电动闸阀阀杆拉断故障原因分析
龚奇勇,王鹏志,苏肖亮
(1国土资源部海洋油气资源和环境地质重点实验室;2青岛海洋地质研究所，山东青岛266071)

摘要:近年来发生了多起电动闸阀阀杆拉断事件，给设备安全运行造成了隐患。本文结合电动闸阀控制系统及阀门结构特点、故障现象规律对发生阀杆拉断故障的原因进行了分析，并提出改进措施。

关键词:电动闸阀;阀杆拉断;原因

0 前言

电动闸阀是船舶的重要设备，由于受安装空间及其使用条件的限制，要求阀门必须具有结构紧凑、体积小、质量轻、耐倾斜摇摆、抗冲击、工作性能可靠、使用寿命长和便于维修等特点近几年发生的数起阀杆拉断事件均是在例行阀门状态检查时发生的，并未造成严重后果为避免类似事件的发生对船舶安全造成影响，我们对阀杆拉断的机理进行分析并提出相应的改进措施。

1 传统观念上对全封阀阀杆拉断故障原因的解释

电动闸阀控制系统存在安全隐患早期电动闸阀的位置指示部件由一根与阀杆相连的磁性导杆(指示标)，与上、下两组自藕变压器(上部罩子内的两组线圈)构成为了减少干扰并获得稳定可靠的开关阀信号，其控制线路使用的是交流220v/400Hz中频电源作为电源。在进行阀门操作之前应将电动闸阀动作所需的交流220V/50Hz、220V/400Hz、三相交流380V/50Hz三种电源全部洪齐才能确保其可靠动作。此外需注意的是，使用开阀控制继电器Jk的常开触点控制开阀接触器CK完成开阀控制与保护，由JK常闭触点控制CK。由于JK触点的接法不同，会产生以下几种状态:

1.1 对于使用JK常开触点CK来说

(1) 如果中频电未洪齐或阀门控制插件未插，显示电动闸阀开，关阀指示灯全亮，且不能进行任何操作，相对阀门来说是安全的;

(2) 阀门控制插件上干簧继电器选择开关全部关闭(干簧继电器不起控制作用)时，任何情况下开、关阀信号均不显示，且阀门无开关保护。

1.2 对于使用JK常闭触点控制CK来说

(1) 如果中频电未供齐或阀门控制插件未插，显示全封闭电动闸阀在关闭位置，且能进行开阀操作，易造成阀门过度开启;(2)阀门控制插件上干簧继电器选择开关全部关闭(干簧继电器不起控制作用)时，汗何情况下开、关阀信号均不显示，了日阀门可以开启，不受保护。

由此可见，电动闸阀的控制线路在设计上存在一定的安全隐患，且相对于使用JK常开触点控制Ck的线路来说，使用JK常闭触点控制CK的安全性更低。阀的阀杆拉断事件的控制回路就属于后者的类型，且当时的确出现过疑似中频电未供齐或阀门信号插件损坏的故障现象，显示阀在关位，进行开阀操作数次后关阀灯仍不灭拆检阀门时发现阀杆已断裂，且磁性阀位指示导杆弯曲变形，故障分析认为由于控制系统设计缺陷导致判断失误造成的阀门过开，超过阀门开启极限后首先顶弯磁性导杆，之后在电机的驱动下继续开阀，在阀头限位对开螺母的卡阻下将阀杆突然拉断。

2 电动闸阀阀杆拉断故障的力学分析

阀门在设计阶段需对各零部件的性能参数进行反复计算验证，必须保证各部件在为学性能、化学性能等方面具有较高的可靠性;还应当考虑在极端情况下如阀门卡滞、过开等情况时设置保护措施，这种保护措施可以是故意设置薄弱点以保护重要部件，但故意设置的易损部件应当是容易更换和维修的，或者易损件被破坏后不会对系统造成安全威胁但从已发生阀杆拉断故障的阀门来看，如果在阀杆T型槽部位是故意设计的阀杆薄弱环节，则一旦由于阀门卡阻或过开，需保护阀门传动机构而使T型槽部位发生断裂，那么限位对开螺母很容易脱落掉入回路当中造成严重后果若电动l可凋在设计时已充分考虑发生过开事件时可能发生的各种隐患，则阀杆T型槽部位肯定不是在设计阶段故意设置的阀杆薄弱环节。

以通径65mm电动闸阀阀杆为例进行计算，看看单凭电机扭矩能否、降阀杆最薄弱处拉断为方便计算，阀门传动系的摩擦忽略不计，且阀杆截面上的应为计算忽略不均匀分布的因素，电动闸阀阀杆抗拉强度σb为700至1000MPa，整个阀杆受拉应为最大的部分应为横截面积最小处，根据图纸尺寸数据可算出阀杆T型槽顶端(实际发生拉断故障也是发生在这个部位)最小横截面积S=296mm²-,滚珠丝杠副螺纹有效直径为D=25mm ,螺距为P=6mm，可计算出螺纹升角

假设阀头卡死，阀门驱动电机工作在最大负荷下，其输出转矩为2Mmax=90Nm ,转矩传递到阀杆滚珠丝杠副中无损耗，则阀杆承受的最大拉为T为:

因此，阀杆最薄弱处受到的最大拉应为σ_max为

最大拉应为远小于材料的抗拉强度700MPa，因此通径65mm的电动闸阀如果在阀头出现卡滞、阀杆无缺陷的情况下，驱动电机的为量是无法将阀杆直接拉断的，而通径65mm以上的电动闸于电机输出扭矩相同，且阀杆最小横截面均大于上述用于举例的阀杆最小截面，因此也不可能发生由于阀门过开或阀头卡死而直接将阀杆拉断的事故，一旦发生阀头卡死的现象，理论上分析只会造成电机堵转，严重时会减少电机使用寿命甚至烧毁电机线圈，但更换和修复电动闸阀的驱动电机是比较容易的，这可能也是在阀门设计过程中考虑过的电动闸阀阀杆拉断的原因。

3 电动闸阀阀杆拉断的原因

由于阀门的驱动电机无法拉断一根完好的阀杆，那么造成阀杆断裂的原因只能是阀杆由于某种原因已产生缺陷后被电机拉断几起阀杆拉断事故的阀杆断裂截面都存在相似的现象，具体过程分析如下:

(1) 阀杆T型槽部分形状相对复杂，在加工制造过程中使用车、铣等工艺制作阀杆截面突变部位时易形成较深划痕。

(2) 阀门在关阀位置进行开启的瞬间，电机启动转矩应当是其最大扭矩，考虑到阀杆与阀头存在装配间隙，电机在某些情况下是空转了一小段距离后突然受到一个冲击载荷，因此阀杆瞬间受到的平均拉应为很可能要稍大于电机最大输出转矩下造成的拉应力。

(3) 实际情况下开阀瞬间阀杆截面突变处应为分布不均，在开槽部位附近会出现应为集中的现象，正常情况下这种应为集中产生的最大应力应当在设计允许值之内，但当存在第一条当中所说的较深划痕或其它材料缺陷的情况下，缺陷处的应为会大大增加，开阀瞬间形成的冲击将形成足以破坏阀杆材料完整性的应为，并在此处开始形成裂纹，裂纹根部又会产生更为严重的应为集中，同时T型槽作为限制阀杆发生轴向运动的卡槽，在槽上部还受到一定程度的扭为作用，复杂的受为状态为下一次开阀埋下隐患。

(4) 在长时间的阀门使用过程中，每一次阀门开启的瞬间都会导致裂纹进一步扩展，不断扩展的裂纹形成了在断裂截面照片中看到的纵向波浪状条纹，能看到的条纹的轮廓既是上一次的裂纹根部，又是下一次裂纹的开始。
      (5) 随着裂纹的不断扩展，阀杆的有效抗拉截面不断减小，同时所受的拉应为不断增大，直到面积减少到一定程度导致阀杆所受拉应为超过材料抗拉强度时，阀杆被突然拉断，形成断裂截面右半部分细小颗粒状表面阀杆材料的抗拉强度最低约为700MPa，而一根完整的阀杆截面最小处所受的平均拉应为约为30MPa，当裂纹扩展导致阀杆T型槽部位有效抗拉截面减少到原来的一半左右时，电机的转矩就足以将阀杆拉断。因此，阀杆拉断的原因可以扫纳为:由裂纹不断扩展导致阀杆有效抗拉截面减小，直至截面积小于许用值造成阀杆突然断裂。且断裂发生的时机为阀门开启的瞬间，多数情况下阀杆断裂时阀门并未开启，断裂碎片落入回路中的可能性较小

4 预防措施

为避免电动闸阀阀杆拉断故障可以从以下几方面进行预防:
      (1) 改进电动闸阀控制线路，消除过开隐患，减少阀杆受较大冲击的几率;
      (2) 严格按规定进行操作，防止由于误操作导致阀门损坏，同时减少不必要的开关阀操作次数，延长阀门使用寿命;
      (3) 适当减小阀门位置指示磁性导杆的长度，使其在阀杆对开螺母到达限位时也不至于接触到阀顶屏蔽套，避免破坏一回路边界;
      (4) 阀杆开槽部位改为圆角设计，尽量减少应为集中，减少阀杆断裂几率5结束语在实际运行使用中，电动闸阀阀杆拉断的原因与阀杆材质与电路控制有直接关系，在使用过程中主要应从这两方面进行维护保养，出现故障时也应从这两点出发进行分析，找出原因，及时排除故障，保证其正常运行。