摘要：为了解决PSA提氢装置程控阀在使用过程中异常问题突出，对系统稳定性产生较大的影响，以程控阀阀杆断裂问题改善为技术攻关对象，分析了程控阀阀杆断裂的主要原因，针对性的从材质选择、阀杆结构优化、气动系统优化、设备全寿命周期管理优化等方面入手进行了改善。根据实际应用可知，在优化后显著提升了程控阀阀杆的可靠性，将其使用寿命提升了10倍以上，对优化程控阀阀杆设计、提高PSA提氢装置的运行稳定性奠定了基础。

　　关键词：程控阀；阀杆；断裂；结构优化；生命周期管理

　　0引言

　　PSA变压吸附提氢装置是利用吸附剂对不同气体的吸附特性，通过改变压力实现气体的分离和提纯，其核心是吸附与分离单元，程控阀作为吸附与分离单元的核心控制设备，主要用于控制变压吸附时的均压、顺放、逆放过程，保证系统能够按照既定的控制程序运行。程控阀的运行通过气动系统控制，每年的运行次数达到了十万次以上，运行过程中极易出现运行故障，给PSA提氢装置的运行稳定性和可靠性带来了严重的影响。

　　路则超等[1]对程控阀在运行中常见的故障原因和解决方法进行了总结，为实现故障的快速定位和解决提供了参考；魏予都等[2]提出了一种新型程控阀阀杆，增强了阀杆的强度，降低了阀杆的运行故障；张国义等[3]对程控阀运行时的机械故障类型进行了分析，提出了一些结构优化建议。以上研究对提升程控阀的运行稳定性具有十分重要的意义，但其对故障的分析主要集中在程控阀的机械及控制结构上，对阀杆断裂等重大异常的分析较少。

　　以某化工企业ZSPQ-16K程控阀为研究对象，对程控阀杆断裂的原因进行了全面分析，针对性的提出了多组优化建议并在生产当中予以应用，取得了良好效果，从而彻底解决了阀杆异常断裂故障，提升了程控阀的使用可靠性。

　　1程控阀结构及异常类别分析

　　1.1程控阀结构分析

　　某化工厂PSA变压吸附提氢装置的吸附与分离单元包含有10个吸附塔，每个吸附塔都由8股物料管线构成，每股物料管线上都由1个ZSPQ-16K程控阀控制。ZSPQ-16K程控阀是一种全封闭球阀，主要包括了顶盖、阀杆、支架、活塞、气缸等组成[4]，程控阀在工作时根据执行信号的不同控制不同气路的通断，进而控制阀杆和活塞的动作来实现开、合调节，保证系统的正常运行。ZSPQ-16K程控阀结构，如图1所示。

　　1.2程控阀异常分析

　　对自2019年系统投入运行以后的实际工作情况进行分析，每个程控阀累计运行90万次，其发生的故障类型主要是电磁阀故障、阀检信号故障和阀杆断裂故障，其中电磁阀故障占比36.7%、阀检信号故障占比20.4%、阀杆断裂故障占比9.9%。进一步对各类故障对生产的影响进行分析，发现阀杆断裂故障虽然占比较小，但每次发现后都需要停机进行更换，因此对生产的影响最大，也最难预防，因此需要重点对阀杆断裂故障进行重点研究。

　　2阀杆断裂异常原因分析

　　2.1金属疲劳特性分析

　　ZSPQ-16K程控阀所使用的材质为40Cr钢，江强等[5]对40Cr钢的金属疲劳特性进行了分析，证明当材料在10万~20万次之间时，材料的金属疲劳特性寿命会显著的加速降低，应力循环次数越多，材料的承载强度就越低，越容易出现疲劳断裂。

　　通过对阀杆断裂处断口结构的分析可知，在断口处存在明显的应力集中特性，并且呈扇形向着阀杆的内侧扩展，随着应力交变次数的增加会导致疲劳裂纹区不断地扩大，进而造成阀杆的疲劳断裂。阀杆断裂断面结构，如图2-1所示。

　　2.2阀杆结构特性分析

　　阀杆为多台阶结构，不同位置的结构差异大，而且在阀杆加工时各台阶之间会形成突变，还会存在加工刀痕，进一步加剧应力集中问题，这些地方在长期交变应力的作用下就会发生疲劳断裂。阀杆结构及断裂位置，如图2-2所示。

　　2.3气源特性分析

　　程控阀的气源为0.8 MPa，理论上是稳定的气源，但在实际工作过程中由于是集中供气，气源稳定性会产生变化，因此当气源压力过大时就会导致阀杆所受到的冲击力的增加，进一步加速疲劳裂纹的产生。

　　综上所述，导致阀杆发生断裂的异常原因主要包括了三个方面：首先是材料选择不合理，疲劳寿命较短；其次是阀杆结构处存在突变，会产生应力集中；最后是气源压力过大，进一步加剧了应力集中问题，进而导致了程控阀杆的断裂。

　　3阀杆优化措施

　　根据对阀杆断裂原因的分析，为了提高阀杆的使用可靠性，提出了以下优化方案：

　　3.1材质选型优化

　　根据阀杆所使用的环境条件和使用需求，将阀杆的材料从40Cr更改为17-4PH马氏体不锈钢，该类型材料是从低碳马氏体不锈钢通过强化效应而形成的一种具备马氏体特性和不锈钢特性的特种钢材，其具有抗疲劳强度高、抗水滴性能好的优点。40Cr材料和17-4PH马氏体不锈钢材料的性能对比，如表1所示[6]。

　　由表1对比可知，17-4PH马氏体不锈钢的材料特性全面优于40Cr，材料的疲劳损伤次数可以达到150万次以上，可以显著提升阀杆在多次循环情况下的使用呢可靠性。

　　3.2结构选型优化

　　为了提高阀杆在交变循环应力作用下的使用可靠性，和阀门厂家进行了联合技术攻关，对阀体结构进行了优化，将阀杆的直径从98 mm增加到了108 mm，将长度从521 mm增加到了541 mm，增加了单位面积上的复合承载能力。同时对阀杆台阶位置进行了优化，设置了R3~R5的过渡圆弧，从而减少了在使用过程中的应力集中。优化后的阀杆结构，如图3所示。

　　3.3供气系统优化

　　3.3.1供气系统现状

　　目前供气系统中供气总管的直径是50.8 mm，分支管路是25.4 mm，连接气源回路是12 mm，理论供气压力是0.8 MPa，程控阀的运动控制压力为0.35 MPa，因此现有供气系统的供气压力是远高于程控阀启、闭所需要的气压。

　　3.3.2优化方案

　　1）气源优化：对程控阀启、闭实际所需的气源情况进行实验验证，在进行500次验证后，确定将气源压力调整到0.5 MPa的情况下即可满足系统在各种工况下的启、闭需求，从而在保证系统运行稳定性的情况下降低阀杆在启闭时所受到的冲击力。

　　2）增加减压阀：在气源末端增加加压阀，对每个程控阀的运行压力进行差异化精确控制，从而进一步降低阀杆在运行时的冲击；

　　3）增加阻尼装置：在控制电磁阀位置设置阻尼机构，降低阀杆在运行过程中的冲击力和作用在阀杆上的负荷，提高阀杆的使用寿命。

　　3.4管理优化

　　根据程控阀的使用要求，建立了程控阀全寿命周期管理系统[7]，按照程控阀的使用次数对其进行例行维护、中期维护和大修，不仅能够降低日常维护工作量，而且在维护时候能够根据维护点检清单进行专项排查，提高维护的效率和针对性。在大修时候需要将阀杆拆除，对其进行X光探测，确定阀杆内部结构的稳定性，从而对隐性问题进行识别。

　　4应用情况分析

　　在采用优化方案后，从2023年5月17日到2025年1月15日，运行约19个月，83个程控阀未再出现阀杆断裂问题，其使用寿命已经比优化前提升了约10倍，而且通过全寿命周期管理系统，实现程控阀的维护时间平均降低了37.9%，有效的提升了程控阀的使用稳定性和可维护性，保证了PSA变压吸附提氢装置的应用可靠性。

　　5结论

　　为了提升程控阀的使用稳定性，对阀杆断裂原因进行了深入分析，有针对性的提出了多种改善建议并付诸实施，有效的提升了程控阀的应用稳定性，根据实际应用表明：

　　1）材料选择不合理、阀杆结构处存在突变、气源压力过大，是导致阀杆在运行中断裂的主要因素；

　　2）通过采用17-4PH马氏体不锈钢材料、优化阀杆结构、降低供气压力、采用全寿命周期管理，能够将阀杆的使用寿命提升10倍以上，将程控阀的平均维护时间降低37.9%。

　参考文献

　　[1]路则超，孙宏强，竺家培，等.制氢PSA程控阀常见故障及解决方法[J].炼油技术与工程，2018，48（12）：40-43.

　　[2]魏予都，韩永振.PSA程控阀运行维护与优化改造研究[J].化肥设计，2022，60（4）：50-54.

　　[3]张国义，崔晓锦，赵军龙，等.变压吸附程控阀故障原因分析及解决办法[J].化工设计通讯，2020，46（9）：4-5.

　　[4]刘业宏，张伟，常浩，等.SZorb装置特殊阀门故障分析与处理[J].石油化工设计，2022，39（1）：44-47.

　　[5]江强，周细应，施蓓倩，等.40Cr钢的冲击疲劳性能及疲劳断口分析[J].热加工工艺，2013，41（22）：63-65.

　　[6]李旭.程控阀在制氢装置中应用的典型故障分析[J].通用机械，2020，19（7）：20-23.

　　[7]张伟东.变压吸附装置运行故障处理[J].石油和化工设备，2014，17（7）：56-59.