天津天钢联合特钢有限公司天津市301500
摘要：我动力厂高炉煤气柜的大口径进出口阀门使用较短时间后出现无法开启的故障。从故障现象入手，结合推理分析和解体检查两个手段寻找故障点；在找到故障点为蜗轮蜗杆减速机构之后，通过对失效件的理化性能检查排除了其材质及制造质量不佳的可能，并通过力矩计算分析把故障原因聚焦于设计选型有误导致的减速机承载能力不足。最后，进一步分析了阀门操作频度对减速机使用寿命的影响，并建议采用其他执行机构型式来较为彻底地恢复阀门开闭功能。
关键词：煤气柜；阀门；故障；原因
煤气是钢铁工业的一种重要能源，优化对煤气资源的调配，在保证各个生产环节对煤气需求的同时有效提高煤气的利用效率，是钢铁企业实现“降本增效”的一条重要途径。
一、煤气柜进出口阀故障现象
我厂新建一座一段式皮膜柜，容积为20万m3的高炉煤气柜，投用后运行状况良好，但其进出口阀门却在使用仅2个月时出现开过力矩报警现象，并在使用约5个月后彻底丧失了开启功能。阀门的故障现象主要表现为开启过程中出现过力矩报警以致无法继续开启。第一次此类故障出现在使用未及2个月时，阀轴开度为全行程的98%左右发生报警，后重复操作开关两次，阀门恢复全开功能。约1个月后，再次出现开过力矩报警情况，后通过调整增大开力矩值恢复阀门全开功能。然而，使用一段时间后阀门又出现不能全开的情况，阀轴最大开度只能达到全行程的95%，随后又发生若干次开过力矩故障，阀轴可达最大开度逐渐变小，直到使用约5个月后的某一天，阀轴转动角度仅到45%左右就出现过力矩报警，无法再进一步开启，此时阀板仅刚离开阀座密封面而尚未转动开启，相当于煤气已几乎无法流通，说明阀门已完全丧失开启功能。幸运的是，阀门尚能够关闭到位，但阀门全关后开度信号显示仍有19%开度。
二、故障原因分析
（一）故障点判断和查找
阀门转动涉及电动机、蜗轮蜗杆减速机构、阀轴、双偏心连杆等一系列部件，仅凭上述故障现象难以迅速判断究竟是哪个部件发生了问题。先根据经验罗列出可能的故障源，然后按各类可能情况的发生概率及排查难度逐一进行排查。可能导致阀门无法开启的常见原因有三类：（1）阀门本体转动部件发生异常，以致旋转受阻；（2）电动机故障，无法带动蜗轮蜗杆机构和阀轴旋转；（3）蜗轮蜗杆减速机构故障，无法带动阀轴旋转。第一类情况中涉及部件较多，又可细分为若干项可能原因，比如：阀轴弯曲或变形；轴承损伤，包括磨损和碎裂等不同程度的损伤；轴套磨损或变形；连杆弯曲或变形；转动部位被煤气中的杂质颗粒或大块垃圾卡阻；等等。
首先对传动机构电气部分进行检测，结果表明，尽管控制器开度显示存在异常，但电机、电路及控制回路能够正常工作。这暗示着阀门传动机构机械部分或阀门本体转动机构存在异常。然后，创造条件进入管道内直接观察阀门情况，发现管道内十分干净，可排除因煤气杂质影响阀门开闭的猜想；而对阀杆和连杆等部位的观察也未见变形等异常情况。进一步，对阀门作开启操作，在能观察到的一段有限的行程之内，轴套没有表现出卡阻等异常或发生异响，轴承虽然因为藏在阀轴端部无法被直接观察到，但也并未发出异音或表现出其他异常现象。由此，问题被聚焦到阀门传动机构机械部分。对减速齿轮箱进行拆解，发现蜗杆有两个齿出现磨损沟槽和毛刺；而蜗轮的所有工作齿均严重损坏。显然，阀门执行机构减速机失效就是阀门无法正常开启的原因。
（二）减速机损伤原因分析
1、减速机损伤形貌观察
减速机内受损部件主要为蜗轮和蜗杆，蜗杆损伤主要表现为齿面有磨损沟槽，从阀门闭至开方向顺序观察，最开头的1个坏齿存在受力面齿顶磨损现象；随后第2个牙齿受力面向内磨损加剧，直至非受力面的齿顶也已磨损消失；随后第3至12个齿受力面向内的磨损进一步加剧，非受力面一侧变薄断裂，且断面也被进一步磨平，使得整个牙齿几乎均已消失；再后面第13至17个齿可以观察到清晰的磨损台阶：受力面向内磨损，但非受力面部分的牙齿还存在，而且余齿逐渐变厚；至第18个齿，仅有受力面一侧略有磨损痕迹。
对蜗轮蜗杆受损及正常牙齿的齿面进行肉眼观察和着色探伤，未见裂纹、砂眼、夹渣等缺陷；齿面主要呈现为具有规律性和渐变性的磨损形貌，除部分蜗轮牙齿非受力面一侧有一薄层断裂面外，未见断裂痕迹，由此可推测蜗轮蜗杆损伤系由磨损造成，而非受到冲击载荷作用或因存在缺陷而断裂等原因造成。
2、蜗轮蜗杆材质及制造质量分析
查询减速机出厂资料，可知蜗轮蜗杆设计材质为球墨铸铁，且蜗杆牙齿硬度应比蜗轮牙齿硬度高一个等级。对蜗轮未损伤牙齿和蜗杆牙齿工作面及非工作面进行硬度检测，得到如下结果：蜗轮牙齿表面硬度实测平均值约为280HB，蜗杆工作齿面硬度实测值约为430HB，非工作齿面硬度实测值约为330HB。与球墨铸铁应有的硬度进行对比，可知蜗轮及蜗杆的材质性能符合要求。考虑到对蜗轮蜗杆的齿面观察中未发现铸造缺陷，因而可进一步推论它们的制造质量正常，并非引发故障的原因。
3、蜗轮蜗杆损伤因果链推断
整个故障因果链已经比较清晰：阀门电动执行机构设计中配套的减速机与阀门不匹配，后者开关过程中需要的最大力矩已接近甚至超过前者可承受的最大传动力矩，使得减速机中的蜗轮和蜗杆一直处于接近其极限负载能力的工况下，在使用一段时间后，对应不同的受力区间，蜗轮牙齿表面开始发生不同程度磨损。随后磨损逐渐严重，牙齿逐渐被磨薄，蜗轮牙齿与蜗杆牙齿的配合出现间隙，使得两者啮合时出现小的冲击，同时，润滑油脂被磨损产生的金属粉末污染，成为加剧磨损作用的“帮凶”，使得硬度较高的蜗杆也开始表现出损伤。随着蜗轮牙齿磨损变薄和蜗杆牙齿开始磨损，蜗轮蜗杆组的承载能力下降，触发阀门在开启过程中的过力矩报警，同时，当蜗轮牙齿剩余牙厚已不足以承载时将发生折断，也可能会触发过力矩报警。最先发生折断的是处于受力最恶劣区间的牙齿，其折断后，减速机仍处于运行中，载荷被分配到临近牙齿，使得临近的蜗轮牙齿也逐一发生折断，同时，先前被折断牙齿的断面继续被蜗杆碾压磨损，直至所有可承载的牙齿都磨损殆尽，终于无法再传动承托起阀板，导致出现阀门无法开启的故障现象。如果用一句话来描述，原因分析得到的结论就是“GS400减速机承载能力偏小导致蜗轮齿面材料在高负荷状态下使用寿命到期”。
三、对策措施研究
既然减速机承载能力不足是蜗轮蜗杆在短期内快速磨损失效以致阀门无法开启的原因，处理对策似乎也就顺理成章地指向了“提高减速机承载能力”，然而，情况并非如此简单。本次故障阀门直径大、设计重量大，需要的开闭力矩值达到数十万Nm级，市面上很难找到承载能力数倍于此的减速机构。这说明提高减速机承载能力的空间十分有限，由此措施可延长的寿命也很有限。另一方面，除工作负荷因素外，还有一个不能忽略的因素会影响减速机使用寿命，即：阀门每日开关操作频度。显然，每日开关越频繁，减速机的日历使用寿命越短。为尽可能减小煤气放散损失，故障阀门每日开关次数少则10余次，多者甚至超过30次。这是一个较高的操作频度，它可以轻易地把提高承载能力所带来的寿命延长分解掉，使这一做法几乎失去价值。由此可知，蜗轮蜗杆减速机构这类装置实际上并不适宜作为本文所述煤气柜进出口阀门的执行机构。对于开闭力矩大且开闭频繁的大口径煤气柜用切断阀，采用电动液压式执行机构应该更合适。目前这一方案正在实施中，其效果还有待考验。
参考文献：
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