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近期内蒙古发生的高压气体泄漏事故，已造成10人死亡、3人受伤（截至目前），事故原因还在调查中，目前可知的是事故发生前发现气化炉B炉粗煤气外送阀阀芯脱落。调节阀对于生产装置安全运行关系重大，其中直行程调节阀（下文简称调节阀）阀芯意外脱落是危险程度最高的隐患之一。尤其如果出现在高温高压或大口径的关键回路，很可能造成装置停工，甚至会带来人身伤害及设备事故。
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近日，内蒙古发生了一起令人震惊的高压气体喷出事故，在事故发生前，中控操作工发现下游（变换装置）无法正常接气，于是分厂立即组织了排查工作。经过仔细调查，他们发现气化炉B炉粗煤气外送阀阀芯脱落的问题。为了解决这个问题，安排停气化炉B炉，停运后，气化炉进行泄压置换。
在停运后，当工作人员在确认粗煤气B炉外送阀阀前现场就地压力表和阀后 DSC 远传压力表压力数值显示均为零值之后，安排装备制造维保人员对粗煤气B炉外送阀门压盖进行拆除检查。然而，在拆除过程中，管道内的气体喷出（管道直径为DN450mm），导致外送阀压盖、检修作业人员和现场管理人员从渣水五楼顶部向北吹落至厂区地面。
这是一起令人震惊和悲痛的事故，也是一起引发社会关注和质疑的事故。事故发生的原因究竟是什么？如何防止类似事故的再次发生？在本文我们将从以下七个方面深入分析阀芯脱落的原因，并给出相应的对策。（仅为阀芯脱落分析交流，事故具体原因见官方回复。）
01
阀芯行程限位结构不合理
为了避免开度不到位影响流通能力，调节阀一般都按照执行机构行程>阀芯行程>标尺行程设计。这就会造成在阀芯已经被限位的情况下，执行机构还在继续向上提拉（如图1所示）。
阀芯和阀杆一般都是用螺纹+防转销结构连接，而绝大多数阀杆没有限位设计（图2~5列举了国内市场几家主流品牌官网上公开的产品结构）。从制造厂角度看，阀杆加工过程中材料上的浪费很少；但因为可能造成防转销或阀杆螺纹直接受应力，潜藏着阀芯脱落的安全隐患。
如果是流开流向（低进高出）的单座阀，阀芯脱落后还有可能在介质压力作用下跟着阀杆继续动作，短时间不一定能够发现。而如果是流关流向（高进低出），介质就会被截断。在一些特定场合，如外输、泄压等部位，有可能造成设备损坏、停工等事故。
解决此问题最根本的方法是在阀杆本体增加限位结构，使阀杆螺纹不受拉应力。仪表圈啄木鸟有合作伙伴采用一体式限位结构的阀杆（如图6，请注意焊点位置！能看出来焊点上部的限位台阶是阀杆自带的），就成功解决了这个问题。
该技术需要将阀杆母材一定厚度的外圆车削掉90%以上，才能形成可靠的限位台阶。虽然会增加成本，但能够让调节阀运行安全系数大大提高。
02
密封面接触不同步
如果由于加工或装配、焊渣侵入等原因，造成阀芯或阀杆与阀座密封面之间垂直度不佳的话，则密封副就无法360°同步、均匀地接触。除了会导致泄漏量超标之外，阀杆局部也容易受剪切应力而折断（如图7所示）。
阀芯阀杆的垂直度主要由上阀盖、导向套与阀体之间配合情况决定。在加工精度符合设计要求的情况下，装配效果就是最关键的因素。
常规调节阀上阀盖垫片除了承担密封功能之外，还起着支撑上阀盖及支架、执行机构、气路附件等重量的作用（见图8，上文图2、3、5结构与之类似）。缠绕垫片弹性范围较大，有利于密封；但用于支撑上阀盖是不可靠的。尤其在高压场合，相当于在沙滩上盖大楼，调节阀上半部分整体都处于不稳定状态。金属齿形垫片支撑强度相对较好，但对加工精度和装配的手感要求更高。尤其是类似套筒阀需要多个垫片同步密封时，装配难度较大，容易外漏或内漏。
解决此问题的关键在于使垫片只起密封作用，而支撑上阀盖的任务由阀本体金属面承担（如图9所示，图4与其结构类似）。限位台阶只要满足设计的加工精度，就可对垫片压缩量起到定量限制作用，确保阀芯阀杆与阀座密封面之间的垂直度，而不受装配工熟练程度和手感的影响。同时能够保证垫片不会产生塑性变形及永久破坏，可重复使用，为用户现场检修提供了极大方便。
03
导向结构不可靠
阀芯阀杆的动态运行轨迹是由导向结构和配合尺寸决定的，这也是调节阀（尤其是双座结构的套筒调节阀）结构设计的核心环节之一。如果导向间隙过小，由于阀芯和套筒的线膨胀系数不完全相同，在热胀冷缩时容易卡死；而如果导向间隙过大，则阀芯容易径向摆动。特别是小开度时摆动量更大，容易使填料内孔趋于椭圆，造成介质泄漏。在调节阀口径和压差都较大时，就有可能因介质侧向推力造成阀杆局部应力长期集中，产生金属疲劳后折断（如图10）。
解决的方法在于优化导向结构，在阀芯单点导向的基础上，增加填料函下部套管针对阀杆部分的导向，变单点导向为两点导向（如图11）。如此阀芯阀杆运动轨迹就能保持直线，提高阀芯抵抗摆动的能力；同时也能提高调节品质。
04
防转销降低阀杆强度
防转销是与螺纹连接配套的重要手段，但销孔也会使阀杆强度明显降低。尤其是遇到与密封面接触不同步类似的阀芯倾斜情况，或有焊渣等异物卡在密封面附近时，更容易使阀杆产生断裂（本月初刚在仪表圈管理组讨论过一个类似案例，图12~13是一台DN600蒸汽减压阀阀杆折断的情况）。
在阀杆符合执行机构行程>阀芯行程>标尺行程设计结构的基础上，可采用螺纹+点焊方式连接阀杆和阀芯。点焊能够更好地起到防止阀芯旋转的作用，同时避免了销钉孔降低阀杆强度。
需要注意的是，该点焊工艺对操作人员素质要求很高，只靠目测或角尺测量是不能胜任的！必须采用专业装备进行精准定位，以确保点焊完成时阀杆与阀芯密封面的垂直度，否则很可能造成图7的后果。
05
阀杆材质选择
阀杆材质的选择需要综合考虑介质温度、压力、压差、腐蚀性、环境气体、动作频率等外部条件，以及执行机构推力、填料材质等因素。
常用的调节阀阀杆材质有304、316、316L、1Cr13、2Cr13、9Cr18、17-4PH、INCONEL 718等。需注意奥氏体不锈钢硬度较低；而马氏体不锈钢在含腐蚀性气体环境下会产生点蚀，应根据工艺参数和介质、环境情况综合考虑。
06
阀杆直径尺寸设计
阀杆直径设计需要在硬度、韧性、摩擦力等相互矛盾的因素下寻找平衡，应根据实际需求，优先解决主要矛盾。上世纪六十年代，国内骨干调节阀制造企业和研究所在联合设计第一代 ZM 系列直通单、双座调节阀时，由于受当时技术水平的制约，阀杆表面光洁度普遍较低。为了避免渗漏，就只能增大填料压紧力。但执行机构推力还要受弹簧和橡胶膜片性能所限，很多时候只能采用20~100 kPa 较低的气压信号，与填料摩擦力形成不可调和的矛盾。
在这种捉襟见肘的情况下，如果阀杆设计太粗的话，调节品质会明显降低（摩擦系数一定时，摩擦力与阀杆直径的平方成正比）。为了解决以上问题，就只能尽量把阀杆做细，很容易弯曲甚至折断，很难兼顾安全性和调节品质。
而随着材料、装备和工艺等方面的技术进步，阀杆表面和填料函内壁经滚压处理后，表面粗糙度可以达到镜面等级，显著降低摩擦系数。所以阀杆直径就可以适当放大，提高安全系数，形成良性循环（图14）。
07
开缝螺母连续欠可靠
上述分析和改进措施都是针对阀杆折断现象。其实阀芯脱落还存在一种特殊情况，就是阀杆和阀芯整体从开缝螺母上脱落。
调节阀的开缝螺母（俗称哈弗块）一般是依靠两个内六角螺栓固定，以对夹方式连接推杆与阀杆螺纹的。在阀杆/推杆直径差别较大时，两组大小不同的螺纹很难均匀受力，容易产生松动。
在阀芯受到流体旋涡影响产生旋转趋势时，只能靠执行机构硬芯盘和螺母之间的摩擦力+膜片的韧性进行制动（图15）。在漩涡现象非常严重时，甚至会把膜片撕裂。由于缺乏可靠、足够的反制力，阀芯/防转销→阀杆→开缝螺母→推杆→螺母→硬芯盘→膜片的扭矩传递链就有可能从某个环节松动，造成阀杆（甚至包括推杆）随着阀芯一起脱落。
解决方法是改用四螺栓连接结构的开缝螺母，阀杆与推杆螺纹大小一致，使其受力均匀。并标配防旋转导向结构，可杜绝因流体漩涡造成阀芯旋转脱落的可能性（图16）。
总之，高压气体喷出事故致10死3伤是一起令人痛心疾首的事故，也是一起值得深刻反思的事故。阀芯脱落后如何规避风险发生？如何处理？你是否遇到过阀芯脱落的情况？期待听到大家的声音，下方留言共同探讨！
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