长期不动作阀的粘滞积累
一年不动的阀，真要它动时它不动 · 仪表典型失效模式 · SIS
全文约 2300 字 | 阅读约 6 分钟 | 图表 2 张 | 难度 ★★★☆☆ |
「阀位零，零，零，然后一下跳到三十八。」
压缩机 K-4101 跳车后的事件回放里，防喘振阀 FV-4101 收到了全开指令。阀位反馈在零上停了 3.8 秒，才猛地窜上去。
这 3.8 秒里，机组喘了两次。
事后查记录，这台阀上一次动作是 14 个月前的大检修。机组运行一直很稳，防喘振线离得远，控制器从来没让它开过。它在关位上一动不动地待了一年多。
拆开检查，阀内件和执行机构都没有损坏。
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01
静摩擦会随等待时间长大
两个固体表面贴在一起不动，接触的微凸体会慢慢蠕变、互相嵌入，真实接触面积一点点变大，界面上还会形成化学键。结果是，要让它们重新滑动，需要的力比刚才滑动时大。
这不是阀门特有的现象。摩擦学里把它叫做摩擦老化，Dieterich 在 1972 年的岩石实验里就测出来了：静摩擦系数随静止接触时间的对数增长。后来从岩石到聚合物、再到纳米尺度的硅，都观察到了同样的规律。
另一半规律同样重要。接触面一旦滑动，老化就被清掉了，摩擦回到较低的水平。
图 1 起步所需的力随静置时间的变化（按对数老化规律示意）
把这两条放到一台阀上，就是图上的样子。一直不动的阀，起步力在头几周涨得最快，之后涨速放缓，但一直在涨。每季度动一下的阀，每次都被拉回起点，峰值始终停在较低的位置。
阀门比实验室里的试块麻烦得多。石墨填料会贴着阀杆慢慢压实。介质里的聚合物和焦炭会钻进间隙。沿海装置还要加一条，湿气让阀杆生锈。阀门厂家的资料里也写得明白，长期静置会让起步扭矩上升，温度循环和沉积会让它升得更快。
这些叠加上去，实际曲线只会比图上那条更陡。
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02
弹簧给的力是固定的
ESDV 和大多数联锁阀是弹簧复位的。失去气源，靠弹簧把阀推回安全位。弹簧能给多大的力，出厂时就定了。
执行机构选型时会在阀门扭矩上乘一个安全系数。各项目规格不一样，常见在 1.3 到 2 之间，起步和关闭到位还可以分别取值。
你可能以为 1.5 倍的余量已经留足了，其实不一定。安全系数是乘在厂家给的起步扭矩上的，这个数是在试验台上测的，阀刚跑合过，没有在工况里泡上一年。按图 1 的示意，静置七个月左右，起步力就能吃掉 1.5 倍的余量。
※ 这个时间不是定数，取决于材料、介质和温度，可以是三个月，也可以是三年。但方向只有一个。
防喘振阀也一样。它通常是故障开型，快开时靠泄气，推它的还是弹簧。FV-4101 那 3.8 秒，就是弹簧在跟积了十四个月的摩擦较劲。
另外还有一笔账常被漏掉。靠气源动作的那一侧，出力要按最低气源压力核算，不是按空压机铭牌压力。
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03
部分行程测试测的不只是动没动
部分行程测试，也就是 PST，存在的第一个理由就在图 1 里。在线把阀推动百分之十到二十，不影响工艺，却足以让接触面滑一下，把老化清零。
第二个理由更有用，但常被浪费掉了。
以弹簧复位关闭型的 ESDV 为例。PST 时智能定位器或电磁阀缓慢泄气，气室压力往下走，弹簧力逐渐占上风。压力降到某个值时，弹簧力终于超过了摩擦力加残余气压的合力，阀开始动。这个起步压力是可以记录的。
它越高，说明弹簧用不着把气泄光就能推动阀，富余越多。它越低，说明摩擦在吃掉弹簧的余量。降到零，意味着气全泄完了，弹簧也推不动。
图 2 同一台 ESDV 历次部分行程测试记录的起步压力（数据为示意）
图上这台阀做了 16 次 PST，每次的结论都一样：阀动了，通过。
可起步压力从 2.2 bar 一路降到 0.7 bar。照这个趋势外推，六年左右就会降到零。
很多现场的 PST 记录只有一栏，写的是通过或不通过。定位器的诊断软件里其实存着完整的压力行程曲线，起步压力和行程时间都在，只是没人把十几次测试的数放到一张表里看。
ISA-TR96.05.01 在 2017 年改版时专门加了这一块，引入余量分析来评估 PST 结果，把功能余量的损失和对应的失效模式挂上了钩。标准已经走到这一步了，多数现场的记录表还停在通过与否。
还有一个容易误读的地方。PST 为了不影响工艺，只允许泄掉一小部分气压，这时能用来克服摩擦的力，只是执行机构额定出力的一小部分。所以 PST 没通过，未必说明真联锁时阀关不上；而 PST 通过，只说明在那一点点力下它动了。
※ 正因为能用的力少，PST 对摩擦增长反而很敏感，这是它作为趋势工具的价值所在。
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04
证明测试间隔延长，风险不是线性增加的
IEC 61511 的 PFD 计算里，危险未检出失效率通常按常数处理，平均失效概率大致与证明测试间隔成正比。间隔从一年延长到两年，风险按公式翻一倍。
粘滞不守这个假设。它是静置时间的函数，刚动过的阀几乎不会卡，放久了才会。常数失效率这个前提，在这类失效上是站不住的。
※ 对长期静置的阀，延长证明测试间隔之前，先确认有没有 PST 或其他能定期让它动一下的手段。如果有，间隔延长的影响会小得多；如果没有，公式算出来的数会偏乐观。
防喘振阀是个难处理的例子。它不是联锁阀，没有 PST 通道；在线开它会影响机组；可它偏偏又是最需要快速动作的阀之一。能做的是抓住每一次开停车，让它走一个全行程，并把行程时间记下来。
API RP 553 第 2 版的第 8、9 章分别讲紧急切断阀和 SIS 阀门，从执行机构选型一直讲到测试，炼厂之外的装置同样值得参考。
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05
能做什么
核执行机构出力时，把最低气源压力、弹簧在对应行程位置的实际力、以及厂家对长期静置工况的起步扭矩修正一起算进去。厂家没有给这个修正，就去问。
把 PST 的起步压力做成趋势。每次测试后记一个数，一年四个点，三年十二个点，趋势自然就出来了。设一条预警线，比等到不通过早得多。
没有 PST 的关键阀，开停车时让它全行程走一次。记下行程时间。
检修时顺便看看填料函和阀杆。有明显的压痕、锈蚀或沉积，比任何计算都说明问题。
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一台阀在关位上待了十四个月，没有任何报警，DCS 上一切正常。它在等一次动作的机会，而那次机会恰好是最不能出错的时候。
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▽ 参考资料（6 项）
· IEC 61511-1 过程工业安全仪表系统（证明测试间隔、PFD 计算）
· API RP 553（第 2 版，2012） Refinery Valves and Accessories for Control and SIS（第 8 章紧急切断阀、第 9 章 SIS 阀门）
· ISA-TR96.05.01-2017 Partial Stroke Testing of Automated Valves（余量分析）
· ISA-TR96.05.02-2022 In-Situ Proof Testing of Automated Valves
· Dieterich J. H. (1972) Time-dependent friction in rocks, J. Geophys. Res.
· 各厂商阀门与执行机构选型资料 · 起步扭矩与安全系数