动蝶閥扭矩约600N.m,在1.76MPa情况下,减少密封过盈量减小阀门扭矩约1500N.m。从试验结果分析,密封过盈量减小后,可有效减小气动蝶閥开启扭矩。

2、閥杆增加拉杆機構

上下閥杆增加拉杆機構,減小系統壓力對上下閥杆産生偏移的影響,提高上下閥杆同軸度,消除閥杆不同心導致中間位置卡阻。在下閥杆與蝶板連接處設計了小球結構,對下閥杆與蝶板起定位防轉功能,上下閥杆實現同步轉動,保證上下閥杆連接處螺紋不會松脫。

3、氣缸改進

考虑到现场空间限制,只对活塞缸体及配用的弹簧进行改进。经计算,选用缸径D=450mm,外弹簧有效圈数10.5,总圈数12,全压缩时压力为20.1KN,内弹簧有效圈数10.5,总圈数12,全压缩时压力20.2KN。气缸改进后开启zui大力矩增大1.4倍,达到7550N.m,设计安全系数达到1.75,可以避免气动蝶閥因紊流、振动、轴承磨损等原因导致的卡阻。

气动蝶閥改进后,经现场使用,气动蝶閥120s开启动作延迟现象完全消失,阀门能够在30~50s内开启,20%~40%开度卡塞现象彻底消失,气动蝶閥验证合格。经大量更换系统中类似气动蝶閥,其性能良好,无卡塞和开启动作延迟情况发生,为系统正常运行提供了保障。

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