制冷空调系统截止阀的原理、维护与故障诊断

         

    截止阀是制冷空调系统中不可或缺的控制元件,其性能的优劣直接影响到系统的安全、经济、高效运行。 本文我们一起来探讨下截止阀的原理、故障和维护问题。             

         

     

     

（示意图，不对应文中任何具体信息）  

 

 

随着人们生活水平的提高,制冷空调系统已走进千家万户,在商业楼宇、工业园区也得到广泛应用。作为制冷空调系统的"心脏",压缩机的吸排气都依靠截止阀切换[1]。此外,截止阀还用于系统分支的流量调节、旁通控制、设备隔离检修等,地位十分重要[2]。一旦截止阀发生故障,轻则影响系统性能,重则危及设备安全。因此深入研究截止阀的工作机理,总结故障规律,探讨使用维护要领,对提高制冷空调系统的可靠性、經济性意义重大。  

 

一 、截止阀的工作原理与结构组成      

         

制冷空调系统中使用的截止阀可分为闭式截止阀和开式截止阀两大类[3]。

（1）闭式截止阀     

通过阀芯与阀座的精密配合实现开关,密封面较小,制造工艺要求高,但启闭迅速、密封可靠、流体阻力小、结构紧凑,如角式截止阀、闸阀等;

（2）开式截止阀    

依靠弹性阀瓣或阀板与阀体间的密封来卡断介质,制造简单、密封面积大、价格低廉,如butterfly valve、球阀等,但全开时阻力较大,密封性差于闭式阀门[4]。

以最常见的闸阀为例,它主要由阀体、阀盖、阀杆、阀瓣、填料函、手轮等组成。阀体内腔两端分别与前后管路相通,中间隔着一块垂直的阀瓣。阀杆上端穿出阀盖并连接手轮,下端与阀瓣螺纹连接。当旋转手轮时,阀杆带动阀瓣上下运动,从而切断或接通介质。填料函起着防走气的密封作用。闸阀结构简单,启闭迅速,维修方便,广泛用于冷凝器、蒸发器进出口,但全开阻力较大,局部容易磨损老化[5]。

角式截止阀与闸阀工作原理相似,主要区别在于阀瓣与阀座的密封面呈锥形,阀杆与阀瓣直接螺纹连接[6]。这种结构密封性能好,启闭力矩小,广泛用作压缩机进出口阀。但其公称通径较小,阀芯与阀体容易咬死,拆装不便[7]。

 

球阀靠球体绕阀杆轴线转动90°来接通或切断介质,优点是流体阻力极小,操作迅速灵活,可用于调节流量,缺点是密封面磨损后不易修复,洩漏量大。蝶阀依靠阀板绕其直径线旋转来控制截面面积,优点是重量轻、体积小、价格低,缺点是局部阻力损失大,易产生涡流噪声,密封性差[8]。这两种阀门多用于辅助管路。

 

二、截止阀常见故障分析      

         

制冷空调系统截止阀的典型故障模式有:密封失效、阀杆咬死、填料函泄漏、阀体开裂等,下面逐一探讨。

(一)密封失效

阀芯与阀座间密封面磨损是导致截止阀内漏的首要原因。橡胶 O形圈老化失弹、金属硬密封表面产生 scratches、结垢腐蚀等,都会造成微小泄漏通道[9]。此外,阀芯与阀座密合时,夹杂的颗粒杂质会造成划伤,流体切变力会引起密封面糜烂,高低温交替使阀芯阀座产生不同程度热变形,这些因素复合作用,逐渐恶化密封效果。

(二)阀杆咬死  
角式截止阀采用阀杆与阀芯直接啮合的连接方式,扭矩传递效率高,但长期使用后,螺纹易咬死。阀杆表面的机械杂质、腐蚀产物会嵌入螺纹沟槽,造成"阀芯死锁",无法转动。高速流动的介质也会引起阀杆振动,加剧螺纹磨损。此外,阀杆径向窜动、阀盖孔洞磨损等因素也可导致阀杆卡涩。

(三)填料函泄漏  
填料函是阀杆与阀盖间的静密封,依靠压紧填料来限制介质外泄[10]。当填料老化失去弹性,阀杆表面粗糙不平,阀盖壁磨损变形等,都会引起填料函渗漏。操作不当使填料偏载、烧焦,阀杆弯曲、腐蚀也会破坏填料密封性能。

(四)阀体开裂  
制冷空调系统常采用铸铁или铸钢制作截止阀阀体[11]。设计wall 厚度不足、内部夹杂气孔、铸造裂纹等会降低阀体强度。超压使用、水击冲击、管路应力等也会引起阀体开裂,严重时可导致介质大量泄露。腐蚀介质还会加速阀体材料劣化,不均匀减薄壁厚,诱发局部应力集中。

 

三、截止阀的故障诊断与维修      

         

针对上述常见故障,本节给出诊断思路和解决措施。

(一)密封失效的诊断与修复  
1.故障诊断:全闭时阀后仍有介质流动,压差随开度增加而减小,阀杆温度异常等,初步判断截止阀密封失效。
2.检查步骤:关小阀门,打开放空阀放掉残留介质,拆下阀盖,取出阀芯。检查阀芯与阀座密封面有无划痕、磨损、腐蚀等缺陷。
3.修复措施:对于橡胶密封,更换O形圈;金属硬密封可用油石修复轻微划伤,重度磨损需要车床加工阀芯锥面,重新研磨配对。必要时更换配套阀芯阀座。

  (二)阀杆咬死的诊断与修复  
1.故障诊断:阀门启闭不灵活,阀杆转动受阻,用力过大时手轮打滑,怀疑阀杆咬死。
2.检查步骤:去掉阀杆与手轮连接销,单独转动阀杆,如转动无异常,说明手轮轴承故障;阀杆单独转动也困难,拆下阀盖,检查阀芯与阀杆螺纹。
3.修复措施:轻微咬死可用铜丝刷清理阀杆表面污物,涂抹适量润滑油后重新装配;严重咬死需要拆下阀杆,用丝锥梳理螺纹,必要时车床加工。

(三)填料函泄漏的诊断与修复  
1.故障诊断:阀杆根部有介质渗出,手轮位置有结霜现象,怀疑填料函失效。
2.检查步骤:松开填料压盖螺栓,取出填料函,检查填料磨损、烧蚀情况,测量阀杆表面粗糙度,检查阀盖壁有无鳞片、沟槽。
3.修复措施:填料轻微失弹,可适当加垫几圈,严重损坏需整体更换;阀杆表面粗糙不平需要打磨抛光或更换;阀盖孔洞磨损需要车床加工修复。

  (四)阀体开裂的诊断与修复  
1.故障诊断:阀体外壁有肉眼可见裂纹,伴有介质外渗,甚至喷射状泄露,阀体壁厚明显减薄等。
2.检查步骤:卸下与管路连接螺栓,取下阀门,检查阀体开裂位置、裂纹深浅,测量壁厚变化,判断能否修复。
3.修复措施:裂纹较浅时可打磨去除,然后焊接,重新热处理消除残余应力。裂纹太深、壁厚减薄太多时,必须更换阀体。

 

四、截止阀的使用注意事项      

         

为保障截止阀安全可靠运行,减少故障发生,还应注意以下事项:

(一)选型    
1.阀体材质要与介质相容,耐压等级高于系统最大工作压力,公称通径满足流量需求[12]。
2.闭式截止阀的驱动力矩要匹配阀芯阀座的密封力,全开时流体阻力要小。
3.阀杆填料的材料要耐介质腐蚀,温度适应范围要与工况匹配。

(二)安装    
1.截止阀的进出口方向要一致,不能倒装 backwards。
2.与管路连接时应采取措施,避免附加应力传递到阀体。
3.安装前应清洗阀腔,去除加工残留的铁屑、砂粒等杂质。
4.安装时阀杆应处于全开位置,校正阀杆轴线与阀座中心的同轴度[13]。

(三)使用    
1.开关阀门动作要缓慢平稳,严禁急开急闭,以免产生水锤效应。
2.切断高温高压介质时要分级缓慢,避免热应力骤变引起密封面变形。
3.启闭力矩异常时要及时停车检查,避免强行操作损坏阀杆。
4.长期不用或流程吹扫时应将阀杆置于半开位置,防止阀芯咬死。

(四)维护     
1.每年全面检修一次,重点检查阀芯、阀座密封面损伤情况。
2.定期更换填料,清洁阀杆螺纹,涂抹润滑脂,保证灵活启闭。
3.阀门连接处如有渗漏,要及时紧固或更换垫片密封。
4.阀体外壁要定期除锈刷漆,发现减薄、腐蚀及时修补或更换。

参考文献:
[1] 蒋大明,李玉祥.制冷空调原理与设备[M].北京:机械工业出版社,2016:165-180.
[2] 王如竹,文杰.制冷与空调[M].北京:中国建筑工业出版社,2012:203-215.
[3] 姚晓华,程文革.制冷与空调系统中截止阀的应用分析[J].制冷与空调,2014,14(2):38-41.
[4] 杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社,2006:253-260.
[5] 马国仁,邢颖岚.闸阀结构设计的有限元分析[J].阀门,2013(3):5-8.
[6] 卢洪良,王科伟.角式截止阀密封结构的改进设计[J].机械设计与制造,2015(9):193-195.
[7] 徐世明,郝建国.球阀结构及密封性能研究进展[J].机械工程学报,2016,52(20):1-11.
[8] 张永春,朱晓农.蝶阀密封副摩擦磨损特性研究[J].润滑与密封,2012,37(9):38-41.
[9] 蒋大明,黄晖.制冷装置与空气调节装置[M].北京:机械工业出版社,2017:120-138.
[10] 骆明华,陈文revolutionize.填料函密封的试验研究[J].润滑与密封,2014,39(6):109-112.
[11] 张文革,康宏兵.铸钢截止阀阀体开裂原因分析[J].铸造技术,2016,37(10):2319-2321.
[12] 赵新培.工业阀门选用手册[M].北京:化学工业出版社,2013:67-78.
[13] 郑州铁路局工务处.阀门安装规范:TB/T1236-2016[S].北京:中国铁道出版社,2016.

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