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前言
本文簡單介紹了三通球閥的工作原理及應(yīng)用。通過將閥芯結(jié)構(gòu)由浮動式更改為固定式、閥座由雙閥座更改為四閥座，解決了聚合釜三通球閥在實際生產(chǎn)中出現(xiàn)卡塞、泄漏等問題，取得了良好效果。陜西北元化工集團有限公司化工二分公司（以下簡稱陜西北元二分公司）100萬t/aPVC項目采用日本智索108m3聚合釜全套聚合技術(shù)。因PVC生產(chǎn)工藝復(fù)雜，控制精度高，自動化程度要求嚴(yán)格，為了降低安裝成本，減少安裝空間，便于過程控制，采用氣動三通球閥就顯得尤為重要。陜西北元二分公司PVC項目中現(xiàn)使用氣動三通球閥共計130臺，根據(jù)工藝要求有T型和L型兩種。在系統(tǒng)投運后，氣動三通球閥的使用效果一直未達到設(shè)計要求，尤其是L型閥，在生產(chǎn)過程中不同程度地出現(xiàn)了卡塞，無法動作，出現(xiàn)嚴(yán)重內(nèi)漏、外漏等現(xiàn)象，不能滿足生產(chǎn)要求，且嚴(yán)重影響企業(yè)的安全生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量及負(fù)荷提升。通過對氣動三通球閥故障的總結(jié)分析，進行了近1年的試驗性改造，由最初的更換閥座、重新壓填料仍不能解決問題，到最終確定出了**的解決方案，即將閥門的閥芯結(jié)構(gòu)由浮動式更改為固定式、雙閥座更改為四閥座，效果明顯，不僅生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定，實現(xiàn)了連續(xù)化生產(chǎn)，而且也節(jié)約了成本，提升了效益。
1.氣動三通球閥簡介
1.1 氣動三通球閥的工作原理
氣動三通球閥是一種三通道的回轉(zhuǎn)型球閥，是由氣動執(zhí)行器帶動球體經(jīng)90°旋轉(zhuǎn)動作來達到換向的控制目的，或經(jīng)180°旋轉(zhuǎn)動作來達到換向與分流、合流的控制目的。
1.2 氣動三通球閥分類
氣動三通球閥用于介質(zhì)分流、合流及流向切換，任何一個管道都可以作為入口或出口。氣動三通球閥分L型和T型，可以滿足不同的生產(chǎn)工藝要求，介質(zhì)流通方向見圖1、圖2。L型氣動三通球閥適用于介質(zhì)流向的切換，能使相互垂直的2個通道連通。T型氣動三通球閥適用于介質(zhì)的分流、合流或流向切換，T型孔道可以使3個通道互相連通或使其中2個通道連通。
氣動三通球閥一般采用雙閥座結(jié)構(gòu)，亦可根據(jù)用戶要求采用四閥座結(jié)構(gòu)。

圖1 三通球閥L型流向圖

圖2 三通球閥T型流向圖
1.3 氣動三通球閥的控制
氣動三通球閥與電氣閥門定位器配套，輸入DC4～20mA信號及0.4～0.7MPa氣源即可控制運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對壓力、流量、溫度、液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)；亦配行程限位開關(guān)、電磁閥、減壓閥，可實現(xiàn)開關(guān)操作，并送出兩對無源觸點信號指示閥門的開關(guān)。
1.4 氣動三通球閥的應(yīng)用領(lǐng)域
氣動三通球閥廣泛應(yīng)用于化工、石油、輕紡、電力、食品制藥、制冷、航空航天、造紙等工業(yè)領(lǐng)域。
1.5 氣動三通球閥的特點
（1）流體阻力小，其阻力系數(shù)與同長度的管段相等。
（2）結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕。
（3）緊密可靠，目前球閥的密封面廣泛使用塑料材料，密封性好，在真空系統(tǒng)中也已廣泛使用。
（4）操作方便，開閉迅速，從全開到全關(guān)只要旋轉(zhuǎn)90°，便于遠距離的控制。
（5）維修方便，球閥結(jié)構(gòu)簡單，密封圈一般都是活動的，拆卸、更換都比較方便。
（6）在全開或全閉時，球體和閥座的密封面與介質(zhì)隔離，介質(zhì)通過時，不會侵蝕氣動三通球閥密封面。
（7）適用范圍廣，通徑從幾毫米到幾米，從高真空至高壓力都可應(yīng)用。
2.聚合工段氣動三通球閥故障分析及解決方案
2.1 故障分析
三通閥的選型對工藝過程控制具有舉足輕重的作用，陜西北元二分公司在聚合工段三通閥的選用過程中，因為閥門的選型、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、材質(zhì)等不合理使得閥門出現(xiàn)了嚴(yán)重問題：換向時，閥門卡塞，甚至無法運動；嚴(yán)重內(nèi)漏，不能滿足工藝生產(chǎn)要求；外漏嚴(yán)重，主要體現(xiàn)在閥桿與填料之間、閥體壓蓋密封處泄漏；閥門在動作過程中因閥芯移位造成閥體抱死，阻力增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動的連接部件和執(zhí)行機構(gòu)多次損壞和斷裂，而且閥芯因與閥座之間接觸面間隙變小，使閥芯的涂層被破壞、閥座變形、球面光滑度和密封等級都下降，嚴(yán)重時閥芯主體會扭曲變形。
通過分析閥門故障問題，認(rèn)為造成閥門故障的主要原因是原來flowserve三通球閥為浮動式，其球體是由閥座進行定位的，閥座承受了整個閥芯的質(zhì)量，閥座受力不均勻，在閥門換向過程中，閥門中腔會進入介質(zhì)物質(zhì)，并在壓力的作用下，使用一定時間后，球體會偏移其實際要求的中心位置，當(dāng)偏移量達到一定值時，閥門就開始內(nèi)漏，并且力矩會隨偏移量的逐步增加而增大，造成閥門開關(guān)不到位，閥芯與閥座的受力失去平衡，涂層在受力較大的地方脫落，也增加閥門的內(nèi)漏；由于球體的偏移隨換向而變化，在長期不平衡壓力下，閥芯與2個閥座的間距不斷加大，造成填料的泄漏；力矩的不斷加大造成閥桿、連接軸套變形或執(zhí)行機構(gòu)拉損；閥座選用PTFE材質(zhì)的軟密封閥門，其介質(zhì)為130～140℃熱水，PTFE這種材質(zhì)在理論上可以耐180℃，但是在實際使用過程中，當(dāng)達到一定溫度時，其物理特性就會發(fā)生變化，硬度降低，當(dāng)閥門在動作過程中就會黏連在球面上，損壞閥座，從而導(dǎo)致閥門出現(xiàn)內(nèi)漏現(xiàn)象。
2.2 解決方案
為解決上述flowserve三通球閥存在的問題，陜西北元二分公司要求設(shè)計為固定式四閥座硬密封三通球閥，首先使閥門在換向時球體始終處于與閥桿同軸的固定位置，其主體結(jié)構(gòu)如下。
（1）固定式閥芯的設(shè)計。
在閥芯下方加一個固定軸，與閥芯相連接，通過此軸和上閥桿將閥門固定下來，見圖3～圖5。

圖3 固定式閥芯結(jié)構(gòu)圖

圖4 上閥桿防塵結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 下閥桿防塵結(jié)構(gòu)示意圖
（2）四閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計。
獨特的閥座設(shè)計和結(jié)構(gòu)見圖6～圖7，分為2個主閥座、2個副閥座。
從圖6、圖7可以看出：三通球閥的2個閥座設(shè)計原理是不同的：①2個主閥座各采用4片碟型彈簧，并疊加，其提供給閥座與球體的預(yù)壓緊力較大，也就是閥座對于球體的壓力較大，有利于閥門的密封；另外，根據(jù)其運動和換向的特點，2個主閥座起關(guān)鍵密封作用，故采用下游式閥座密封，工作時不接觸介質(zhì)的閥座密封。②2個副閥座對球體的預(yù)壓緊力相對于2個主閥座要小，其主要是對球體起平衡作用，使球體在壓力作用下開關(guān)較平穩(wěn)、受力更均勻。③4個閥座均設(shè)計了獨特的刮刀結(jié)構(gòu)，較容易去除球體表面的物料，讓球體表面均處于“干凈”的狀態(tài)，使閥門密封可靠，動作靈活，保持阻力均勻，球面不容易損傷。


圖6 四閥座之主閥座結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 四閥座之副閥座結(jié)構(gòu)示意圖
閥體與執(zhí)行機構(gòu)連接部件采用了增大閥桿強度的設(shè)計理念，防止閥門在卡料時因扭矩增大而損壞。閥門設(shè)計時所設(shè)計的閥桿理論上可傳遞近20000N•m的力矩，而閥門實際需要的正常力矩在3000N•m左右，閥桿能傳遞的力矩是閥門工作時的6倍左右；使用的驅(qū)動氣缸能輸出的力矩在7000～11000N•m，是閥門工作時的2～3倍；其余傳動力矩的零件均滿足閥桿和氣缸的需要，且在遇到異常情況時，閥門也能按程序的要求正常開啟，避免了閥門在異常情況下卡死或者是無法動作的現(xiàn)象，較大程度地減少了閥門的拆解維修次數(shù)。
閥座與球面采用可調(diào)預(yù)緊力工藝結(jié)構(gòu)，選用好的彈簧材料，且為多組的形式結(jié)構(gòu)；閥座從流道裝入，并用螺塞的方式壓緊，其壓力大小是可控的，閥門的開關(guān)力矩是可控制的，閥門的預(yù)緊力是可調(diào)的，在閥門泄漏等級符合Ⅵ級的情況下，閥體與球面之間的力矩是可調(diào)的，并且這種結(jié)構(gòu)閥門使用一段時間，因摩擦導(dǎo)致內(nèi)漏時，不需要更換閥座，只需要對閥座壓蓋進行緊固即可解決問題，不僅節(jié)約了成本，也保證了閥門的控制精度。
在閥門材質(zhì)選用上，閥門各組件的材質(zhì)完全能夠滿足工藝介質(zhì)的要求。三通球閥閥體材料按要求為CF8（304）；球體和閥座基體材料用316，密封面材料用Co基合金的不同配方，球體密封面硬度為HRC63－65，閥座密封面硬度為HRC55－58；上下閥桿用316材料，其傳動部位嵌耐磨軸套，使閥門轉(zhuǎn)動受力軸套具有承受壓力和耐磨的能力；螺塞和襯套因長期與介質(zhì)接觸，故采用316材料，以提高材質(zhì)的耐磨損能力。同時要求廠家必須嚴(yán)格控制并保證球體與閥座的研磨精度，確保閥門及其各組件的裝配精度，使閥門的密封等級達到Ⅵ級要求。
通過上述技術(shù)改造，三球閥閥門的運行情況得到了保障，現(xiàn)在投用的9臺三通閥都能滿足生產(chǎn)需求，對提升產(chǎn)量和穩(wěn)定生產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用。
3.結(jié)語
通過對聚合工段所使用閥門故障的分析，由最初的閥座更換、重新壓填料，到后來的閥門更換（由浮動式更改為固定式，雙閥座更改為四閥座），一年來，陜西北元二分公司生產(chǎn)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，經(jīng)過改造后的閥門再未出現(xiàn)過之前的頻繁檢修問題，不僅減少了維護人員的勞動強度，而且穩(wěn)定了生產(chǎn)，帶來了可觀的經(jīng)濟效益。
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資訊來源：無錫科萊恩流體控制設(shè)備有限公司