摘 要：轨道球阀具有开关无摩擦，密封面不易泄漏，开关行程短等特点，特别适合于操作频繁、运行温差大，对阀门本体密封要求苛刻的条件下运行。文中分析了轨道球阀的结构形式特点、开关原理及在合成氨装置分子筛系统中的使用情况，并对历次出现的故障进行分析，对此类阀门的使用、维护及故障排除提供了借鉴。

关键字：轨道球阀 无摩擦开启 密封面 轨道阻塞

某石化公司合成氨装置分子筛系统为2005年扩能改造时新加工艺，作用为进一步消除经合成气压缩机低压缸压缩后合成气（主要成分为氢气、氮气）中的水分。分子筛系统由2套设备并联运行，48h为1个完整运行周期，1台在运行时，另1台进行再生，每24h2套设备进行1次切换。合成气操作压力为7.24MPa，运行时合成气操作温度为10℃，再生时操作温度为288℃，工作温差大。由于工况操作频繁，工作温差较大，同时对介质的无泄漏要求等级高，系统中的频繁操作的切断阀如选用传统的闸阀、球阀等难以保证装置长周期运行。最终该系统的切断阀选用了轨道球阀。

1 阀门功能

轨道球阀是1种特殊结构的切断阀门，通过阀杆上的精密螺旋曲线槽轨道，与嵌于其内的导向销相互作用，带动球体随阀杆旋转完成阀门开关。具有开关无摩擦，密封面不易泄漏，开关行程短等特点，特别适合于操作频繁、运行温差大，对阀门本体密封要求苛刻的条件下运行。在化工系统中应用广泛，如加氢装置高压导淋、分子筛系统、计量站系统、压缩机出入口切断阀、重要设备出入口切断阀等关键位置。文中着重介绍轨道球阀在合成氨装置分子筛系统中的应用情况与历次故障分析与处理。

2 轨道球阀在分子筛系统中的应用

分子筛系统流程上选用的轨道球阀共计15台，其中4台DN300的轨道球阀为主流程上的切断阀，用于2台分子筛运行/再生状态的的切换，每间隔24h进行1次操作，完成1次全行程开启或关闭，采用电动执行器进行操作。6台DN100的球阀为再生时切投再生气时使用，每24h完成1次全行程开启或关闭，采用气动执行器进行操作。其余5台阀门为切换再生气气源时使用，不定期进行操作，采用气动执行器操作。15台阀门阀体、阀芯、阀座材质根据操作条件选取，具体的型号、性能参数见表1。

表1 分子筛系统上轨道球阀参数

3 轨道球阀操作原理

3.1 开关原理

轨道球阀的结构见图1。

图1 轨道球阀结构

在开启关闭过程中起到主要作用的配件见图1中的标注。图1阀门为关闭状态，由于阀杆的作用，球体与阀座紧密接触起到密封介质的作用。阀的开启关闭过程由导向销和阀杆通过阀杆上的精密导向槽完成，阀杆可分为4个工作区间，见图2；启关闭过程中球体位置状态见图3。

图2 阀杆工作区间

阀门关闭时，定位销位置在图2中直线运动控制区间顶端，此时球体与阀座位置关系见图3中状态0；在图2中球体松加压段的作用下，球体与阀座紧密贴合，起到切断介质的作用；阀门开启时，首先直线运动控制区间起作用，球体在图2中球体松加压段的带动下逐渐与阀座分离，见图3中状态1；阀杆继续上提，定位销进入旋转运动控制区间，此时在图2中球体旋转段的作用下，球体开始旋转，见图3中状态2；球体达到图3中状态3全开位置时，定位销位置在旋转运动控制区间的最底端，至此，完成了轨道球阀由关闭至开启的全过程，阀门关闭的过程为开启的逆过程。

图3 启关闭过程中球体位置状态

3.2 阀门优点

轨道球阀与传统闸阀、截止阀、球阀等相比，具有6个优点。

（1）开关无摩擦。解决了传统球阀的阀座磨损问题。这种无摩擦的阀座密封在频繁的开关中不会引起磨损，因此避免了传统结构的球阀所产生的阀座密封的损坏，大大延长了球阀的密封寿命，在阀门频繁开关的情况下仍能确保长期的零泄漏和紧密密封。

（2）无高速流体的局部冲刷。在开关时阀球脱离阀座后再转动，在阀门“开启”或将要关闭的瞬间流体是沿密封面在360°范围内立即流动的，从根本上避免了，在“开”和“几乎关闭”的瞬间产生的高速流体带来的阀座局部冲刷，即使在操作压差大的苛刻工况，仍能确保长期的零泄漏和紧密密封，同时也大大的提高了球阀的使用寿命。

（3）密封面自清扫特性。在阀门关闭过程中，球阀与阀座密封面贴紧前，介质对密封面有清扫作用。

（4）机械楔形密封（主动或强制密封）。球阀阀杆下端的斜面提供一个机械的楔紧力以保证持续的紧密密封。这种特殊的机械楔紧式密封不受管线压力大小和温度高低的影响，可以在全压差和全温度范围内保持双向紧密密封。

（5）单阀座设计，不受温度变化影响。静态单阀座设计能保障双向零泄漏，避免了由于双密封所引起的阀腔介质温度变化造成的阀门内腔压力升高和容易抱死的问题。

（6）顶装式设计：在系统泄压后，可在线检查和维修，使维护简单化。

4 故障分析及处理措施

分子筛系统中的轨道球阀在投用后运行状态总体稳定，在频繁操作下基本可以保证长周期无泄漏操作，但也出现过故障，现选取几次典型故障进行分析。

4.1 阀座密封面卡塞异物

2010年4月1日，其中1台DN100的阀门发生内漏，反复开关利用介质冲刷阀座密封面依然没有解决。阀门拆下后发现球体卡在中间位置，经解体检查发现分子筛内瓷球卡在球体与密封面之间。

虽然在轨道球阀关闭前介质对密封面有清扫作用，但只能消除较小的杂质，对于像瓷球这类较大杂质，一旦卡在球体与阀座密封面之间，在运行时无法清除，导致阀门无法完全关闭造成内漏。消除此类故障的方法可以在设备出口加筛网，避免较大杂质流入系统。

4.2 轨道阻塞

2012年12月7日，其中1台DN100阀门在完全开启状态进行关闭时失灵。经现场确认发现阀杆不动作。阀门在全开启状态下关闭阀杆不动作，基本可以排除异物卡在密封面的情况。当时正值北方冬季，再生气蒸发出的水汽如凝结在阀杆轨道中被冻结可能造成轨道阻塞，导致阀杆不动作。为验证分析，采取蒸汽吹扫阀杆轨道部位的方法，经过30min吹扫，阀杆逐渐可以恢复动作，证明对本次故障的分析正确。为避免此类故障发生，可在阀杆轨道槽外侧加装伴热或保温，防止轨道槽内结冰阻塞。

4.3 阀门安装方向有误

2015年5月装置检修投用运行6个月，1台DN300的主流程切断阀发生微量内漏。在排除了密封面卡住异物及轨道阻塞后，切除系统将阀门拆下，检查密封面发现密封面无明显损坏，打压时未发现泄漏，重新安装投用后内漏依然存在。经过对流程排查，发现阀门在关闭时压力降方向为阀座密封面侧高于球体侧，与阀门开启时压力降方向相反。

5 结束语

轨道球阀与传统阀门相比具备诸多优点，在化工行业中应用广泛，尤其在操作频繁、介质温差大、密封条件苛刻的环境中表现突出。在对该类阀门典型故障进行分析后，可对阀门日常使用，故障判断、阀门维修起到借鉴作用。