阀杆与阀芯脱开
阀位反馈正常，阀芯已经不在它该在的地方 · 仪表典型失效模式 · 执行侧
全文约 2000 字 | 阅读约 5 分钟 | 图表 2 张 | 难度 ★★★☆☆ |
「阀都开到一百了，还没量？」
反应器进料 FIC-2208 的流量在几分钟里掉到了底。控制器一路往上加，调节阀 FV-2208 的阀位反馈跟着上到 100 %，流量纹丝不动。
所有人的第一反应都是上游。倒了进料泵，清了过滤器，查了罐的液位，前后折腾了六个小时。
最后是一个老师傅把手按在阀体上，让 DCS 把阀从 0 打到 100 再打回来。执行机构在动，阀杆在动，阀体里面没有任何动静。
拆开以后，阀芯躺在阀座上。连接阀杆和阀芯的那根销子断成了两截，螺纹已经退出来一大半。
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01
反馈装在断口的上面
你可能以为阀位反馈就是阀芯的位置，其实不是。
直行程阀的定位器，反馈连杆夹在执行机构推杆和阀杆的连接块上，位置在填料函的上方。它测的是这一点往上下走了多少毫米。从这一点往下，阀杆穿过填料进了阀体，下端才连着阀芯，这一整段它都看不见。
定位器的专利文献里对这件事说得很直白。阀杆如果断在反馈连杆和阀芯之间，连杆到执行机构这一段又完好，标准定位器会照着反馈把执行机构推到它认为正确的位置。阀芯其实没有动。
位置环照样闭合。偏差为零，没有报警，定位器的自诊断看到的是一台工作得很好的阀。
角行程阀也一样。反馈取自执行机构的输出轴，阀轴和蝶板、球体之间靠销子或键连接，这里一旦剪断，执行机构转得再到位，蝶板也不跟着转。
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02
连接处是整台阀受力最复杂的地方
中小口径的单座阀，阀芯多是拧在阀杆下端，再横穿一根销子防松。这个结构在静态下很可靠。
问题出在振动上。高压差下流体冲刷阀芯，阀芯在导向间隙里做微小的横向摆动；有空化的工况，气泡溃灭的冲击直接打在阀芯上。这些力一刻不停地作用在螺纹和销子上，频率高、幅值小，正好是最容易引起疲劳断裂的那种载荷。
螺纹一旦有了一点松动，冲击就开始在螺纹间来回撞，松动越来越大，销子承担的剪切力也越来越大，直到某一天剪断。
阀杆本身断，多半断在螺纹根部。那里截面最小，还是天然的应力集中点。
※ 连接处从开始松动到最终脱开，中间通常有一段不短的时间。这段时间里阀芯带着间隙晃，调节回路会表现出死区变大、小幅振荡，跟填料摩擦、气源脏的症状几乎一样。讲填料摩擦和气源品质的那两篇里给的鉴别方法，在这里会给出误导性的答案。
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03
所有人都先怀疑别的
FV-2208 那六个小时并不冤枉。
图 1 阀杆断开前后控制器输出、阀位反馈与流量的变化（数据为示意）
站在操作员的位置看这张图。阀位 100 %，流量接近零。在 DCS 画面上，这两个数字的组合只有一种常见解释：阀开着，是上游没料，或者管路堵了。
阀本身是最不会被怀疑的环节。它的反馈正常，定位器没报警，刚才还好好地跟着指令从 50 % 走到 100 %。
FV-2208 还算是好发现的一种。阀芯落在阀座上，流量归零，动静足够大，六个小时总能查出来。
更难的情况是阀芯卡在了半开的位置。连接处脱开时阀芯正好在 40 % 附近，被阀笼或导向的摩擦卡住，流量基本维持在原来的量。工艺负荷平稳的时候，控制器也不怎么动，谁也看不出区别。直到负荷一变，流量不跟了，这时候距离真正脱开已经过去了不知多久。
定位器的专利文献里也提到了这种情况：失效方式如果对工艺扰动不大，断杆或脱落的阀芯可能很长时间都不会被发现。
▍部分行程测试照样会通过
这一点对联锁阀尤其要命。
部分行程测试判断阀动没动，看的是阀位反馈。阀杆在动，反馈在动，测试结论就是通过。它没有办法知道阀杆下面还连着什么。
PST 的诊断覆盖率常取 60 % 到 70 %，失效源清单里明确列着断轴、断杆和松动的内件。※ 断口在反馈点以下的这一类，属于 PST 测不到的那三四成。
全行程测试也不一定能发现，如果它同样只看阀位。只有把阀位和工艺响应放在一起核对的测试，才碰得到它。
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04
两个量放在一起看
单看阀位，正常。单看流量，也只是低，找得出一百个理由。放在一起才对不上。
图 2 同一台阀断开前后阀位与流量的对应关系（数据为示意）
健康的阀，阀位和流量的点落在安装特性附近，有散布，但形状在。断开之后，阀位随控制器怎么走都行，流量贴在底上不动。
这个比对不需要新增任何仪表。DCS 里有阀位反馈、有流量，做一个简单的逻辑就够了：阀位在一段时间内变化超过某个幅度，而流量的变化小于某个下限，就报一个阀门响应异常。定位器厂家的专利里给出的思路也是这个，在阀位反馈稳定的前提下，监视工艺值与设定值的关系是否变了。
门限怎么定，要结合每个回路的安装特性和工况。※ 起步可以设得宽一点，先把那种阀位动了一大截、流量几乎没反应的情况抓出来，误报会比想象的少。
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05
能做什么
大修拆阀时，把阀杆与阀芯连接处当成必检项。看销子有没有磨出台阶，螺纹有没有退，阀杆螺纹根部有没有裂纹。高压差和有空化的阀，这一项的优先级要排到密封面前面。
联锁阀的全行程测试，要看到工艺响应。关阀时确认下游压力或流量确实跟着变了，而不是只看阀位到了 0 %。
流量回路在 DCS 里加一条阀位与流量的一致性检查。
阀位满开而流量为零的时候，把阀列进怀疑名单的第一位。
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阀位反馈回答的是执行机构走了多少。阀芯在哪，它不知道，也从来没有承诺过。
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▽ 参考资料（5 项）
· IEC 60534-4 工业过程控制阀 第4部分：检验和例行试验
· ISA-TR96.05.01-2017 Partial Stroke Testing of Automated Valves
· IEC 61511-1 过程工业安全仪表系统（证明测试与诊断覆盖率）
· US Patent 6,382,226 Method for detecting broken valve stem
· 各厂商调节阀安装维护手册 · 阀杆阀芯连接与防松结构