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1、 天然气处理站 orbit 阀门由于常年运行再加上检维修质量不过关，经常发生阀门故障，给分子筛系统正常运行带来了严重影响。而故障中对工艺系统影响最大的就是 orbit 阀门阀杆断裂故障，阀杆断 裂后阀门开启不了，整套工艺流程被堵塞，会造成分子筛前端压力升高，压缩机憋压停机。遇上冬季要是故障的不到及时有效的处理，刚刚脱完水的分子筛的不到及时的再生会造成分子筛冻堵。 1、Orbit 阀门故障起因Orbit 阀门位于天然气处理站天然气处理工艺中分子筛工艺的进出口，工艺介质为天然气，正常操作压力为3.OMPa，有压力波动;温度在 50-200C 范围波动。该装置自 1997 年投产至 2006 年 8
2、 月检修前未发生过阀杆断裂事故。2006 年 8 月检修时更换了一批阀杆，更换上去的阀杆材料为 ASTM420，原更换下来的阀杆材料为 ASTM8620。到断阀杆发生时仅服役不到半年时间。到 2012 年为止陆 续发生阀杆断裂事故共 7 起。给气站的安全平稳生产造成了较大影响，分析出阀杆断裂的原因并解决阀杆问题刻不容缓。问题最终聚焦在阀杆质量问题和装配质量问题上。2、阀杆断裂原因为了搞清楚是否是阀杆材质出了问题，天然气处理站委托有资质 的单位对阀杆进行了专业分析，分析结果如下：（a）由硬度测试看出， 均符合或超过技术要求(HRC33 至 40)从硬度值来看，更换下来的 8620 阀杆性能优于断
3、裂420 阀杆；（b）由化学成分分析结果两个阀杆材料 均符合标准规定；（c）SEM 断口分析。由 SEM 断口分析可以看出，断面上存在大量显微裂纹以及垂直 于微裂纹的疲劳纹，表明阀杆的脆性疲劳断裂特征。综合分析结果可以得出结论：不管是 AS T M42 0 阀杆还是 ASTM8620 阀杆质量都是符合标准的，ASTM8620 阀杆质量略优于 ASTM420 阀杆。阀杆的断裂是由于阀杆在低频交变应力作用的作用 下表面应力集中处产生了疲劳裂纹，从而使材料的疲劳寿命降低，导 致阀杆脆性断裂。 3、疲劳裂纹产生的原因经过专业的分析，得出阀杆断裂的原因是疲劳断裂，疲劳纹怎样 产生的又成了摆在我们面前的一
4、道难题。虽然阀杆材质有一个使用寿命，但是这个疲劳的太快了，以前用了 10 年都没疲劳断裂，现在用了不到半年就断裂。肯定和检维修质量有关，影响阀杆检维修质量的参数就有阀杆行程和阀门密封面安装方向。图 1 阀杆示意图 根据 orbit 阀门工作原理知道阀门行程装配过短：阀杆密封斜面 和阀芯销钉压和度不够，导致阀芯和阀座环密封不紧，阀门容易内 漏。阀门行程装配过长：阀杆密封斜面和阀芯销钉压和度增大，导致 阀芯和阀座环密封过紧，阀杆受力增加容易疲劳。阀杆主要有 A、B、C 和 D 功能段。A 段为阀杆直线运动控制段，B 段位阀杆旋转运动控制段，C 段位球体松压段，D 段为球体旋转段.对 于我站 6 寸
5、 orbit 阀，其中 A+B=81mm；3 寸 orbit 阀 A+B=61mm。在装配过程中 6 寸阀门选择的装配行程范围在：6 寸阀门行程：85.73-90.49mm，3 寸阀门行程：48.42-53.18 mm 很显然 6 寸阀门行程太长。3寸阀门行程在合理的范围内，这也是为什么 3 寸阀门从来没有 发生过阀杆断裂故障。ORBIT 轨道球阀的结构为单面密封，同时要求非密封方向即反 向压差不能超过 0.2Mpa，即 ORBIT 轨道球阀非密封侧压力高于密封 侧压力时，密封效果最好，否则可能出现超出要求的泄漏，达不到使 用效果。根据密封要求列出我站分子筛在各种工作状况下 orbit 阀门
6、密封面安装示意图：图 2 理论阀门密封面安装图 数字越大代表压力越高，数字越小代表压力越低，红色部分表示理论密封面侧。理论情况下，6 寸 orbit 阀门密封面应该在背离分子筛侧，这样密封效果会更好。实际气站吸附进口密封面都是向着分子 筛侧的，存在反相压差约200kpa，虽然不影响阀体密封，但是影响阀杆受力。这个反相的压差使阀杆所受疲劳应力增加。目前为止，所以断裂的 orbit 阀杆均为吸附进口，而且是在从冷 吹切换至吸附状态时，发现阀杆断裂，断裂时阀杆状态为关闭状态。 Orbit 阀门在开启时基本不受力。受力主要在关闭时，阀杆功能段 C 斜 压阀芯销钉，使阀芯和阀座环密封紧密。由此可以判断出
7、阀杆疲劳纹是在关闭时期造成的，也在关闭时发生断裂。 图 3 吸附进口 Orbit 阀门在分子筛冷吹时的受力分析 由 Orbit 阀门在分子筛冷吹时的受力分析，可以得出。阀杆在这 个时期主要受力为膜片给阀杆向下的力：F=P*S=仪表风压力*膜片 面积=4.5 公斤*3.14*20*20=5652 公斤。和反向压差力：F2=密封面 S1*管线差压P=3.14*6*6*200kpa=226.08 公斤。阀芯销钉给阀杆的反向作用力：F 反=F*tan1+F2，随着阀杆行程增加，阀杆将阀芯和阀坐环压 的越紧，夹角 1 就会增大，反向作用力也会增加。在低频交变应力的作用下，在应力集中处产生疲劳裂纹使材料 的疲劳强度降低，导致阀杆脆性断裂。由于阀杆上半部分有盘根盒紧紧包裹，所以阀杆断裂处为盘根盒和阀芯交界处及图 3 中，红色部分， 应力集中处。综上所述，阀杆断裂的原因为：1、阀杆行程装配过长，导致阀杆密封斜面压入阀芯过深。阀杆受力增加，容易疲劳。2、阀门密封方向 安装不合理，工作时在密封面上有反向的作用力。加大了阀杆负荷。4、解决方案（1）针对阀杆断裂，采取了更换原来所有的 420 阀杆。并将阀杆 行程调整到合理的范围内。阀杆行程要小于A+B=81mm，又要密封 紧密；（2）调整阀门位置密封面向着低压方向，使阀门工作的时候有 正向的压差。
