结合球阀密封原理分析出现抱死故障的原因

一、球阀密封原理分析

      球阀一般由静止件（阀体）与关闭件（球体）两部分组成，通过关闭件（球体）绕阀体中心线作 90º旋转来开启、关闭阀门。球阀可分为固定轴式和浮动轴式球阀两种，我们这里主要讨论固定轴式球阀的结构及其密封原理。
球阀对气体介质的密封是靠球体与阀座密封圈紧密结合形成的软密封实现的。阀座密封原理随阀座结构不同而各有差异，主要可分为双活塞效应（DPE）和下游自泄放(SR) 两种。下游自泄放设计球阀现主要用于液体管道，因此本文主要针对在气体管道中应用较广的双活塞效应（DPE）设计球阀进行分析。

1、双活塞效应 Double Piston Effect (DPE)阀座结构与密封原理分析

在以下双活塞效应(DPE)密封结构示意图中，各作用力均描述如下：

FF—阀座弹簧弹力        F△A—干线/阀腔压力对阀座作用合

FR—阀座所受合力        A—合力作用面积

由附图 2.1 与附图 2.2 可见，以双活塞效应结构(DPE)阀座为受力分析对象，干线压力与阀腔压力对阀座的作用力 FR= FF+ F△A，所受合力 FR 方向始终指向阀座，即干线与阀腔压力均使阀座密封圈向球体压紧，始终实现球阀阀座良好密封。

附图 2.1 Double Piston Effect (DPE)结构及密封原理示意图(干线压力对阀座作用力)

附图 2.2 Double Piston Effect (DPE)结构及密封原理示意图(阀腔压力对阀座作用力)

球阀两个阀座均采用双活塞效应阀座结构设计，即为双活塞效应(DPE) 结构设计，它能够确保球阀两个阀座同时实现良好密封。对 Grove B-5 这类球体带有平衡孔的球阀而言，双活塞效应密封结构是需要的标准设计模式。鉴于双活塞效应结构的良好密封表现，近些年，许多阀门生产制造商都开始广泛使用类似于双密封的球阀设计结构。在实际生产中，由于对 DPE 球阀维护不当或某些的 DPE 球阀设计规格或选取的密封圈材料不当，而这些 DPE 优良的密封设计支持下成为了导致球阀抱死主要原因之一。

二、球阀抱死故障分析与排除

球阀抱死故障判断及排除流程图

1.球阀抱死故障主要原因及判断方法：

步骤 1：须首先打开传动齿轮箱判断是否由传动齿轮箱内发生严重锈蚀、轴承损坏或存在异物卡阻，导致阀门无法正常操作。若判定非此原因则进入下面步骤。

步骤 2：对球阀进行排污操作，若阀腔内有气压，则可初步判断抱死原因为密封座卡阻。密封阀座正常应有 0.003 英寸的横向移动空间,若注入的密封脂硬化、污物杂质卡入阀座缝隙、或密封座弹簧工作不正常均可造成密封座卡阻、球阀抱死。

步骤 3：对球阀排污，若腔内无气压，则判断为由阀腔与干线压差过大导致球阀抱死。阀腔与干线压差过大时，密封座压紧球面，操作扭矩过大，球阀抱死无法正常操作。

2.球阀抱死故障的排除：

根据球阀密封原理、故障原因分析及球阀抱死故障实地成功排除经验，总结抱死故障排除方法如下：

（1）传动齿轮箱故障：作为预防性维护，须每年定期打开齿轮箱，检查箱内传动机构润滑、防锈及部件完好情况，清理箱内污水、异物，并更换补充新鲜黄油，若轴承等部件损坏须及时更换，以确保传动机构工作状态良好，阀门操作顺畅。

（2）密封座卡阻故障：首先注入清洗液浸泡（浸泡时间可根据阀门注脂情况而定）、再经排污排出污物杂质，消除密封座卡阻；若经反复清洗、排污，阀门仍无法正常操作，可判断为密封座弹簧等部分异常，须拆卸解体阀门进行检修。

（3）阀腔与干线压差过大：一般首先注入清洗液浸泡后排污，清洗掉密封面原有密封脂，若阀门本身存在一定量内漏，则可实现阀腔与干线压力平衡；若故障仍存在，则考虑按照图 3.1 所示制作排污咀注气装置连接到球阀排污咀平衡阀腔与干线压差，消除抱死故障。这套平压装置结构简单易于制作，且效果明显，利用该套装置已成功解决我公司如大港站某厂 12〞球阀等其他多起阀门抱死故障。如图 3.1 机加连接件一端为快装接头，一端为配合排污咀接口规格的螺扣，建议工程师根据常见阀门排污咀接口规格制作一组机加连接件随时备用。

图 3.1 排污咀注气装置示意图

3.野蛮操作的危害性：

对无法正常操作的阀门野蛮操作能够导致：

（1）阀门传动齿轮箱受力过大，造成箱体破裂或箱内齿轮等部件形变、损坏；

（2）对密封球面造成严重划痕，导致阀门严重内漏，甚至报废；

（3）加力杆断裂或多人同时操作导致操作人员人身伤害。

为避免造成设备损伤、人员伤害和经济损失，球阀无法正常操作时切忌采取使用加力杆或多人操作等野蛮方式操作！须认真分析故障原因后妥善处理、排除故障。

三、预防阀门抱死，建议和预防性维护措施

为预防阀门抱死故障发生，提高天然气管道在用球阀的可靠性、延长阀门使用寿命，特提出如下建议和预防性维护措施：

1、改进排污咀安装方式：普通球阀的排污咀是直接安装到阀体接口上的，由于阀门可能存在内漏，当排污咀出现故障或需要向阀腔注气平压时，必须拆卸排污咀进行维修，漏入阀腔的高压介质将可能对维修作业人员带来危险。因此建议干线球阀排污咀安装推广两阀组设计方式，在排污咀前加装两个控制阀与阀体相连，控制阀后安装排污咀，以提高相关维护、检修作业的便利性与安全性。另外两阀组排污咀安装方式还可实现大口径排放，以减少渐开排污咀时产生截流冰堵的风险。如下图 4.1 所示。

图 4.1 干线球阀两阀组排污咀安装示意图

2、预防性维护：根据阀门维护及运行状况，适时适量注入新鲜润滑脂，防止润滑脂或密封脂硬化造成卡阻；定期全开/关阀门几次，由于生产等原因不能全开/关的阀门，至少要定期的活动 10°至15°，重复活动几次能与全开/关阀门起到近乎同等的效果，能有效防止传动机构锈蚀和阀门抱死故障的发生。

3、定期打开传动齿轮箱检查箱内传动机构润滑、防锈及部件完好情况，清理箱内污水、异物，更换补充新鲜黄油，若轴承等部件损坏须及时更换，降低传动机构故障率。

4、作好排污记录，以便分析输气管内天然气气质和确定排污周期。