石西天然氣處理站采用分子篩脫水裝置脫除天然氣中 的水，達(dá)到凈化氣體、降低氣體水露點以及滿足后續(xù)流程運行的工藝要 求。分子篩脫水裝置選用進(jìn)口的卡麥龍公司生產(chǎn)的提升式軌道球閥進(jìn)行 脫水工藝流程的自動切換。因此軌道球閥的運行狀態(tài)好壞直接關(guān)系著整 套裝置的安全平穩(wěn)運行。

　　天然氣處理站orbit閥門由于常年運行再加上檢維修質(zhì)量不過關(guān)，經(jīng)常發(fā)生閥門故障，給分子篩系統(tǒng)正常運行帶來了嚴(yán)重影響。而故障中對工藝系統(tǒng)影響最大的就是orbit閥門閥桿斷裂故障，閥桿斷 裂后閥門開啟不了，整套工藝流程被堵塞，會造成分子篩前端壓力升高，壓縮機(jī)憋壓停機(jī)。遇上冬季要是故障的不到及時有效的處理，剛剛脫完水的分子篩的不到及時的再生會造成分子篩凍堵。

1、Orbit閥門故障起因

　　Orbit閥門位于天然氣處理站天然氣處理工藝中分子篩工藝的進(jìn)出口，工藝介質(zhì)為天然氣，正常操作壓力為3.OMPa，有壓力波動;溫度在50-200°C范圍波動。該裝置自1997年投產(chǎn)至2006年8月檢修前未發(fā)生過閥桿斷裂事故。2006年8月檢修時更換了一批閥桿，更換上去的閥桿材料為ASTM420，原更換下來的閥桿材料為ASTM8620。到斷閥桿發(fā)生時僅服役不到半年時間。到2012年為止陸 續(xù)發(fā)生閥桿斷裂事故共7起。給氣站的安全平穩(wěn)生產(chǎn)造成了較大影響，分析出閥桿斷裂的原因并解決閥桿問題刻不容緩。問題最終聚焦在閥桿質(zhì)量問題和裝配質(zhì)量問題上。

2、閥桿斷裂原因

　　為了搞清楚是否是閥桿材質(zhì)出了問題，天然氣處理站委托有資質(zhì) 的單位對閥桿進(jìn)行了專業(yè)分析，分析結(jié)果如下：(a)由硬度測試看出， 均符合或超過技術(shù)要求(HRC33至40)從硬度值來看，更換下來的8620 閥桿性能優(yōu)于斷裂420閥桿;(b)由化學(xué)成分分析結(jié)果兩個閥桿材料 均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定;(c)SEM斷口分析。

　　由SEM斷口分析可以看出，斷面上存在大量顯微裂紋以及垂直 于微裂紋的疲勞紋，表明閥桿的脆性疲勞斷裂特征。

　　綜合分析結(jié)果可以得出結(jié)論：不管是 AS T M42 0閥桿還是 ASTM8620閥桿質(zhì)量都是符合標(biāo)準(zhǔn)的，ASTM8620閥桿質(zhì)量略優(yōu)于 ASTM420閥桿。閥桿的斷裂是由于閥桿在低頻交變應(yīng)力作用的作用 下表面應(yīng)力集中處產(chǎn)生了疲勞裂紋，從而使材料的疲勞壽命降低，導(dǎo) 致閥桿脆性斷裂。

3、疲勞裂紋產(chǎn)生的原因

　　經(jīng)過專業(yè)的分析，得出閥桿斷裂的原因是疲勞斷裂，疲勞紋怎樣 產(chǎn)生的又成了擺在我們面前的一道難題。雖然閥桿材質(zhì)有一個使用壽命，但是這個疲勞的太快了，以前用了10年都沒疲勞斷裂，現(xiàn)在用了不到半年就斷裂�？隙ê蜋z維修質(zhì)量有關(guān)，影響閥桿檢維修質(zhì)量的參數(shù)就有閥桿行程和閥門密封面安裝方向。

圖1 閥桿示意圖

　　根據(jù)orbit閥門工作原理知道閥門行程裝配過短：閥桿密封斜面 和閥芯銷釘壓和度不夠，導(dǎo)致閥芯和閥座環(huán)密封不緊，閥門容易內(nèi) 漏。閥門行程裝配過長：閥桿密封斜面和閥芯銷釘壓和度增大，導(dǎo)致 閥芯和閥座環(huán)密封過緊，閥桿受力增加容易疲勞。

　　閥桿主要有A、B、C和D功能段。A段為閥桿直線運動控制段，B 段位閥桿旋轉(zhuǎn)運動控制段，C段位球體松壓段，D段為球體旋轉(zhuǎn)段.對 于我站6寸orbit閥，其中A+B=81mm;3寸orbit閥A+B=61mm。在裝配過程中6寸閥門選擇的裝配行程范圍在：6寸閥門行程：85.73---90.49mm，3寸閥門行程：48.42---53.18 mm 很顯然6寸閥門行程太長。3寸閥門行程在合理的范圍內(nèi)，這也是為什么3寸閥門從來沒有 發(fā)生過閥桿斷裂故障。

　　ORBIT軌道球閥的結(jié)構(gòu)為單面密封，同時要求非密封方向即反 向壓差不能超過0.2Mpa，即ORBIT軌道球閥非密封側(cè)壓力高于密封 側(cè)壓力時，密封效果最好，否則可能出現(xiàn)超出要求的泄漏，達(dá)不到使 用效果。根據(jù)密封要求列出我站分子篩在各種工作狀況下orbit閥門 密封面安裝示意圖：

圖2 理論閥門密封面安裝圖

　　數(shù)字越大代表壓力越高，數(shù)字越小代表壓力越低，紅色部分表示理論密封面?zhèn)�。理論情況下，6寸orbit閥門密封面應(yīng)該在背離分子篩側(cè)，這樣密封效果會更好。實際氣站吸附進(jìn)口密封面都是向著分子 篩側(cè)的，存在反相壓差約200kpa，雖然不影響閥體密封，但是影響閥桿受力。這個反相的壓差使閥桿所受疲勞應(yīng)力增加。

　　目前為止，所以斷裂的orbit閥桿均為吸附進(jìn)口，而且是在從冷 吹切換至吸附狀態(tài)時，發(fā)現(xiàn)閥桿斷裂，斷裂時閥桿狀態(tài)為關(guān)閉狀態(tài)。 Orbit閥門在開啟時基本不受力。受力主要在關(guān)閉時，閥桿功能段C斜 壓閥芯銷釘，使閥芯和閥座環(huán)密封緊密。由此可以判斷出閥桿疲勞紋是在關(guān)閉時期造成的，也在關(guān)閉時發(fā)生斷裂。

圖3 吸附進(jìn)口Orbit閥門在分子篩冷吹時的受力分析

　　由Orbit閥門在分子篩冷吹時的受力分析，可以得出。閥桿在這 個時期主要受力為膜片給閥桿向下的力：F=P*S=儀表風(fēng)壓力*膜片 面積=4.5公斤*3.14*20*20=5652公斤。和反向壓差力：F2=密封面 S1*管線差壓P=3.14*6*6*200kpa=226.08公斤。閥芯銷釘給閥桿的反向作用力：

　　F反=F*tanφ1+F2，隨著閥桿行程增加，閥桿將閥芯和閥坐環(huán)壓 的越緊，夾角φ1就會增大，反向作用力也會增加。

　　在低頻交變應(yīng)力的作用下，在應(yīng)力集中處產(chǎn)生疲勞裂紋使材料 的疲勞強(qiáng)度降低，導(dǎo)致閥桿脆性斷裂。由于閥桿上半部分有盤根盒緊緊包裹，所以閥桿斷裂處為盤根盒和閥芯交界處及圖3中，紅色部分， 應(yīng)力集中處。

　　綜上所述，閥桿斷裂的原因為：1、閥桿行程裝配過長，導(dǎo)致閥桿密封斜面壓入閥芯過深。閥桿受力增加，容易疲勞。2、閥門密封方向 安裝不合理，工作時在密封面上有反向的作用力。加大了閥桿負(fù)荷。

4、解決方案

　　(1)針對閥桿斷裂，采取了更換原來所有的420閥桿。并將閥桿 行程調(diào)整到合理的范圍內(nèi)。閥桿行程要小于A+B=81mm，又要密封 緊密;(2)調(diào)整閥門位置密封面向著低壓方向，使閥門工作的時候有 正向的壓差。