重水堆除氣冷凝器釋放閥故障原因分析及對策

李攀攀　奚　群（中核核電運(yùn)行管理有限公司維修五處機(jī)械科　浙江海鹽）

重水堆除氣冷凝器釋放閥故障原因分析及對策

李攀攀奚群
（中核核電運(yùn)行管理有限公司維修五處機(jī)械科浙江海鹽）

2臺除氣冷凝器釋放閥用作除氣冷凝器的安全閥。校驗(yàn)方式與常規(guī)的安全閥有所區(qū)別，除了必需的整定壓力試驗(yàn)和密封試驗(yàn)外，還有一項(xiàng)額外的阻尼力測試。整定壓力試驗(yàn)和阻尼力測試試驗(yàn)必須在專門的校驗(yàn)臺上開展。在進(jìn)行這些試驗(yàn)過程中出現(xiàn)一些異常情況，給出解決方案。

重水堆除氣冷凝器釋放閥整定壓力試驗(yàn)

一、重水堆除氣冷凝器釋放閥介紹

1.閥門設(shè)計(jì)描述

中核運(yùn)行三廠重水堆除氣冷凝器釋放閥是由德國BOPP&REUTHER SR GmbH公司生產(chǎn)的帶氣動輔助裝置的彈簧加載式核1級安全閥，帶限位開關(guān)，進(jìn)口為2英寸1500LB級法蘭，出口為3英寸300LB級法蘭，工作介質(zhì)為重水，設(shè)計(jì)壓力10.687MPa，設(shè)計(jì)溫度316℃，整定壓力10.057±1%MPa（9.956MPa～10.158MPa），密封壓力8.05MPa，校驗(yàn)介質(zhì)為空氣。

重水堆除氣冷凝器釋放閥用于給除氣冷凝器提供超壓保護(hù)功能。該閥門在進(jìn)口壓力達(dá)到整定壓力時(shí)起跳，閥門的開度和行程與壓力的增加是成比例的。如果系統(tǒng)壓力達(dá)到閥門整定壓力的1.1倍，閥門將會以至少27 kg/s的排量對系統(tǒng)進(jìn)行泄壓。當(dāng)系統(tǒng)壓力低于整定壓力的80%時(shí)，閥門將會關(guān)閉。為保證閥門的排量，閥門行程不能＜4 mm。

當(dāng)系統(tǒng)壓力≥9.5 MPa時(shí)，閥門可以借助氣動輔助裝置在不超過0.69MPa的供氣壓力下，達(dá)到全開。當(dāng)系統(tǒng)壓力為0時(shí)，通過對氣動輔助裝置供氣（供氣壓力≤0.86 MPa），閥門能夠開啟最少4 mm。

閥門設(shè)計(jì)壓力＞10 MPa，屬于高壓閥門。閥門在啟閉過程中，不可避免的存在振動現(xiàn)象。一般閥門的振動過程與閥體內(nèi)介質(zhì)的流動密切相關(guān)。當(dāng)閥門開始動作時(shí)，閥芯閥桿組件會有小幅振動，閥門可能會因此出現(xiàn)顫振。隨著閥門開度增加，流量隨即增加，閥芯閥桿組件的振動可能會快速增大，閥門的顫振情況可能會愈加劇烈。為避免閥門因振動而損傷，專門加裝了阻尼塊，這些阻尼塊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及安裝方式如圖1所示。由圖1可以看出，這些阻尼塊排列在閥門閥腔的主彈簧內(nèi)側(cè)，阻尼元件通過上下2個(gè)定位環(huán)來定位，定位環(huán)的上方有一個(gè)輔助彈簧，用以給阻尼塊提供豎直向下的壓力。由于阻尼元件是錐形帶弧度的結(jié)構(gòu)，輔助彈簧豎直向下的壓力可以產(chǎn)生一個(gè)將阻尼元件貼緊閥桿的水平力。因此，作用于閥桿上的機(jī)械式阻尼力，可以對閥門的任何位移做出反應(yīng)。正是由于這些阻尼塊的精巧設(shè)計(jì)，使得閥芯閥桿組件在開啟和關(guān)閉過程中即使有微小的振動，阻尼塊也會即時(shí)發(fā)揮阻尼作用，以避免閥門出現(xiàn)顫振。

圖1　阻尼塊結(jié)構(gòu)圖及受力圖

這些阻尼塊由硬質(zhì)電化石墨制成，這種材料非常合適，因?yàn)槠渥枘嶂捣浅７€(wěn)定。另外，阻尼塊對閥桿提供的向上和向下的阻尼力差別也非常小。這種阻尼塊只能應(yīng)用于介質(zhì)無法進(jìn)入閥蓋的安全閥，這就需要借助波紋管結(jié)構(gòu)。當(dāng)阻尼塊貼緊閥桿時(shí)，閥門的開啟也不會受到影響。因?yàn)樵陂y門開啟期間，輔助彈簧的壓力也只是略微比阻尼力大一些。換言之，即使阻尼塊貼緊閥桿，在系統(tǒng)壓力無需大量增加的情況下，閥門也能夠打開。

安裝阻尼塊后，開啟壓力差值不會變大（調(diào)整整定壓力時(shí)，因安裝了阻尼塊，主彈簧的壓縮量略有減小）。具有長期穩(wěn)定性，不受輻射影響；適用于高溫和低溫環(huán)境，阻尼力不依賴溫度。無論多小的振動，都能夠起到阻尼作用。阻尼性能不受閥門開啟速度的影響，即使壓力迅速增加，閥門的開啟壓力差值也不會變大。

2.閥門測試平臺

除氣冷凝器釋放閥如果出現(xiàn)功能異常，如內(nèi)漏或異常開啟，將會造成除氣冷凝器壓力異常降低，直接影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為保證除氣冷凝器釋放閥的性能，需要在大修期間對該閥進(jìn)行預(yù)防性維修，有3項(xiàng)重要的工作：①VDTD（VibrationDamper Testing Device）專用校驗(yàn)臺上進(jìn)行行程/阻尼試驗(yàn)；②壓力整定試驗(yàn)；③密封性能試驗(yàn)。

其中①、②項(xiàng)工作需要在VDTD專用校驗(yàn)臺上開展，③在常規(guī)安全閥校驗(yàn)臺上即可實(shí)施。VTDT專用校驗(yàn)臺與電腦連接，可以直接輸出相關(guān)測試參數(shù)和測試曲線圖。

3.閥門測試參數(shù)要求

為保證釋放閥的機(jī)械性能良好，以下參數(shù)需要得到保證。

（1）整定壓力。整定壓力10.057±1%MPa（99.56～101.58 bar），相應(yīng)的VDTD校驗(yàn)圖上的【Set Point】在10.908～11.129 kN；根據(jù)廠家維修手冊提供的計(jì)算公式，計(jì)算方法見式（1）。

式中PA——整定壓力。

F1——在整定壓力下閥門的閥芯所受到的上推力/下壓力，對應(yīng)VDTD校驗(yàn)圖上的【Set Point】。

Am——閥芯有效面積，廠家已提供值1095.6 mm2，即0.10956 m2。

如果PA取值9.956 MPa，那么F1=10.908 kN；如果PA取值10.158 MPa，那么F1=11.129 kN。

（2）阻尼塊的阻尼力。阻尼塊的阻尼力即VDTD校驗(yàn)圖上【Hysteresis at min.Lift】、【Hysteresis at half.Lift】、【Hysteresis at max.Lift】3個(gè)值均要求在1.35 kN～1.95 kN。

（3）閥門行程。閥門的行程即VDTD校驗(yàn)圖上的【maximum Lift】為4～6mm。

（4）閥門密封試驗(yàn)。閥門密封試驗(yàn)要求以氣體為校驗(yàn)介質(zhì)，8.05MPa的密封壓力下，保壓3min，泄漏量＜30個(gè)泡/min。

二、測試過程中的故障現(xiàn)象、原因分析及對策

1.閥門整定壓力偏高或偏低

VDTD校驗(yàn)臺測試結(jié)果顯示【Set Point】＜10.908 kN或＞11.129kN。當(dāng)閥門入口壓力達(dá)到整定壓力時(shí)，閥芯上所受到的向上的推力等于主彈簧壓力和阻尼塊上方的輔助彈簧壓力的合力。主彈簧壓力和阻尼塊上方的輔助彈簧壓力由各自彈簧壓縮量決定，而這些彈簧的壓縮量由壓力調(diào)節(jié)螺栓進(jìn)行調(diào)整。因此，如果閥門整定壓力不合格，壓力調(diào)節(jié)螺栓位置就需要進(jìn)行調(diào)整。

調(diào)整閥門整定壓力時(shí)，需要旋松或旋緊壓力調(diào)節(jié)螺栓。將壓力調(diào)節(jié)螺栓向下旋緊，將會壓緊主彈簧和輔助彈簧，使整定壓力升高。將壓力調(diào)節(jié)螺栓向上旋松，將會釋放主彈簧和輔助彈簧，使整定壓力降低。根據(jù)廠家維修手冊和維修經(jīng)驗(yàn)，壓力調(diào)節(jié)螺栓轉(zhuǎn)動1/4圈（即90°），約改變0.6 MPa的整定壓力值。

2.閥門行程偏?。ǎ?mm）

閥門VDTD校驗(yàn)圖上顯示的行程＜4mm。閥門的行程由波紋管內(nèi)的行程限位軸套進(jìn)行控制，當(dāng)閥門裝配完畢后，行程限位軸套上端面與閥蓋下端面的距離即為閥門的行程。根據(jù)廠家要求，該距離≥4 mm，以滿足閥門開啟高度和排放能力的要求。當(dāng)閥門開啟時(shí)，波紋管被壓縮，行程限位軸套逐漸上移，直至與閥蓋下端面相接觸，行程限位軸套移動的距離即為閥門的行程。

實(shí)際上，閥門出廠時(shí)廠家已經(jīng)針對每一臺閥門的波紋管制作了合適高度的限位軸套，因此，不同的閥門，其限位軸套不能互相調(diào)換。如果發(fā)生行程偏小的情況，就需要檢查行程限位軸套是否被調(diào)換，是否有異物粘附在限位軸套上，是否有異物落在波紋管內(nèi)部，造成軸套高度異常。

檢查確認(rèn)閥門行程限位軸套是否被調(diào)換，清理軸套上和波紋管內(nèi)部的異物，使得行程限位軸套的高度減小，即可使閥門的行程增大。如果閥門的行程限位軸套異常損壞，需要更換新的限位軸套，注意確保閥門的行程在4～6 mm。

3.閥門行程過高（＞6 mm）

VDTD校驗(yàn)圖上表示閥門行程的橫坐標(biāo)最大值為6mm，曾經(jīng)出現(xiàn)過閥門行程＞6mm的現(xiàn)象，導(dǎo)致壓力曲線超出VDTD校驗(yàn)圖的顯示范圍。由于行程過長，閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分的鎖定螺釘和限位螺母向上移動的距離也相應(yīng)過長，導(dǎo)致限位部件與氣缸底部抵觸，造成鎖定螺釘上部的開口銷異常損壞，VDTD校驗(yàn)臺上的試驗(yàn)無法正常開展。

閥門的行程由行程限位軸套上端面與閥蓋下端面的距離決定。在行程限位軸套高度不變的情況下，導(dǎo)致閥門行程增大的原因?yàn)殚y門噴嘴相對于標(biāo)準(zhǔn)位置下移，或者閥蓋下端面相對于標(biāo)準(zhǔn)位置上移。能造成這些位置變化的因素有2個(gè)：裝配工藝和墊片性能。如果裝配不當(dāng)，會造成組件偏斜或安裝不到位，導(dǎo)致閥門組件未到達(dá)要求的位置。如果墊片性能不合適，例如墊片硬化失效，或者墊片加工工藝不符合要求，均會導(dǎo)致墊片壓縮量不夠，也會造成行程限位軸套上端面與閥蓋下端面的距離增大，即閥門行程變大，具體原理見圖2。

圖2　閥門行程變大示意圖

如果裝備不當(dāng)，則重新解體，按照標(biāo)準(zhǔn)程序?qū)﹂y門進(jìn)行回裝。如果墊片失效或加工工藝不符合要求，則重新加工制作合格的墊片，并進(jìn)行更換。

4.案例

曾發(fā)生過閥門解體回裝后行程過大的現(xiàn)象，但更換所有易損件后故障現(xiàn)象依舊。反復(fù)檢查各零部件，也未發(fā)現(xiàn)明顯異常。最后將疑點(diǎn)集中在國產(chǎn)化墊片上，從手感上明顯感覺到國產(chǎn)化的墊片硬度很高，不容易彎曲，而原裝進(jìn)口墊片則稍軟一些，墊片的結(jié)構(gòu)如下圖七所示。同時(shí)發(fā)現(xiàn)噴嘴處的墊片安裝后，噴嘴與閥體未達(dá)到“金屬對金屬”的接觸，噴嘴與閥體之間存在明顯的間隙。通過檢查發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)化的墊片厚度為2.5 mm，但墊片中所夾的金屬片厚度達(dá)1.8 mm，而原裝進(jìn)口墊片中所夾的金屬片厚度僅0.1～0.2mm，按照同樣的力矩要求，國產(chǎn)化墊片的壓縮量明顯小于原裝進(jìn)口墊片，因此導(dǎo)致閥門行程增加。同樣的情況也發(fā)生在閥門噴嘴處的墊片上，后續(xù)重新選用了滿足規(guī)范的墊片，再次試驗(yàn)，閥門行程合格。

圖3　墊片結(jié)構(gòu)圖

5.阻尼塊的阻尼力＜1.35kN

VDTD校驗(yàn)圖上顯示的阻尼力＜1.35 kN。阻尼力偏小的原因有2點(diǎn)，一是閥桿表面與阻尼塊接觸的部分有增加潤滑的介質(zhì)，例如油脂或者水等異物；二是間隙塊厚度偏小，導(dǎo)致輔助彈簧的壓縮量偏小，輔助彈簧施加在阻尼塊上的預(yù)緊力也就相應(yīng)的偏小，最終的阻尼力就會偏小。

采取對策，可清理閥桿表面，確保無任何油污或水等異物，表面干燥無缺陷。更換厚度更大的間隙塊，要求間隙塊內(nèi)徑29.7+0.1 mm，外徑43 mm，材料316Ti，具體厚度尺寸需要根據(jù)VDTD上的試驗(yàn)結(jié)果來確定。

6.阻尼塊的阻尼力＞1.95 kN

VDTD校驗(yàn)圖上顯示的阻尼力＞1.95 kN。阻尼力偏大的原因有3點(diǎn)，①閥桿表面與阻尼塊接觸的部分有缺損、變形、彎曲、腐蝕、臟污等缺陷；②間隙塊厚度偏大，導(dǎo)致輔助彈簧的壓縮量偏大，輔助彈簧施加在阻尼塊上的預(yù)緊力也就相應(yīng)的偏大，最終的阻尼力就會偏大；③阻尼塊本身出現(xiàn)磨損或損壞等異常。

可清理閥桿表面，確保閥桿表面干凈無異物，如果有無法修復(fù)的缺損、變形、彎曲、腐蝕等缺陷，則需要更換新的閥桿。更換厚度較小的間隙塊，具體厚度尺寸需要根據(jù)VDTD上的試驗(yàn)結(jié)果來確定。更換新的阻尼塊。

7.閥門密封試驗(yàn)不合格

閥門密封試驗(yàn)以氣體為校驗(yàn)介質(zhì)，8.05 MPa的密封壓力下，保壓3 min，泄漏量＞30個(gè)泡/min。一般是閥門噴嘴和閥芯的密封副有損傷或夾雜異物。

可解體閥門，對噴嘴和閥芯的密封副進(jìn)行研磨修復(fù)。注意在研磨過程中，需要密切關(guān)注密封副硬質(zhì)合金層的厚度，如果厚度低于規(guī)定的要求，需要更換新備件。

三、結(jié)束語

除氣冷凝器釋放閥作為核一級安全閥，其維修質(zhì)量對系統(tǒng)的安全至關(guān)重要。閥門維修過程中，必須嚴(yán)格做好異物控制工作，避免異物進(jìn)入閥門內(nèi)部，同時(shí)關(guān)注各部件的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)損壞等異?，F(xiàn)象。對于石墨墊片的質(zhì)量，除了保證總厚度外，還需保證中間金屬片夾層的厚度，避免備件質(zhì)量影響設(shè)備檢修質(zhì)量。同時(shí)該閥門一般在機(jī)組大修期間進(jìn)行解體檢修，而閥門的解體檢修工時(shí)較長，為了保證大修進(jìn)度，最好能夠提供閥門整臺備件，采取“以舊換新”的維修方式，日常期間將閥門備件校驗(yàn)合格，大修期間用校驗(yàn)合格的閥門備件直接更換現(xiàn)場的閥門，從而縮短現(xiàn)場作業(yè)時(shí)間，保證大修進(jìn)度。

〔編輯利文〕

TL423

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