电子式气动薄膜执行机构输出力不足的分析

0前言

目前锦西天然气化工有限责任公司尿素装置采用意大利斯纳姆氨汽提工艺流程，氨汽提塔的出料液控制是通过1台调节阀（LV-09202）实现的。LV-09202选用Masoneilan公司产品，执行机构为气动薄膜反作用38型，阀体为70500系列角阀，调节阀为气开阀。控制介质是尿素溶液，易结晶，强腐蚀性，工艺操作压力14.4MPa，操作温度207 ℃ 。

LV-09202于2008年6月出现控制室DCS调节回路输出为0，执行机构膜头无输入气压时，现场实际阀位开度为25%。查看工艺操作指标，阀前压力变送器显示为14.68MPa，阀后压力变送器显示为1.72MPa，阀前后差压12.96MPa。

当尿素装置停车，高压系统封塔保压，阀前压力显示13.62MPa，阀后压力由于LV-09202后电动阀关闭而增大，这时阀前后差压降低。调节回路输出0时，LV-09202阀位在弹簧的复位作用下关闭。

从调节阀出现的故障现象，怀疑执行机构输出力不够，无法克服汽提塔内的高压介质作用力，阀关不到位，泄漏量大，造成工艺操作弹性降低，在低负荷下无法操作。

1 执行机构输出力不足的分析

执行机构的输出力就是用以克服介质负荷的有效力，而负荷包括不平衡力、密封紧压力、摩擦力、重量等，对于单作用气动薄膜执行机构，其力平衡公式为：

式中：

F——执行机构输出力；

F_t——阀芯所受的不平衡力；

F₀——调节阀全闭时，阀芯对阀座密封所需附加的紧压力。一般取相当于5kPa乘以薄膜有效面积（m²）的力；

F_f——阀杆所受摩擦力；

F_w——阀芯等活动部件重量。

正常情况下F_f很小，各种活动件重量F_w也不大，所以（1）式可简化为：

从式（2）可以看出，执行机构的输出力主要是克服调节阀的不平衡力。而对于直行程的调节阀，如单座调节阀、角型阀等，当流体通过调节阀时，阀芯受到介质静压和动压的作用，会产生使阀芯上下移动的轴向力。这种轴向力影响执行机构信号与位移的关系，因此，将阀芯所受到的轴向合力称之为不平衡力，以F_t表示。

影响调节阀不平衡力的因素很多，例如，阀的结构形式、口径、流体物理状态。如果工艺介质及调节阀都已确定，不平衡力主要与阀前压力和阀前后压差有关，也与流体与阀芯的相对流向有关。

当流体流向不同时，阀芯所受的不平衡力并不相同。对于直通单座阀、角型阀，处于流开状态时，其不平衡力计算公式：

式中：

F_t——不平衡力，N；

d_N——阀芯直径，m；

d_S——阀杆直径，m；

ΔP——阀前后差压，ΔP=P₁-P₂，Pa；

P₁——阀前压力，Pa；

P₂——阀后压力，Pa。

从式（3）看出，F_t始终为正值，阀杆处于受压状态。d_N、ΔP和P₂越大，则不平衡力F_t越大。对于高压差、高静压，大口径的单座阀不平衡力F_t也就较大。而且，阀芯在全关位置时，不平衡力F_t最大，随着阀芯开启而逐渐变小，由于中间位置动压难以用公式表示，在计算调节阀不平衡力时，主要根据全关时来确定。

因此，调节阀在生产应用中，当执行机构输出力F小于调节阀的不平衡力F_t时，造成调节阀关不上，泄漏量大。

2 调节阀不平衡力的计算

综上所述，依据LV-09202的设计工艺条件、技术参数，对执行机构弹簧进行测试，并核算LV-09202的不平衡力及其执行机构的输出力。

2.1 LV-09202的工艺条件及其技术参数

调节阀的工艺条件：最小流量时入口压力14.90MPa，最小流量时压差13.34MPa；最大流量时入口压力14.51MPa，最大流量时压差12.55MPa，最大切断压差16.2MPa，阀体介质流向为流开，执行机构为反作用，调节阀为气开阀。

调节阀的技术参数：公称通径DN=152.4mm，阀芯直径d_N=50.5mm，阀杆直径d_s=44.5mm，执行机构型号38型，规格457.2mm，薄膜有效面积Ae=1290cm²，行程L=38.1mm，执行机构弹簧范围225～345kPa，气源压力400kPa。

弹簧数据：外弹簧有效圈数6.5圈，总圈数8圈，钢丝直径32mm，自由高度510mm。内弹簧有效圈数11圈，总圈数12.5圈，钢丝直径22mm，自由高度520mm。

2.2 LV09202执行机构弹簧测试报告

调节阀执行机构的输出力与其弹簧的反作用力相等，通过执行机构输出力计算公式（4）即可求得弹簧力的范围。

式中：

Pr执行机构弹簧范围，Pa；

Ae膜片的有效面积，m²。

将执行机构的弹簧范围0.225～0.345MPa，带入式（4）分别求得弹簧的预紧力29025N；全开时的弹簧力44505N。

按照F₁、F₂对组合簧进行变形量的测试：按F₁测出组合簧的变形高度410mm，按F₂测出组合簧的变形高度350mm，组合簧的变形量60mm。由实测的组合簧变形量，对照执行机构的行程，可以看出组合簧与行程的偏差有21.9mm，这说明LV-09202执行机构弹簧发生了变化，导致这种变化的原因一种可能是弹簧本身所产生的疲劳失效，另一种可能是弹簧在设计时的计算偏差。

2.3 LV-09202不平衡力及其执行机构输出力的计算

1）执行机构的最大输出力的计算：

2）调节阀不平衡力和阀座的压紧力的计算：阀前压力14.9MPa；阀后压力0.0156MPa；求出：

阀座的压紧力，硬密封阀座为645N；F_t与F₀的和为29791N。从上述结果可知满足执行机构输出的条件：

LV-09202的执行机构的输出力F_Max=F_输出力≥F_t+F₀，可知未能满足执行机构输出的条件，所以LV-09202关不死，泄漏量大。

3 解决方案

从执行机构输出力公式（4）可知，通过加大弹簧的预紧力，可以增加执行机构的输出力。通常增大弹簧预紧力可从两个方面考虑：调整执行机构的弹簧预紧力螺母；增长阀杆长度。由于LV-09202选用带顶装手轮的执行机构，限制了执行机构弹簧预紧力的大范围调整，这给增加执行机构输出力带来了一定的难度。

因此，针对LV-09202的情况，采用更换弹簧以增大执行机构的输出力。弹簧选用计算办法就是将不平衡力F_t乘一个系数，系数取1.1，以确保执行机构的输出力。在大压差的情况下，一般要计算阀芯所受的不平衡力和执行机构的输出力，使其满足：

计算LV-09202的输出力应为：

换算相应的执行机构启动压力为：0.254MPa。若气源启动风压取0.254MPa偏大，将影响薄膜膜片的使用寿命，故将系数取为1.05。

调节阀启动风压改为0.24MPa。

2008年8月定做新弹簧，并根据执行机构结构进行了在线更换弹簧，用标准仪器调整执行机构的启动风压为0.24MPa。

更换弹簧后，LV-09202的执行机构产生了足够的输出力，能够克服其所受的不平衡力，保证了调节阀的密封和开度，满足了工艺生产的需求，在一定程度上提高了生产量。