秦一廠取樣系統氣動截止閥卡澀故障分析及處理

方成平，程曉文

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

核電廠取樣系統用于在反應堆正常運行、熱停堆、冷停堆等各種工況下，從反應堆冷卻劑系統、核輔助系統、蒸汽發生器二次側排污水等系統中取得具有代表性的液體、氣體樣品，供化學分析和放射化學分析，為反應堆安全運行提供翔實的補充數據[1]。

由于核電廠須實時對運行參數進行檢測分析，系統及設備取樣頻率高，意味著閥門也處在較高頻率啟閉工作模式下，只有保證閥門啟閉可靠性，電廠取樣工作才能順利開展。

1 卡澀故障原因分析

氣動截止閥卡澀的原因是多方面的，為了能找到閥門卡澀的根本原因，對閥門的執行機構、閥門維修、閥門內部結構等逐項進行分析。

1.1 閥門執行機構分析

閥門的氣動執行機構以儀表用壓縮氣體作為動力源[2]，根據設計要求，設置不同的氣源壓力，并均以活塞缸作為執行器。

1)對閥門氣源壓力、氣管各連接處進行檢查核實，確認閥門氣動執行機構的各項參數滿足設計要求，且接管處無氣體泄漏；

2)拆除活塞桿與閥桿連接塊后，氣動執行機構單獨進行動作試驗，執行機構動作正常，無卡澀；

3)氣動執行機構充氣，進行0.3 MPa氣動執行機構密封試驗，無壓降，保壓合格，證明閥門O型圈密封良好，無缺陷；

通過上述驗證手段可排除閥門氣動執行機構對于閥門卡澀故障的影響。

1.2 閥門維修方面分析

當閥門填料壓蓋緊固力矩過大及填料壓蓋緊偏時，有可能造成閥門卡澀。

1)對閥門填料壓蓋緊固力矩逐一復核，確認力矩均在合格范圍內；

2)對填料壓蓋左右兩側高度進行逐一測量，填料壓蓋內壁與閥桿四周間隙均勻，壓蓋兩側高度差在合格范圍內。

通過上述驗證，排除了填料壓蓋緊固力矩過大及填料壓蓋安裝不到位等維修因素對于閥門卡澀故障的影響。

1.3 閥門內部結構分析

該類型氣動取樣截止閥閥體結構如圖1所示，其中：

圖1 閥門本體結構圖

1)重要零件包括：閥籠、閥芯、閥桿。

2)關鍵配合包括：閥籠內孔與閥芯外徑配合、閥籠外徑與閥體內孔配合。

在機組大修期間，維修人員解體閥門時，發現閥門閥籠與閥芯卡死，閥芯、閥桿組件從閥籠中取出相當困難，取出閥芯后，觀察到閥籠內孔打滿小孔位置周向360°有完整連續的壓痕，而且存在明顯劃傷痕跡；

初步判斷閥籠、閥芯在配合面之間卡澀，導致閥門啟閉過程中出現卡澀故障。為了找到閥芯和閥籠卡澀的具體原因，進一步進行分析。

2 閥籠、閥芯卡澀原因分析

2.1 零部件設計配合公差分析

1)閥體與閥籠為間隙配合，最大間隙為0.095 mm，最小間隙為0.020 mm；

2)閥籠與閥芯為間隙配合，最大間隙為0.066 mm，最小間隙為0.026 mm。

從設計尺寸上看，閥芯與閥籠在自由狀態下是不會發生卡死現象的。

2.2 零部件實際尺寸測量

為測量閥籠內孔尺寸，利用塞規對拆卸下來的閥籠內孔進行了檢驗，通過零件尺寸檢查發現：

φ14.020 mm尺寸的塞規可以塞進兩端的內孔但無法穿過閥籠內孔；

φ14.010 mm尺寸的塞規可以通過閥籠內孔；

2.3 零部件熱膨脹分析

閥門長期工作在高溫高壓的工況下，所以，閥體內零部件在工作中存在熱膨脹的問題[3]。

熱膨脹量計算公式如下：

Δd=α×d0×(t1-t0)

閥芯、閥籠在345 ℃下的理論膨脹尺寸如下：

1)閥芯的材質為304堆焊司太立合金，司太立材質熱膨脹系數為14.3×10-6/℃，閥芯最大外徑為φ13.994 mm，膨脹量為0.069 mm。閥芯在345 ℃時最大外徑可達φ14.063 mm。

2)閥籠材質為316，316膨脹系數為17.5×10-6/ ℃，最小內徑為φ14.020 mm，膨脹量為0.0846 mm，閥籠在345 ℃時最小內徑為φ14.106 mm。但由于閥籠的膨脹受閥體限制，閥體膨脹受中法蘭及中法蘭螺栓限制，閥籠膨脹量理論最小時只有0.020 mm(閥體與閥籠最小間隙為0.020 mm)，此時閥籠最小內徑為φ14.040 mm；

在理論上，高溫時閥芯的極大尺寸與閥籠的極小尺寸存在過盈配合[4]，高溫膨脹情況下可能造成閥芯、閥籠卡死情況發生。

2.4 零部件變形量分析

閥體、閥蓋、閥籠和閥座四個部件的設計尺寸，可以發現當所有零件是上偏差的時候存在0.038 mm的過盈量，導致閥蓋接觸閥籠后無法與閥體中法蘭端面接觸，此時中法蘭上的四個螺栓的拉力全部由中法蘭密封墊片和閥籠來承受。

閥籠在設計中開小孔位置壁厚比較小，更容易變形，對其受力變形情況進行分析：當閥籠承受螺栓壓緊力達到7000 N，尺寸變形如圖2所示；當閥籠承受螺栓壓緊力達到11 000 N，其尺寸變形如圖3所示。

圖2 螺栓壓緊力7000N時尺寸變形圖

圖3 螺栓壓緊力11 000N時尺寸變形

從圖2和圖3的變形分布圖可知，當閥籠承受7000 N的壓力時，閥籠最大變形量0.004 69 mm，當閥籠承受11 000 N壓力時，閥籠最大變形量0.007 37 mm。

閥籠開小孔位置強度相對較弱，通過應力分析，發現開小孔位置在受壓的情況下更容易變形，從而導致閥籠零件內孔兩端尺寸與打小孔位置尺寸存在兩端大、中間小的情況(宏觀表現見3.2章節)，雖然其變形量小，但由于閥籠與閥芯實際配合間隙很小，微量變形的影響作用此時會被放大。

3 零件改進方案

3.1 加大閥芯和閥籠的配合間隙

3.2 提高閥籠的強度

將開小孔的位置外徑由原來的φ2 mm加大到φ2.5 mm；在保證最大流量的基礎上，將小孔數量由原來的32個φ1.5 mm的孔，減少到16個φ1.5 mm的孔。

閥籠進行設計優化后，經力學分析，最大變形量也相應下降至0.004 69 mm。

3.3 將閥芯密封面由錐面密封改為球面密封

由于閥籠和閥芯的配合公差變大，會造成閥芯導向作用降低，將閥芯密封面改用球面密封，如圖10所示。此設計，對閥芯的導向要求大大降低，而且密封面的研磨不需要閥籠進行導向，直接將閥芯與閥座密封面進行全角度研磨就可以；

3.4 取消導向面上的槽

取消導向面上的槽，將導向面連成一體，可防止導向面與閥籠開小孔位置上的微小毛刺卡住而造成閥芯卡死。

3.5 改進閥芯和閥桿的聯接方式

將閥芯內孔直徑由原來的φ9 mm改為φ8.5 mm，溝槽直徑由原來的φ10 mm改為φ10.3 mm，彈簧尺寸不變。這樣設計，可使彈簧在受拉力的時候向外擴張，而不會有向內收縮的傾向，閥芯、閥桿改進后的連接方式見圖4。

圖4 改進后的連接方式

彈簧中徑尺寸比φ8.5 mm大，小徑為φ7.3 mm，而閥桿頭部尺寸為φ8.4 mm，即使閥門再次發生卡澀情況，閥桿也不會與閥芯脫開。

3.6 消除零件疊放導致的過盈配合

4 零件模擬實驗及結果

4.1 閥籠應力變形試驗

零件按上述改進方案制作了樣件：

在常溫下，先對自由狀態下的閥籠進行測量，用φ14.080 mm的塞規可以通過而且很流暢，φ14.085 mm的塞規不能通過，但可以塞進閥籠的兩端；然后將閥籠和閥座安裝在閥體內，用專用的閥蓋直接接觸閥籠壓緊，螺栓按預緊力矩擰緊，用φ14.080 mm的塞規進行測量，可以通過但不流暢，φ14.085 mm可以塞進閥籠上端孔。

結論：據此推斷閥籠在常溫環境中，在受螺栓壓緊力作用下，開小孔位置有變形，但其變形比較小，在0.005 mm內。

在高溫下，先將自由狀態的閥籠加熱到350 ℃保持3個小時，拿出來馬上用φ14.110 mm的塞規測量，很通暢地掉入閥籠內；等冷卻后，將閥籠安裝到閥體內受壓進行加熱，350 ℃保持3個小時，拿出來用φ14.110 mm的塞規測可塞進，開小孔位置但有點受阻，換用φ14.100 mm測量很流暢地掉入閥籠。

結論：據此可以判斷在高溫環境下，閥籠開小孔位置在受螺栓壓緊力作用下變形量在0.010 mm內。

4.2 改進方案試驗

在常溫下，用內孔為φ14.080 mm的閥籠進行安裝試驗，裝配好后進行殼體耐壓、填料函密封、閥座密封和低壓氣密封等試驗都達到標準要求；

然后進行2000次帶壓動作試驗，開關無卡澀；

最后重新進行殼體耐壓、填料函密封、閥座密封和低壓氣密封等試驗，結果沒有變化。

在高溫下，用內孔尺寸是φ14.080 mm的閥籠進行安裝試驗，對內孔尺寸為φ14.080 mm的閥籠進行了和常溫下一樣的試驗，實驗結果一致。

通過這兩組試驗驗證，改進后的方案可以滿足現場工況要求；改進后的方案在閥芯的熱膨脹和閥籠變形條件下，閥芯也能自由的上下運動，閥門能有效地關閉和開啟。

4.3 閥門密封性檢測試驗

由于零部件相關尺寸調整后導向間隙增大，造成閥芯晃動量增加，降低了色印線的驗證精度，閥門有嚴格的密封要求，設計密封工裝，進行閥芯、閥座密封性能高精度檢測。

圖5 密封檢測工裝裝配圖

5 失效原因總結

通過對零件的尺寸分析、尺寸測量、應力分析及零件的模擬試驗，卡澀原因為：

1.在零件設計制造過程中沒有充分考慮到零件的熱膨脹變形，本身設計上閥籠與閥芯間隙的控制比較小，在高溫工況下，導致兩者實際間隙配合更小，甚至出現過盈配合的情況；

2.閥籠打小孔位置強度相對較弱，在受壓的情況下更容易變形，導致閥籠零件內孔存在兩端大、中間小的情況，雖然其變形量很小，但由于高溫下配合間隙很小，微量變形造成卡澀的貢獻因子急劇上升；兩者疊加導致閥芯與閥籠在結合面處卡澀，最終造成該類型氣動截止閥出現卡澀故障，并由此導致閥門開啟不到位，關閉不到位的內漏甚至閥芯與閥桿脫開的情況。

6 結束語

閥門零部件按照上述改進方案進行改進后，未再次發生卡澀缺陷。氣動截止閥在開關過程中出現卡澀故障是電廠中較為常見的問題之一，造成閥門卡澀的原因多種多樣；但當某一類型或者某臺閥門多次出現共性卡澀問題時，就需及時對比分析，查找原因并采取有效措施。

希望本文對電廠其他機組或其他電廠維修人員在消除與本文中閥門結構相似的氣動截止閥的卡澀故障時，具有一定的借鑒作用。