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冬季户外用电动闸阀事故分析

 前言

    2009年初为华北沿海某新建油库提供的电动平板闸阀在管道系统尚未运行的情况下发生批量性阀门电动装置(以下均称电动装置)上箱盖不同程度的损坏,事故造成电动阀门无法操作。

    上述阀门是阀板无导流孔的平板闸阀,所配电动装置是我国引进美国Limitorque技术的SMC-00Ex和SMC-0Ex防爆多回转型产品。其中SMC-00Ex机座的最大控制转矩为500N.m,额定推力90kN,SMC-0Ex机座的最大控制转矩为970N.m,额定推力是150kN。阀门本体和电动装置均为成熟技术产品并有良好的使用业绩,设备的安装、电气接线、调试等也符合规定程序。

    得到用户的反馈信息,我们勘察了事故现场。根据平板闸阀的结构和载荷特性,我们判定该事故系阀门内腔下部积水结冰所致。因为此类事故已有相同案例,只是阀门构造稍有不同。

    为使更多用户能进一步了解电动装置的构造,保证对设备的正确使用,我们认为有必要从以下几个方面给予说明,以引起用户的注意并避免类似事故的再发生。

    1 电动平板闸阀结构

电动闸阀结构.png

图1

    图1所示为阀门的主结构剖视,其中A-A放大剖视体现了电动装置输出轴部套,它是独特的Limitorque电动装置结构。

    由图1可见,电动装置输出轴内含阀杆螺母,两者之间的转矩传递靠输出轴的内渐开线花键与阀杆螺母的外花键。阀杆螺母的轴向位置固定两个锁紧套完成,其内部梯形螺纹与阀杆的螺纹部分啮合。整个输出轴部套用上下两个圆锥滚子轴承支撑并用箱盖固定在电动装置的主箱体内。主箱体与阀架的法兰部分连接。

    图示阀门处于关闭位置。当需阀门开启时,电控操作电动装置,输出轴向开方向旋转并通过内部的阀杆螺母驱动阀杆的螺纹部分。由于输出轴部套限定了阀杆螺母的轴向位置,因而输出轴的旋转运动通过阀杆螺母转化为阀杆的向上直线运动,进而提升阀板(阀瓣)实现阀门的开启。阀门的关闭与上述运动相反。

    阀门全行程终端位置由电动装置的行程控制机构精确控制,如果阀门工作中产生卡阻或行程位置调整有误电动装置的转矩控制机构可起到保护作用。

    值得提出的是,平板闸阀的载荷特性与楔式闸阀类完全不同,它的阀板(阀瓣)在入座时不会产生很大的推力,即阀板对阀杆的反作用力并不大。还可以认为阀板上无导流孔的平板闸阀所需行程控制精度并不高,现行多回转电动装置输出轴±5℃的重复精度标准完全可满足其控制要求。当电动装置安装调试合理,电动平板闸阀的可靠性较高,故障率较低。由此我们也可推论本次事故与电动装置的调试无关。

    2 电动装置损坏原因

    仍参见图1,由于阀门内腔下部有积水,在冬季的结冰期水将结冰,尤其遇到气温骤降结冰的可能性更大。本次事故和前面提到的另一案例都发生在黄河以北冬季最寒冷的时间段内。由物理学基本原理可知,一定容积的水结冰后体积会膨胀。图示阀门内腔下部是密闭的铸钢材料空腔,随着积水结冰膨胀其内壁均受到作用力,与此同时阀板(阀瓣)下部也受到结冰膨胀时向上的推力F。

    结冰过程中产生膨胀力的具体量值在计算上有一定难度,它涉及积水的多少,阀板所处的位置、内腔的容积等等。但本次事故中该膨胀力F肯定超出了电动装置额定推力值的2倍并持续很长时间。

    我们可由图1分析,闸板在F力的作用下向上推阀杆并通过阀杆作用于电动装置。此时阀门的上盖,阀架及各部紧固螺栓均产生拉应力。从A-A放大剖视可见,阀杆推力F通过阀杆螺母、锁紧套、输出轴,上部圆锥滚子轴承作用在电动装置箱盖。箱盖的材料为高强度铸铁,与整体结构比较相对薄弱,因此作用力F持续超过电动装置额定推力2倍时箱盖极易损坏。破坏的位置如箭头所示。

    是否在冬季的户外使箱盖材料产生冷脆性,为证明此问题本公司曾将不同机座电动装置分别在某车辆试验机构低温试验室进行过产品的低温状态输出轴轴向推力试验,结果是符合设计要求的。

    从现场勘测情况看,电动装置箱盖的破坏程度也不同。严重的沿紧固螺栓孔破裂成几部分并高出原位置数十毫米并使数个M16螺钉弯曲,有的仅产生局部龟裂。这种现象与积水的多少和阀板关闭位置有关,即积水量越大膨胀量大,产生的破坏越明显。反之积水较少或阀板关闭位置偏上则破坏程度较轻。现场也发现有少数电动装置主箱体上紧固箱盖的螺孔有破坏。在实际应用中,箱盖的损坏在设计上是合理的,因为其制造成本远低于箱体,同时便于现场更换,避免箱体损坏修复的成本相对较高。

    根据零件损坏程度和现场手动操作验证,本公司提出了可行的现场修复方案,以保证用户能正常使用。

    3 电动装置输出轴与阀门的不同连接型式

    不同的连接型式使电动装置的受力状况不同,阀体内结冰时产生作用力的对象也不同。

    对于明杆阀门而言(阀门开启时阀杆螺母螺纹通过电动装置输出轴内孔,图示阀门为明杆阀门),电动装置与阀门的连接基本是两类三种型式

    两类是指电动装置工作时承受轴向力和不承受轴向力,而承受轴向力的结构又有两种,这样就成了三种型式。

    a.输出轴内含阀杆螺母式

    也就是图1所示的结构。前面曾提到它是Limitorque技术独有的,其主要优点是阀门结构简化,阀杆螺母可由电动装置上部取出或安装,电动装置结构紧凑等。它对电动装置主箱体等件的材质、性能要求较高,因为要承受阀杆的轴向力。该结构对于1000~10000N.m输出转矩产品更具优势。

    b.电动装置推力座部套

    在一般多回转电动装置下部再装一个推力座部套(亦称推力接盘),阀杆螺母位于推力座内,工作时阀杆的轴向力由推力座承受,电动装置的主箱体,输出轴只承受转矩。这种结构更适合输出转矩1000N.m以下的为多回转产品。

    c.输出轴与阀门上阀杆螺母凹凸牙嵌式连接

    这种结构的阀杆螺母位于阀门的阀架上,工作时电动装置的输出轴驱动阀杆螺母。因而此时电动装置仅承受转矩而不承受推力。阀杆产生的推力完全由阀门的上盖和阀架来承受。

    从上述三种连接型式中我们可知,只有第一种结构(即图1所示结构)的电动装置整体承受阀杆轴向推力。结合到本文内容也就是只有这种结构在阀门关闭状态下内腔下部结冰会导致电动装置损坏。

    但是,必须认识到无论何种型式阀门下部内腔积水都是冬季管道系统的事故隐患。甚至电动装置不承受推力的结构隐患更大。因为这种情况一旦有结冰产生,阀杆的推力完全由阀门的阀架、上盖和各紧固螺栓承受,如果发生阀杆失稳变弯,阀体胀裂、阀架断裂、螺栓拉断等则损失更大。即使未产生明显的变化,阀门内部各零件应力的巨变所产生的损伤也是存在的。因此必须引起使用单位的注意

    4 结论

    通过本次事故,无论是电动阀门生产厂家还是用户都应从中汲取教训和启示。

    事故发生在冬季尚未运行的新建管道,有可能是清洗管道时阀门内腔积水。如果积水能及时放掉或阀门阀板所处的位置在允许的情况下稍向上提起,事故是可以避免的。即使阀门在开启的位置内部结冰,虽然不至于造成损坏,但在阀门关闭时电动装置的行程控制机构也不能正常控制,因为阀板无法关到正确的位置,此时转矩控制机构要起作用。所以阀门制造厂是否应在产品的随机文件中将放掉积水这一程序加以注明,而用户也应将这种情况列入相应的使用程序,这样就可以消除冰冻带来的平板闸阀事故隐患,从而为管道系统的安全运行提供可靠的保证。


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