在气动调节阀现场故障中,有一种现象特别常见:阀门明明已经到了目标位置,定位器却仍在不断执行“进气—排气—进气—排气”。靠近阀门时,甚至能明显听到连续的“呲、呲、呲”声;再仔细观察阀杆,还可能发现它在某个位置附近反复小幅移动。
现场通常把这种现象称为喘气、喘振、抖动或 Hunting。不少维修人员遇到这种情况,首先怀疑定位器,于是调参数、调死区、重新自动整定,甚至直接更换定位器。可新定位器安装后,阀门可能只安静一段时间,过几天又开始喘。
原因在于,很多时候定位器一直喘气只是结果,并不是根本原因。真正的问题可能出现在阀杆、填料、执行器、阀芯、气源或控制回路,甚至可能早在阀门选型阶段就已经埋下。
排查这类问题,最重要的不是马上调整定位器,而是先弄清楚:定位器为什么一直认为阀门“还没有到位”?
要判断故障,首先要理解定位器的工作逻辑。假设控制系统要求阀门开到50%,定位器收到4~20mA控制信号后,会持续比较两个量:一个是目标位置,另一个是实际阀位。
如果目标是50%,实际只有48%,定位器就会增加执行器压力,让阀杆继续移动。当阀门到达50%左右时,定位器停止调整,阀门应稳定在该位置。
但如果阀门到了49.5%后突然卡住,定位器会判断阀门尚未到位,于是继续提高输出压力。阀杆仍然不动,直到执行器推力终于克服阻力,阀杆突然跳到51%。定位器发现实际位置超过目标,又马上排气,阀杆往回移动,并可能从51%一下掉到49%。定位器只好再次补气。
如此循环,实际阀位在49%与51%之间来回波动,现场便听到了不断的进气、排气声。从控制逻辑看,定位器并没有“发疯”,它一直在努力把阀门控制到目标位置,只是阀门无法平稳地停在那里。
现场判断调节阀喘振时,通常应优先检查阀杆运动是否平稳。因为许多喘振问题,本质上都是静摩擦力过大,最典型的来源就是阀杆填料。
阀杆穿过阀盖进入阀体,为防止介质从阀杆位置泄漏,需要安装并压紧填料。但填料压得不够会外漏,压得过紧又会阻碍阀杆运动。
现场发现填料位置渗漏时,最直接的做法往往是继续拧紧填料压盖。起初可能只紧一点,后来再次泄漏又继续紧,最终把阀杆抱得很死。这时执行器推动阀杆时不再平滑,而会出现这样的过程:
这种“不动—突然跳动”的现象就是常说的爬行、跳动或 Stick-slip,在闭环控制系统中非常容易引发震荡。
现场即使没有复杂仪器,也可以先做一个简单判断。将阀门控制切换到手动模式,例如先设定30%,然后逐步增加到31%、32%、33%、34%,同时观察阀杆。
如果控制信号持续变化,阀杆却长时间没有动作,直到信号变化达到一定程度后突然跳动一大截,就说明阀门存在比较明显的死区或静摩擦。随后再反方向操作,例如从40%依次降到39%、38%、37%。如果下降过程中同样存在明显延迟,就更应怀疑机械摩擦。
正常状态下,气动调节阀的阀杆动作应相对连续。如果明显出现“不动—跳一下—再不动—再跳一下”,就不要只盯着定位器参数。
很多定位器可以设置Deadband,也就是死区。例如把原来的0.2%调成0.5%、1%甚至更大,定位器有时确实会安静下来,于是现场容易认为问题已经解决。
死区增大的实际含义是:只要实际位置与目标位置之间的偏差没有超过设定范围,定位器就暂时不进行修正。目标位置为50%、死区设为1%时,实际位置在允许范围内轻微偏离,定位器也可能不再频繁动作。
因此,喘气声会减少,但本质上是用较低的定位精度换取稳定性。如果真正的问题是阀杆摩擦过大,调大死区只能暂时掩盖问题,并没有消除摩擦。死区可以作为优化参数,但不能当成所有喘振问题的万能药。
如果阀门在接近关闭位置时喘振,应特别注意执行器推力。例如阀门从100%关到30%一直正常,20%也正常,到了10%开始变慢,5%、3%、1%附近定位器开始持续补气,阀杆却始终差一点无法到达0%。这种情况很容易被误认为定位器关位调得不对。
实际上,介质作用力可能已经接近或超过执行器能够提供的关闭推力。对一些调节阀结构而言,关闭过程中介质作用在阀芯上的力并非恒定。再叠加填料摩擦、弹簧力及介质压差,到最后关闭阶段,执行器可能需要更大的推力。
如果执行器选型本来就比较临界,再遇到气源压力偏低、填料变紧、阀芯轻微卡涩或实际压差高于设计值,便可能出现执行器在最后一点位置推不动的情况。定位器只知道目标是0%、实际还有1%,于是继续补气,最终形成持续喘振。
这是判断执行器推力问题非常有价值的现象。设备停车、管道无压时,阀门在0%、50%、100%位置动作都正常,定位器也完全不喘;装置开车、压差建立后,阀门却开始关不到位、低开度震荡、定位器不断补气。这时应重点检查实际最大压差和执行器推力。
空载时,执行器不需要克服介质产生的不平衡力;带压运行后,真实负载才出现。因此,停车状态调得好,并不代表运行状态一定没有问题。
气动调节阀的动力来自压缩空气,任何气源问题最终都可能转化为阀门动作问题。气管太细、气管太长、过滤减压阀堵塞、电磁阀流通能力不足、接头泄漏或仪表风总管压力波动,都可能让执行器压力不稳定。
例如减压阀压力表静止时显示0.55MPa,看起来完全正常;阀门一动作,压力却掉到0.38MPa,停止后又慢慢回到0.55MPa。如果只在阀门静止时看压力表,就很容易误判。
检查气源时必须观察动态压力。让阀门动作起来,再看压力是否明显下降。大型执行器的瞬时耗气量较大,供气管路能力不足时,会直接影响控制性能。
“阀门选大一点更安全”对普通开关阀影响可能不大,但对调节阀而言,口径或Cv选得过大,反而可能很难控制。
假设正常流量只需要阀门开启8%,此时阀芯轻微移动,流量就会发生很大变化。控制系统发现流量偏大,要求阀门关一点,结果一下关多了;流量偏小,又要求阀门开一点,结果又开多了。DCS在调、定位器在调、阀杆持续往复,最终表现为调节阀一直找不到稳定位置。
调节阀偶尔运行在小开度并不奇怪,但如果长期稳定工况下基本都在3%、5%、8%或10%,就需要重新审视选型。长期小开度运行可能造成:
有些现场长期调整定位器,真正应该重新计算的却是阀门Cv值。
有时阀门本身没有问题,问题来自控制回路。例如压力稍微升高,DCS立即要求阀门关闭;阀门刚关一点,压力又下降,DCS马上让阀门开启。调节阀便不断开、关,定位器只是忠实执行控制系统的指令。
如果查看趋势发现4~20mA控制信号本身就在持续波动,就不要继续只调整定位器,而应检查PID参数、测量信号、变送器稳定性以及工艺过程是否存在周期性变化。
情况一:控制信号本身持续变化。例如目标值在49%、51%、48%、52%、50%之间来回变化,这时应优先检查控制系统和工艺过程。
情况二:控制信号非常稳定。例如目标一直保持50%,但实际阀位在49.2%、50.8%、49.4%、50.6%之间往复,这时应重点检查阀门机械部分、执行器和定位器。
先把这两种情况分开,排查范围会迅速缩小。
问题可能不在定位器,并不代表定位器参数永远不会造成喘振。增益过高、响应速度过快、死区过小、执行器容积与定位器输出能力不匹配,或者自动整定结果不合理,都可能导致系统过度响应。
例如目标位置只差0.1%,定位器却进行非常激进的修正,一次补气过多,阀门超过目标;随后快速排气,又低于目标,形成典型的控制过冲。这时适当降低增益、放缓响应速度或合理增加死区,可能会明显改善。
但前提仍然是先确认机械部分正常,否则就是在用软件参数补偿机械故障。
有时阀门实际上没有动,定位器却认为它动了;或者阀门已经动作,定位器反馈却没有同步变化。原因可能只是反馈杆松动、连接件间隙过大、反馈轴固定螺钉松动,或机械连杆安装角度不正确。
特别是传统机械反馈式定位器,如果反馈机构存在较大间隙,就容易产生回差。执行器实际位置已经变化,反馈信号还没有变化,定位器便继续调整;机械间隙突然消除后,反馈又瞬间变化,系统随即反向调整,最终形成震荡。
所以看到定位器反复动作时,不要忘记用手检查反馈连杆是否松动。这个检查可能只需要十秒钟。
气动薄膜执行器的膜片轻微破损,或者活塞执行器内部密封件磨损,都可能造成定位器持续补气,而执行器压力又缓慢泄掉。定位器发现位置偏离后继续补气,于是现场一直能听到耗气声。
这类故障通常还伴随阀位保持能力下降。检查时可重点听执行器排气口、定位器排气口以及气管接头是否存在持续漏气,必要时进行保压测试。
定位器不断调整不一定代表它已经损坏。换个角度看,它可能正在提醒你:这台阀门已经越来越难被精准控制。
阀杆摩擦增大、填料变紧、执行器推力接近极限、阀门长期运行在不合适的开度、机械回差逐渐加重,这些问题在初期未必会让阀门完全失效。阀门仍然能开、能关、也能调,但定位器已经开始频繁动作。
如果此时及时检查,往往只需做一些简单维护;如果一直不处理,继续运行半年或一年,就可能逐步发展成阀杆严重磨损、填料泄漏、阀芯阀座冲刷、定位器寿命下降或执行器密封损坏,最终演变为一次大修。
气动调节阀一直喘气,最容易犯的错误就是听到定位器排气,便认定定位器坏了。定位器确实可能存在问题,但更换之前,至少还应检查:
在整个调节阀控制系统中,定位器只是执行控制的一个环节。真正让阀门稳定运行的,是控制信号、定位器、气源、执行器、阀杆、阀内件与现场工况共同作用的结果。
所以下一次现场再听到“呲—呲—呲”的声音,不要急着拿出新的定位器。先看一眼阀杆,再看一眼压力表,很多时候真正的答案就藏在这两个地方。