氣動(dòng)高壓球閥故障分析及處理

引言

某核電廠按照預(yù)防性維修規(guī)劃，更換高壓安注球閥的兩側(cè)閥座，回裝后閥門(mén)空載和初次負(fù)荷試驗(yàn)都合格（閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間< 10 s），但在大修結(jié)束運(yùn)行階段的定期邏輯試驗(yàn)中，閥門(mén)出現(xiàn)不能打開(kāi)，嘗試多種干預(yù)手段（調(diào)整閥體法蘭間隙、出口法蘭加熱、銅棒敲擊等）失效后，按電站規(guī)定，機(jī)組被迫降功率進(jìn)人小修，并對(duì)故障閥門(mén)進(jìn)行解體檢查。

1、閥門(mén)及系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

根據(jù)技術(shù)規(guī)格書(shū)規(guī)定，在發(fā)生主系統(tǒng)LOCA事件時(shí)，高壓安注球閥須在10 s內(nèi)全開(kāi)以保證安注系統(tǒng)可用。所以該閥需要通過(guò)定期邏輯開(kāi)關(guān)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證閥門(mén)的功能，如閥門(mén)故障不能打開(kāi)或開(kāi)啟時(shí)間超過(guò)10 s,且8 h內(nèi)不能恢復(fù)，則機(jī)組必須降功率，并在24 h內(nèi)進(jìn)人冷態(tài)卸壓模式。故障閥是8寸600 磅級(jí)核3級(jí)三段式對(duì)接焊軟密封氣動(dòng)球閥。按設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)壓差4．2 MPa（進(jìn)口側(cè)）工況下，閥門(mén)的開(kāi)啟力矩不超過(guò) 12傭N•mo氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為活塞式單作用氣缸，失氣彈簧開(kāi)，由氣缸彈簧的回彈力驅(qū)動(dòng)打開(kāi)閥門(mén)，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出初始開(kāi)啟力矩為2070 N • m，行程末端開(kāi)啟力矩1071N • m。維修手冊(cè)中明確閥門(mén)安裝時(shí)，閥座與球體之間必須使用推薦的潤(rùn)滑脂KRYTOX GP 05。閥體兩側(cè)法蘭螺栓的預(yù)緊力矩要求為 171 N•m,在此預(yù)緊力矩下，可保證閥體兩端法蘭與閥體的安裝間隙為0。

2、球閥故障分析及處理情況

閥門(mén)解體從系統(tǒng)拆除前，力矩扳手手動(dòng)測(cè)試閥門(mén)開(kāi)啟力矩大于20開(kāi)N • m，遠(yuǎn)超出過(guò)設(shè)計(jì)值。同時(shí)測(cè)試氣缸彈簧輸出開(kāi)啟力矩能達(dá)2000 N•m以上，其滿足設(shè)計(jì)要求，這樣就排除了氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)降級(jí)導(dǎo)致輸出力矩不足的可能。隨后系統(tǒng)卸壓解體閥門(mén)，閥前后連接不銹鋼管道內(nèi)部干凈，閥座和閥球表面涂抹了充足的潤(rùn)滑脂，球體、閥座均完好，僅有輕微的接觸劃痕，沒(méi)有明顯腐蝕現(xiàn)象，其余部件也完好。鑒于本次大修中只更換了閥座，初步判斷，新舊閥座的備件差別是導(dǎo)致閥門(mén)啟動(dòng)扭矩增加，無(wú)法開(kāi)啟的主要原因，后復(fù)用回裝了舊閥座（無(wú)缺陷），測(cè)試帶載閥門(mén)啟動(dòng)扭矩不到500 N • m，能快速打開(kāi)，鎖定新閥座與舊閥座的尺寸差別即為本次閥門(mén)故障的最終原因。

3、新舊軟密封閥座對(duì)比差異

對(duì)新舊閥座進(jìn)行多方面檢測(cè)比較，發(fā)現(xiàn)新舊閥座的材料、摩擦因數(shù)、彈性模量、大部分尺寸等相差不大，主要差異有以下幾點(diǎn)
（1） 閥座內(nèi)曲面半徑R存在較大差別，舊閥座R為125 mm, 新閥座R為121 mm，相差4mm
（2） 在受相同閥球正壓力的情況下，新閥座的軸向變形量明顯小于舊閥座，即新閥座的軸向剛度明顯大于舊閥座。這與內(nèi)曲面半徑不同有較大關(guān)系，因?yàn)閮?nèi)曲面半徑的減少，會(huì)導(dǎo)致閥座內(nèi)圈伸出法蘭內(nèi)徑的懸臂梁部分的厚度增大，閥座的抗彎截面系數(shù)相應(yīng)增大。
（3） 有潤(rùn)滑劑條件下，閥門(mén)的啟動(dòng)扭矩明顯小于無(wú)潤(rùn)滑劑狀態(tài)，但在有潤(rùn)滑脂的情況下，啟動(dòng)扭矩的值有明顯的時(shí)間效應(yīng)，試驗(yàn)初期的啟動(dòng)扭矩很小，扭矩隨著靜止時(shí)間的增加逐漸增大，最終會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的啟動(dòng)扭矩值，這與實(shí)際故障情況相符。

4、閥門(mén)力學(xué)模型分析

根據(jù)閥門(mén)結(jié)構(gòu)形式，建立受力分析圖（圖D，含義見(jiàn)表1。閥門(mén)結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)在垂直方向受力互相抵消，力學(xué)分析模型只考慮水平方向的載荷。左右閥座采用同批次備件尺寸相同。安裝后法蘭與閥體為緊密配合，61，62即為安裝后左右閥座的實(shí)際軸向壓縮量。同一閥座,d3的值會(huì)隨著壓力N卜3（等于櫞D的增大而增大，其增大值與閥座的內(nèi)曲面半徑和剛度有關(guān)。加載后，如進(jìn)口閥座與閥球未脫離，庳介的值等于萬(wàn)/4）2，其值為常數(shù)，如進(jìn)口閥座與閥球脫開(kāi)，N介的值等于椒丌（4）2，其值隨d3變化.

高壓安注球閥結(jié)構(gòu)為浮動(dòng)式球閥，在關(guān)閉狀態(tài)進(jìn)口側(cè)加壓的情況下，球體是否與左閥座脫開(kāi)，對(duì)閥門(mén)的受力分析計(jì)算有很大影響，所以判斷球體與左閥座是否脫離非常關(guān)鍵。在介質(zhì)加壓下，球體與左閥座是否脫離，與閥門(mén)的預(yù)緊間隙52和閥座在球體軸向壓力下的變形曲線有關(guān)，閥座在球體壓力下的變形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2，相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁的端部受壓后的彎曲變形，由于閥座為非金屬材料，閥座與閥球相互作用力的分布面積會(huì)隨力的增大而增大，力臂b的有效值則漸小，且閥座也不是完全的線彈性材料，所以閥座的軸向變形率會(huì)隨力的增大而變小，并不是單純懸臂梁模型的線性關(guān)系。

4、判斷在介質(zhì)加載后球體與左閥座是否脫離的公式

如球體與左閥座完全脫離，介質(zhì)對(duì)球體的作用力N介： 32/4，此力作用在右閥座上，右閥座的產(chǎn)生的變形量為如63 5 2=囫：，表明球體與左閥座未脫開(kāi)；如=囫： ，則表明球體與左閥座脫開(kāi)。

4.2、介質(zhì)加載后球體與左閥座未脫離情況下的計(jì)算分析

（1）、介質(zhì)未加載前。閥門(mén)在安裝預(yù)緊間隙下，設(shè)球體受左右閥座的正壓力分別為N2一為1，弘1 0 1 安裝后左閥座的實(shí)際軸向壓縮量，為安裝后右閥座的實(shí)際軸向壓縮量，因?yàn)椋笥议y座性能尺寸相同，所以《：《球體兩側(cè)的總預(yù)緊壓力為N2一汁咗1。 《（櫞D的值可通過(guò)該批次的閥座受力變形曲線來(lái)確定。 （2）、介質(zhì)壓力加載后。假設(shè)此時(shí)球體受左右閥座的正壓力為 六N，介質(zhì)對(duì)閥球的有效作用力為N介'，如閥座的變形曲線為線性，則N2一[ '：N2司介'/2，蘇《'：汁介'/2。球體兩側(cè)的總預(yù)緊壓力[ '+N2一在N2一汁咗1，表明如閥座的軸向變形是線性的，介質(zhì)加載后總預(yù)緊壓力不變。實(shí)際上閥座的變形是非線性的，此時(shí) '為：一介'/2+A，3：啊+庳介' /2 +ANO實(shí)際球體兩側(cè)總的預(yù)緊壓力1 ' '：汁櫞汁2A如右閥座為剛性體， 2AN為最大值，此時(shí)2厶№庳介'。表明油于閥座的軸向變形是非線性的，介質(zhì)加載后總預(yù)緊壓力會(huì)比初始安裝預(yù)緊力增加2厶N(yùn), 2A由閥座非線性變形協(xié)調(diào)引起，其值在0（線性）和庳介'（剛性）之間，只要確定N的曲線，即可推算出較為正確的A值。其中 ' 介 等于介質(zhì)對(duì)球體的直接作用力庳介加上介質(zhì)對(duì)左閥座的作用力傳遞給球體的分量，計(jì)算公式介'介+0•5一）/4： 2/4 •5×P“（2一2）/4。

4.3、加載后球體與左閥座脫離情況下的計(jì)算分析

此情況下，左閥座對(duì)球體的正壓力為0．右閥座對(duì)球體的作用力即為介質(zhì)對(duì)球體的作用力N介，介：仃a32/4，此值即為閥座對(duì)球體的總預(yù)緊力。

5、新舊閥座的啟動(dòng)扭矩值計(jì)算

5.1、新舊閥座的相關(guān)計(jì)算參數(shù)

新舊閥座安裝后的總預(yù)緊間隙根據(jù)閥座、球體、閥體尺寸（圖3）計(jì)算得出。由于舊閥座存在變形殘留，為便于計(jì)算比較，參考了設(shè)計(jì)值，總預(yù)緊間隙統(tǒng)一取中間值1.6 mm, 即6 2）取0，8 mmo其余計(jì)算參數(shù)，介質(zhì)壓力取系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力 4，2 MP，法蘭與閥座的接觸內(nèi)徑d2根據(jù)舊閥座的接觸痕跡線測(cè)量 取174 mmo

5.2、計(jì)算用（閥座正壓力與軸向變形）的相關(guān)數(shù)據(jù)及曲線圖預(yù)緊力（N）和位移

5.3、判斷安裝新舊閥座時(shí)

系統(tǒng)加載后球體與左閥座是否脫開(kāi)圖3閥座幾何尺寸根據(jù)計(jì)算參數(shù)和圖表，舊閥座的63為1.2 mm，新閥座的為0•82 mmo由4」的公表2位移一預(yù)緊力有限元計(jì)算數(shù)據(jù)位移/ ] 預(yù)緊力 NC舊閥座長(zhǎng)時(shí)壓縮） 預(yù)緊力N（新閥座長(zhǎng)時(shí)壓縮 ）式判斷出，在安裝新或舊閥座時(shí)，系統(tǒng)加載后閥門(mén)的球體均未與左閥座脫開(kāi)。

5.4、新、舊閥座受力及啟動(dòng)扭矩計(jì)算

根據(jù)有限元分析結(jié)合N-ö曲線數(shù)據(jù)分別計(jì)算舊閥座和新閥座的啟動(dòng)扭矩結(jié)果見(jiàn)表3和表4，從中可以看出，無(wú)論新舊閥座，在無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)下的操作扭矩均遠(yuǎn)大于有潤(rùn)滑狀態(tài)下的操作扭矩值。同時(shí)由于新舊閥座內(nèi)曲面半徑R的變化，直接導(dǎo)致了閥門(mén)的操作扭矩發(fā)生了明顯的不同，新閥座明顯大于舊閥座。

6、結(jié)論

• 新閥座由于軸向變形剛度明顯比舊閥座大，導(dǎo)致在相同的預(yù)緊間隙下閥門(mén)的預(yù)緊啟動(dòng)扭矩和介質(zhì)加載后的啟動(dòng)扭矩大幅增加，在閥門(mén)剛安裝后啟動(dòng)扭矩已接近臨界值，造成了閥門(mén)無(wú)法打開(kāi)的故障。
• 閥座的內(nèi)曲面半徑是閥座軸向剛度的關(guān)鍵影響因素，內(nèi)曲面半徑越小，剛度越大，在相同預(yù)緊間隙下的預(yù)緊力也越大。
• 有潤(rùn)滑劑的條件下，閥門(mén)的啟動(dòng)扭矩存在明顯的時(shí)間效應(yīng)，試驗(yàn)初期的啟動(dòng)扭矩很小，隨著靜止時(shí)間的增加扭矩逐漸增大，最終會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的啟動(dòng)扭矩值。

7、后續(xù)處理建議

閥座采購(gòu)驗(yàn)收時(shí)，首先應(yīng)嚴(yán)格控制內(nèi)曲面半徑，并確定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。同一批次數(shù)量應(yīng)多一些，并通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)確定該批閥座的N曲線，新閥座的軸向剛度曲線應(yīng)優(yōu)于舊閥座。通過(guò)建立模擬工況裝置，對(duì)采購(gòu)的閥座按一定比例進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn)，以確保閥門(mén)的核安全功能完整和電廠的經(jīng)濟(jì)效益。