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電動閘閥發(fā)生故障的原因分析及應(yīng)對

2021-12-21 10:09:44 101

1 概述

? 某廠現(xiàn)場所使用的送水泵出口電動閥是日本制造的，形式為暗桿楔式電動閘閥

，公稱直徑 450mm

，數(shù)量共有 7 臺

，由于使用時間較長

，閥門的性能有所下降

，于 2003 年 4 月和 5 月分別將 4 號

、5 號出口電動閥更換為國產(chǎn)件

。自從國產(chǎn)件更換上以來，4 號和 5 號出口電動閥故障不斷

，銅套頻繁的出現(xiàn)磨損

、剪斷（拔牙）現(xiàn)象，致使閘板從閥桿上脫落

，閘板失控

，導(dǎo)致閥門無法開啟。

2 原因分析

從理論上講

，銅套在工作時是閥桿螺紋傳遞的擠壓力

、磨削力和軸向剪切力等作用在銅套上而使之損壞，但在實(shí)際生產(chǎn)中還存在著許多因素

。比如銅套加工質(zhì)量不好（牙形偏差大

、光潔度差、鑄造缺陷）

、行程開關(guān)調(diào)整不當(dāng)

、工作環(huán)境差等。

通過對現(xiàn)場設(shè)備損壞情況和實(shí)際工況的分析

，認(rèn)為主要原因應(yīng)該是以下兩種原因之一：

一是傳動螺紋的表面所承受的載荷大于本身表面承受載荷的設(shè)計值

。每一次開、關(guān)

，銅套的螺紋就受到一次強(qiáng)烈的擠壓磨削

，而使傳動螺紋磨削變形，強(qiáng)度下降

，最后導(dǎo)致銅套損壞

。通過對已損壞銅套的直觀檢查來看，其創(chuàng)口并非完全是硬性磨損

，而存在著明顯的磨削變形

、擠壓變形（見圖 1）。

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圖 1 新舊銅套對比圖

針對這種情況可以采取提高銅套質(zhì)量的辦法來增加銅套的強(qiáng)度

，使銅套單位面積所能承受的載荷上升

，有效避免銅套的磨損

。但是由于要保護(hù)閥桿，銅套的硬度不能太高

，而且受到制造工藝和材料的限制

，銅套的硬度也不可能有極大的提高。

當(dāng)然也可以采取增加銅套螺紋的厚度

，即增加銅套的磨損余量

，同樣可以達(dá)到延長使用壽命的目的，只是方式方法上較為被動

，并沒有從根木上解決問題

。

二是閥門選型不當(dāng)。新更換閥門的閥板與閥座處采用的是雙楔硬密封形式

，如圖 2 所示

，雙楔式的密封形式即閥板與閥門的兩個端面都具有一定的斜度。

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圖 2 雙楔硬密封結(jié)構(gòu)圖

理論上講采用雙楔形式的閥門啟閉將較為省力

，因為悶板一旦開啟．閥板上升后．閥板會立即與閥座脫離接觸

，在閥門開啟和關(guān)閉的過程中閥板與閥門不接觸，因此動作較為省力

。但是在實(shí)際的使用過程中

，由于閥門在開啟和關(guān)閉的過程中受到進(jìn)口處水流的沖擊，閥板將向出口處偏移

，由此造成閥板頂部的銅套與閥桿的嚙合產(chǎn)生變化

，啥合的效果下降。銅套螺紋與閥桿螺紋在正常情況下應(yīng)該如圖 3 所示

，螺紋是全面積進(jìn)行接觸的

，而雙楔式的閘閥在動作過程中螺紋實(shí)際的接觸情況如圖 4 所示，接觸的面積大為下降

，單位面積上所承受的力大幅上升

，遠(yuǎn)超出螺紋表面強(qiáng)度所能承受的范圍，同時螺紋的頂部直接參與嚙合

，造成螺紋的磨損大為加速．使用壽命顯著下降

。

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圖 3 銅套與閥桿螺紋正常嚙合圖

福建捷斯特閥門制造有限公司

圖 4 銅套與閥桿螺紋實(shí)際嚙合圖

而在實(shí)際使用中由于供水管網(wǎng)主要是控制壓力，在送水泵的流盆與壓力無法進(jìn)行調(diào)節(jié)的情況下

，只能通過調(diào)節(jié)該閥門的開度來控制壓力

，故該閥門在單項受壓的情況下頻繁動作，所以在短時間內(nèi)銅套完全失效也就不足為怪了

。

針對這種情況可以采用增加銅套長度的方法

。增加銅套的長度可以改善銅套的導(dǎo)向性，在一定程度上可以改善銅套的啥合狀況。但是銅套的長度到達(dá)了一定值后

，改善導(dǎo)向作用的效果將不再明顯

。同時銅套尺寸過長后會造成加工困難，加工精度不容易控制

，反而會導(dǎo)致螺紋受力集中在幾個齒上

，使銅套的受力條件更加惡化。

3 對策措施

通過對銅套材質(zhì)和受力情況的分析和計算

，第一種傳動螺紋的表面所承受的載荷大于本身表面承受載荷的設(shè)計值的情況可以排除．因此造成銅套短期內(nèi)迅速失效的原因就應(yīng)該是選型不當(dāng)造成的

。

由于增加銅套長度的方法成本較高，所以為了避免閥板在動作過程中產(chǎn)生偏移

，最終還是對閥門的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)

，將原來的雙楔式密封面改為如圖 5 所示的單楔式密封形式。

圖 5 單楔式密封結(jié)構(gòu)圖

在進(jìn)水口處密封面是傾斜的

，在出水口處密封面是平的。采用這種形式的密封面

，在閥門的開閉過程中．閥板受進(jìn)口處水流的沖擊作用．進(jìn)口處的傾斜密封面脫離接觸

，不受磨損，閥板沿著出口處的平面上下運(yùn)動．由于有出口處的平面作為依靠

，而且在閥板的側(cè)面還加裝了導(dǎo)向槽

，閥板不會產(chǎn)生偏移。故保證了銅套與閥桿大面積的接觸

，有效降低了螺紋單位面積上所承受的力

。而在閥門關(guān)閉以后，閥門的出水口處受水壓作用

，閥板與進(jìn)口處的傾斜密封面緊密接觸

。由于在開閉過程中該密封面不接觸，不會磨損

，長期使用后閥門的密封效果也不會下降

。

當(dāng)然也可以使用平板閘閥來代替雙鍥閘閥，但是平板閘閥本身造價就高．同時啟閉所需扭矩也較大．需要對電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行更換．成本較高

。而且平板閘閥密封面的磨損也較大

，長期使用后密封效果下降較快。

4 結(jié)束語

閘閥本應(yīng)該是在管路系統(tǒng)中起到截止和開放介質(zhì)作用的

，然而由于受到生產(chǎn)工藝的要求和現(xiàn)場實(shí)際情況的限制

，本文中所提到的閘閥也起到了一定的控制流量的作用，所以在使用過程中動作較為頻繁

，普通形式的雙楔閘閥和平板閘閥均難以適用

。采用單楔式密封的閥門后，閥門銅套的壽命得到了極大的提高，密封效果有了極大的改獸

，很好的解決了現(xiàn)場的技術(shù)難題

。

2 閘閥閥座受力分析

雙側(cè)密封式閘閥是通過增強(qiáng)閥瓣對閥座的推力而實(shí)現(xiàn)的，接觸壓力應(yīng)大于進(jìn)口流體的壓力

。這種閘閥的缺點(diǎn)是

，如果在冷態(tài)下閉合，后來進(jìn)入熱態(tài)

，閥瓣就會出現(xiàn)膨脹

，于是形成閉合位置卡緊，當(dāng)再次開啟閥門時就會遇到困難

，這種情況就是俗稱的“下炕”

。良好狀態(tài)的閘閥都是實(shí)現(xiàn)單側(cè)密封。平行式閘閥也只能與出口位置的閥座實(shí)現(xiàn)單側(cè)密封

。標(biāo)準(zhǔn)的楔式閥瓣閘閥情況也一樣

，壓力使進(jìn)口側(cè)閥瓣變形，流體流過進(jìn)口側(cè)閥瓣直至閥腔達(dá)到壓力平衡

。由此引出出口處閥座受介質(zhì)外壓作用而產(chǎn)生的強(qiáng)度問題

。

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圖 1 實(shí)現(xiàn)單側(cè)密封的闡閥

如圖 1 所示，介質(zhì)進(jìn)入閥體中腔后

，作用于出口側(cè)（左側(cè)）的閥瓣

，在左側(cè)閥座與閥瓣密封面處形成一個密封比壓，阻止介質(zhì)的流通

。同時介質(zhì)作用于閥體與左側(cè)閥座之間的間隙

，使左側(cè)閥座外側(cè)受到介質(zhì)壓力的作用。在對左側(cè)閥座進(jìn)行強(qiáng)度計算時

，就是應(yīng)對閥座受外壓的狀態(tài)進(jìn)行分析

，而使用規(guī)則設(shè)計的設(shè)計方法已經(jīng)不能解決如此復(fù)雜的問題。在本文中采用分析設(shè)計的設(shè)計方法進(jìn)行楔式雙閘板閥座的強(qiáng)度校核

。

通過對閥座的受力分析可知

，閥座與閥體焊接處為固定約束，閥座外腔受到介質(zhì)壓力的作用

，閥座密封面處受到閥瓣的密封比壓的作用

，詳細(xì)的受力情況如圖 2 所示。

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圖 2 閥座受力分析

把實(shí)體模型轉(zhuǎn)入 ANSYS 中進(jìn)行分析

，選擇磚型六面體單元 Solid45

，輸入材料的彈性模量和柏松比（如《表 1》所示），采用自由網(wǎng)格劃分模型

，默認(rèn)求解器求解

，得出閥座的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖

。

《表 1》材料為 12Cr1MoV

彈性模量（MPa）	2.140e+006
柏松比	0.286
質(zhì)量密度（Kg/mm2）	7.86e-012
屈服拉伸強(qiáng)度（MPa）	255
極限拉伸強(qiáng)度（MPa）	470

由應(yīng)力分析云圖可知，閥座的最大應(yīng)力出現(xiàn)在閥座內(nèi)腔與閥座和閥體焊接連接處

，閥座形狀在該位置變化較為劇烈且存在尖角

，應(yīng)屬于峰值應(yīng)力，在該處選取應(yīng)力評定線

，按 JB4732-95 的應(yīng)力分類原則（如《表 2》所示）對應(yīng)力評定線上的應(yīng)力進(jìn)行分類

，得出評定線上的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，分別與限定值進(jìn)行比較

，即可得出閥座的設(shè)計是否合理

。

《表 2》各類應(yīng)力強(qiáng)度的限制

類別	符號	計算值	限制值
一次薄膜應(yīng)力	MEMBRANE	Pm	Sm
一次薄膜+彎曲應(yīng)力	MEM+BEND	Pm+Pb	1.5Sm

3 結(jié)論

通過應(yīng)力分析設(shè)計方法可以對閘閥閥座進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度校核，同時可以得出閥座設(shè)計是否合理

。

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