在液氮洗设备上运行的自控阀设备因再生工艺的要求，自控阀工作时需要在-40℃～350℃温度范围内交变使用，介质压力在1.0MPa～6.0MPa范围内变化，且介质流向也根据工艺需求在10min～5h内切换一次。在介质压力、温度和流向不断变换的工况下，自控阀主要采用轨道球阀结构，市场也基本被美国的ORBIT公司垄断。虽然轨道球阀能够在交变的温度、压力和流向工况下实现长周期双向无泄漏，但是阀门在经历长周期运行后出现动作卡顿、阀轴磨损和阀杆断裂等问题。维修后使用寿命短，且进口轨道球阀不仅价格昂贵，而且货期长，维修也不方便。有没有一种可靠、长寿命的阀门结构可以替代轨道球阀，一直是用户和阀门供应商致力的方向。本文结合轨道阀的结构，分析了造成轨道球阀故障的结构因素，同时也分享了滑板阀成功在广安某化工企业液氮洗设备上成功运用的案例。
1.轨道球阀启闭原理及优缺点
1.1轨道球阀优缺点
1.1.1优点
阀门开启时，阀球与阀座脱离，阀杆驱动阀球转动到开启位置。关闭阀门时，阀杆带动阀球在不接触阀座的情况下转动，然后阀杆下降压迫阀球紧压在阀座上。固轨道球阀启闭时阀门密封面无机械摩擦磨损，密封面使用寿命长。阀门关闭时，阀门依靠介质压力和阀杆斜推面产生的推力密封，密封性能好，可实现全压差、全温度范围内双向的严密密封。具有强制关断功能，也称为强制关断阀。
1.1.2缺点
根据生产实践可知，轨道球阀在长期使用后出现启闭卡阻、不动作和阀杆断裂的情况，尤其在动作频繁的工况，使用动作频次不如球阀。如下图1所示，轨道阀的零部件损伤图。轨道球阀的阀杆和导销是最容易被损坏的部件。
2.造成轨道球阀故障原因分析
由于轨道球阀的动作原理存在局部应力很大，摩擦磨损大。主要集中在轨道销、螺旋导槽、阀杆斜推面以及球心的滑动销和球心底座上。
2.1阀杆导槽和导销磨伤原因
轨道球阀启闭动作实现完全是依靠阀杆上的螺旋导槽与导销的滑动配合实现（如下图2所示）。在设计上销与槽应是线接触（圆柱与平面的硬接触），因加工和装配误差，销与槽的配合并不那么完美，尤其在直线导槽与螺旋导槽交接处配合误差更大。配合误差使导销与导槽存在点接触配合形成的应力集中，当应力超过材料的强度极限时，导销或导槽即被磨伤（如图1所示）。另外，螺旋导槽受力面的硬化处理也是目前急需解决的重大难题，如硬化处理不好，或者因硬化造成材料变形而产生装配误差，都会造成严重的机械磨损。更严重时，直接卡死阀门不动作。
2.2斜推面附近阀杆磨伤原因
当轨道阀启闭时，阀杆做上下运动的同时做90°的旋转运动,阀杆不仅要承受旋转运动的力矩，还要承受上下运动的推力和拉力，阀杆与阀芯的力传递依靠设计在阀芯上的滑动销和限位销以及旋转底座来实现，当阀门关闭时，阀芯不仅要抵抗介质压力，还要克服滑动摩擦阻力，这些力都被传递到阀杆的斜推面上（如图3所示）。轨道阀启闭时，阀杆在高负载（10Kg～60kg的工作压差）下动作，另外还受到配合误差造成的应力集中影响，阀杆斜推面附近是非常容易拉伤的（如图1所示）。
2.3阀芯底座与底套的磨伤原因
底套及阀芯底座是轨道球阀的关键部位，底套是固定在阀体上，阀芯底座的底面和侧面均加工成球面， 底套与阀芯底座通过球面接触配合，这样既保证了阀芯可实现可滑动和摆动，也减少了摩擦阻力（如图4所示）。但是此处也是轨道球阀非常容易被磨伤，造成阀门启闭卡阻的部位。分析其原因，主要原因有：①阀芯底座与底套加工配合精度误差，导致球面接触不良，形成局部应力超载造成。②材料硬化或者表面处理不当，造成磨损加重。③分子筛介质中往往存在微小的坚硬颗粒物进入到配合间隙，造成磨伤和卡阻。③在分子筛介质工况下介质温度变化造成材料膨胀和收缩变形导致配合精度降低，加剧了材料磨伤。
3.滑板切断阀在分子筛工况成功运用案例分享及结构特点
3.1滑板阀运用案例分享
在广安某合成氨生产企业的氢氮洗装置上因轨道球阀频繁出现启闭卡阻、卡死等故障而长期得不到很好的解决，后来与重庆川武仪表有限公司合作开发了一款专门用于分子筛工况上（干燥器6.1-1201-01入口再生气旁路切断阀）的滑板切断阀。阀门每37小时介质流向交换一次，工作温度在4～316℃范围内交变，每次换向时的升温和降温速度分别是15℃/分和24℃/分。升温时阀门温度从4℃至316℃，降温时阀门温度从316℃降至4℃。滑板切断阀于2022年7月安装，至今仍然正常运行。此阀采用直行程无旋转启闭方式，双阀座面密封结构。阀板、阀座表面喷涂硬质合金，且经研磨至严密贴合。与轨道阀相比，完全不用担心阀杆被拉伤的情况发生。前后阀座都设计有弹簧，即使在温度交变情况下也不会担心卡死的情况发生。另外滑板阀还具有强制剪断能力，也可以算作另一种形式的枪强制关断阀。其参数如下所示：
运行装置：160万吨/年联碱配套39万吨合成氨项目
安装位置：干燥器6.1-1201-01入口再生气旁路切断阀
阀门位号：0V-6785A
阀门形式：滑板切断阀
公称口径：3"
公称压力：600LB
工作介质：氢氮气
介质压力：阀前3.392MPa，阀后1.665MPa
工作压差：1.737MPa
介质温度：4-300℃（最高316℃）
升温速度：15℃/分钟
降温速度：24℃/分钟
动作频率：37小时（开关一次）
3.2滑板切断阀结构及性能特点
3.2.1阀门采用板式面密封结构，阀板与前后阀座采用面密封结构，前后阀座和阀板采用浮动式设计。当阀门动作时阀板与前后阀座作紧密贴合的相对滑动实现阀门的启闭。当阀门关闭时，阀门的密封力来自于前后的介质压差力和弹簧的推力。
3.2.2持久双向严密密封性能
阀板采用浮动式设计，依靠介质压力和弹簧力自动补偿温度变化造成的密封面配合误差。阀门启闭过程中或者全关时，阀前后的介质压差力帮助阀门密封，压差力越大，越有利于阀门密封。阀板阀座经过严格的硬化、研磨处理，阀板与阀座达到完美贴合。
3.2.3启闭灵活可靠
前后阀座采用弹簧预紧浮动式设计。一方面保证了阀板与阀座保持持久严密贴合；另一方面也消除了硬对硬的机械干涉阻碍。双重尘封圈设计，将预紧弹簧工作区域与分子筛颗粒物（设备后期存在的分子筛泄漏）完全分隔，消除了颗粒物淤积造成阀板浮动余量消失的可能性发生。阀板启闭方向与介质流向垂直，滑板阀结构具有强有力的自洁和剪切性能，可轻松剪断分子筛粉末而不损伤阀门密封面。
3.2.4强有力的自洁和剪切功能
滑板阀采用直通流道，介质流向与阀门启闭方向垂直，阀座与滑板在阀门启闭过程中一直保持严密贴合状态，即使介质中有颗粒物也可以轻松剪断，而不损伤阀门密封面。当介质颗粒附着在滑板、阀座密封面周围，也可轻松刮落。
4.总结
1、轨道球阀长期使用后出现启闭卡阻、阀杆、导销断裂和关闭不到位的主要原因，是由于轨道球阀的动作原理存在局部应力大，摩擦磨损大等原因造成，是结构设计所定的。
2、滑板切断阀是在分子筛设备工况上特定研发的一种新型的阀门结构，虽然没有大面积采用，但是在氢氮洗介质工况得到了成功地运用。滑板阀阀杆仅做直线运动，阀板与阀座也采用面密封结构，受力分散，材料变形量小。阀板采用浮动式设计，即使在温度变化场合，也能够及时补偿温度变化造成的材料收缩和膨胀引起的密封面配合误差。
京公网安备 11010602030059号
