核電廠調(diào)節(jié)閥用填料設(shè)計(jì)改進(jìn)探索

中核核電運(yùn)行管理有限公司 李建春 李 云 姜向平

核電廠反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)和二回路熱量傳輸系統(tǒng)需要嚴(yán)格控制介質(zhì)流量，以確保反應(yīng)堆堆芯熱量的受控導(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)功率發(fā)電。調(diào)節(jié)閥是核電廠工藝系統(tǒng)介質(zhì)流量調(diào)節(jié)的最重要設(shè)備之一，其調(diào)節(jié)性能的好壞直接影響到工藝系統(tǒng)執(zhí)行其功能的正確性，而調(diào)節(jié)閥填料的性能直接影響閥門的密封性能和閥桿動(dòng)作調(diào)節(jié)響應(yīng)性能。

1 填料密封

1.1 密封機(jī)理

石墨填料主要用于閥門閥桿運(yùn)動(dòng)時(shí)的密封，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有耐腐蝕、耐高溫、自潤(rùn)滑性好、回彈性大、閥桿扭矩小、固有可靠性高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，膨化石墨填料是核電閥門應(yīng)用最普遍的閥桿密封填料。石墨填料強(qiáng)度低，易松散，故一般均采用石墨組合填料，組合填料由兩端的編織盤(pán)根和中間的純石墨填料環(huán)組成，兩端編織盤(pán)根起到防止石墨擠出和輔助密封作用，中間純石墨填料環(huán)起到主密封作用。填料密封安全可靠，即使出現(xiàn)填料密封泄漏也可通過(guò)填料復(fù)緊來(lái)重新建立密封，故核電廠部分放射性介質(zhì)閥門雖然采用了波紋管作為閥桿密封后，還是設(shè)置了填料密封作為最后一道閥桿密封來(lái)防止放射性介質(zhì)從閥桿處向外泄漏。

1.2 調(diào)節(jié)閥填料特殊要求

調(diào)節(jié)閥作為核電站工藝系統(tǒng)流量控制的主要設(shè)備，其流量控制主要依靠閥桿運(yùn)動(dòng)來(lái)改變流道截面積，從而實(shí)現(xiàn)液體的流量控制。調(diào)節(jié)閥液體流量的精確控制需要閥桿能夠進(jìn)行微量運(yùn)動(dòng)，并能夠按照控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)小信號(hào)的及時(shí)響應(yīng)，這就對(duì)閥門填料的性能提出了更高的要求，即需要盡可能降低填料摩擦系數(shù)，從而在閥桿受到相同壓縮應(yīng)力的情況下，其摩擦力盡可能小，從而實(shí)現(xiàn)流量精確控制。調(diào)節(jié)閥填料利用閥桿與填料間形成一定的潤(rùn)滑液膜和填料本身的潤(rùn)滑性能，在閥桿受到相同壓縮應(yīng)力條件下，實(shí)現(xiàn)在保證閥桿密封時(shí)還能夠得到盡可能小的摩擦力。

2 失效分析

調(diào)節(jié)閥填料的失效主要體現(xiàn)在填料泄漏和閥門調(diào)節(jié)性能差兩個(gè)方面。調(diào)節(jié)閥用填料的密封性能和調(diào)節(jié)性能在很多時(shí)候是一對(duì)矛盾體，高密封性能要求填料與閥桿接觸面積、閥桿所受的壓縮應(yīng)力均盡可能大，而調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能卻要求填料對(duì)閥桿的摩擦力盡可能小，在填料與閥桿摩擦系數(shù)不變的情況下，摩擦力與填料和閥桿的接觸面積、閥桿所受壓縮應(yīng)力成正比。

填料密封效果是由填料與閥桿的接觸寬度和接觸密封應(yīng)力決定，調(diào)節(jié)閥用石墨填料通常采用編織盤(pán)根和純石墨填料環(huán)組合，填料截面通常采用方形，通過(guò)上下兩環(huán)編織盤(pán)根來(lái)提升整個(gè)填料組的防擠出能力。填料密封失效和閥門調(diào)節(jié)性能劣化的主要原因如下。

2.1 密封寬度不足

填料屬于彈塑性體，當(dāng)其受到軸向壓緊后，填料內(nèi)徑向閥桿收縮，外徑向填料函擴(kuò)張變形，變形后的填料與填料函、閥桿產(chǎn)生接觸，在填料的進(jìn)一步壓緊過(guò)程中，由于填料與填料函和閥桿之間的摩擦，閥桿與填料函之間的徑向應(yīng)力在壓蓋處最大，并以指數(shù)規(guī)律向填料函底部遞減[1]，如圖1所示，導(dǎo)致靠近壓蓋部位的填料環(huán)需要承受更大的壓緊力，這部分填料變形量也最大，最終導(dǎo)致只有靠近壓蓋的一部分填料真正起到了密封作用，而其他填料環(huán)由于其內(nèi)徑收縮量不足，導(dǎo)致填料與閥桿之間存在一定的間隙，無(wú)法通過(guò)水膜形成有效密封。填料真正起作用的密封寬度不足，且填料初始安裝為保證其密封性，只能通過(guò)加大填料對(duì)閥桿的壓縮應(yīng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)密封。調(diào)節(jié)閥動(dòng)作頻率較高，閥桿長(zhǎng)期處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在閥桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，過(guò)大的壓縮應(yīng)力直接導(dǎo)致填料很快出現(xiàn)磨損，進(jìn)一步減少了填料對(duì)閥桿的密封寬度，從而出現(xiàn)填料泄漏。

圖1 閥桿所受壓縮應(yīng)力及磨損示意圖

2.2 接觸密封比壓不足

膨化石墨填料強(qiáng)度低、易松散，變形量受填料設(shè)計(jì)所限，整組填料真正起到密封作用的高度比較有限，起密封作用的填料的接觸密封比壓也會(huì)比較高。填料密封比壓指的是作用于單位密封面上的平均正壓力[2]，密封比壓的大小是影響填料密封性的重要因素。高接觸密封比壓導(dǎo)致填料上部與閥桿的摩擦加劇，隨著閥桿的上下運(yùn)動(dòng)，填料和閥桿均會(huì)出現(xiàn)磨損，嚴(yán)重時(shí)閥桿會(huì)出現(xiàn)凹坑，填料與閥桿的磨損顯著降低了填料與閥桿之間的接觸密封比壓，導(dǎo)致填料與閥桿之間的接觸密封比壓無(wú)法滿足介質(zhì)密封要求而出現(xiàn)泄漏。

2.3 閥桿運(yùn)動(dòng)阻力過(guò)大

填料是對(duì)閥桿產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)阻力的最大因素，閥桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，填料對(duì)閥桿會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力，如果閥桿表面質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，則填料還會(huì)對(duì)閥桿產(chǎn)生機(jī)械阻力。填料對(duì)閥桿的摩擦力和機(jī)械阻力的大小直接影響閥門調(diào)節(jié)性能。填料與閥桿接觸必然會(huì)產(chǎn)生摩擦力，摩擦力的大小與填料對(duì)閥桿的接觸力和摩擦系數(shù)有關(guān)，摩擦系數(shù)越小則摩擦力越小。

填料對(duì)閥桿的機(jī)械阻力與閥桿表面質(zhì)量有關(guān)，由于填料對(duì)閥桿的接觸應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致閥桿多次運(yùn)動(dòng)后的磨損，從而在閥桿表面出現(xiàn)了凹坑，閥桿在上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與填料之間會(huì)產(chǎn)生卡阻現(xiàn)象，在調(diào)節(jié)系統(tǒng)微小動(dòng)作信號(hào)時(shí)閥桿無(wú)法動(dòng)作，調(diào)節(jié)系統(tǒng)為落實(shí)調(diào)節(jié)要求，將不斷加大閥桿動(dòng)作調(diào)節(jié)信號(hào)，提升閥桿驅(qū)動(dòng)力，直到閥桿驅(qū)動(dòng)力克服填料對(duì)閥桿的摩擦力和機(jī)械阻力，閥桿動(dòng)作出現(xiàn)瞬間超調(diào)現(xiàn)象，調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)閥門超調(diào)后快速給出反向調(diào)節(jié)信號(hào)，閥門出現(xiàn)不斷的超調(diào)和回調(diào)，影響系統(tǒng)介質(zhì)流量的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作。

從上述分析可知，在保證填料函、閥桿制造質(zhì)量及膨化石墨原材料性能不變的情況下，有必要通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)閥用填料進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)來(lái)改變其受壓縮時(shí)的變形特性，使填料壓緊后與閥桿的接觸面積盡可能均勻，擴(kuò)大填料與閥桿的接觸寬度，降低上部填料對(duì)閥桿的接觸應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)閥桿所受接觸應(yīng)力的均勻化，降低閥桿原高接觸應(yīng)力部位的應(yīng)力水平，減少閥桿與填料的不均勻磨損，降低閥桿所受的摩擦力，提升閥門的調(diào)節(jié)響應(yīng)性能和密封性能。

3 方案選擇

調(diào)節(jié)閥用石墨填料的設(shè)計(jì)改進(jìn)主要針對(duì)填料的截面和密度進(jìn)行。由于石墨填料強(qiáng)度偏低、易松散，為避免石墨填料在閥桿與壓蓋之間被擠出，填料組件的上下兩環(huán)均采用編織盤(pán)根來(lái)增加其強(qiáng)度，由高純?nèi)嵝允拙幉讳P鋼金屬絲再經(jīng)模壓制成，由于石墨被金屬網(wǎng)套牢牢包裹、束縛，因此該填料在使用時(shí)上下兩層的填料既可起密封作用，又可防止中間的高純?nèi)嵝允珡拈y桿和壓蓋之間的縫隙中被擠出。提升填料性能的設(shè)計(jì)改進(jìn)主要針對(duì)填料組件中間石墨填料環(huán)，通過(guò)石墨填料環(huán)形狀及密度設(shè)計(jì)，擴(kuò)展填料在相同壓縮力下的側(cè)向變形量。

3.1 改進(jìn)方案

3.1.1 異形截面組合填料

該組結(jié)合填料由上下石墨鎳絲編織盤(pán)根和中間異形柔性石墨填料環(huán)組成，如圖2所示。編織盤(pán)根環(huán)截面為平面方形，密度為1.7～2g/cm3，考慮到填料壓緊力傳遞的衰減特性，中間純石墨填料環(huán)采用抗氧化石墨帶模壓成不同角度、不同密度的石墨填料環(huán)進(jìn)行組合，促進(jìn)填料壓緊力的傳遞效率。組合填料中，高密度石墨填料環(huán)的密度為1.7g/cm3，截面為異形，角度為60°（內(nèi)斜和外斜），低密度石墨填料環(huán)的密度為1.3g/cm3，截面為平行四邊形，角度為45°。

圖2 異形截面組合填料

3.1.2 V形截面組合填料

該種組合填料由上下石墨鎳絲編織盤(pán)根和中間V形柔性石墨填料環(huán)組成，密度為1.63g/cm3，如圖3（a）所示。上下石墨編織盤(pán)根是由高純?nèi)嵝允拙幉讳P鋼金屬絲再經(jīng)模壓制成。中間的柔性石墨填料環(huán)主要起密封作用，其填料采用V形截面設(shè)計(jì)，夾角90°，如圖3（b）、（c）所示，可在同等壓縮載荷的條件下使得軸向V形環(huán)形面部分側(cè)向變形增大，從而使閥桿與填料函之間的接觸應(yīng)力均勻化。

圖3 V形截面組合填料

3.2 性能比較

成品填料性能主要體現(xiàn)在壓縮率、回彈率、熱失重、摩擦系數(shù)、冷態(tài)密封性能和熱態(tài)密封性能，冷熱態(tài)密封性能試驗(yàn)以壓水堆核電機(jī)組設(shè)計(jì)最高溫度和壓力進(jìn)行，冷態(tài)試驗(yàn)要求按照17.2MPa，常溫條件下閥門全行程循環(huán)動(dòng)作100次（行程100mm）；熱態(tài)性能試驗(yàn)溫度320℃，壓力15.2MPa，保壓30min，保壓結(jié)束后，以升降溫平均速率控制在小于50℃/h降溫至100℃以下，保溫15mim，再以平均速率控制在小于50℃/h升溫至320℃保壓。升降溫次數(shù)要求20次以上，在升降溫之間完成不少于3000次的往返運(yùn)動(dòng)循環(huán)，期間若填料發(fā)生泄漏，可中途預(yù)緊2次，測(cè)試填料的泄漏率。兩種方案組合填料的性能見(jiàn)表1。

表1 組合填料性能比對(duì)

從表1可以看出，兩種組合填料與普通平面方型石墨填料相比，由于其中間石墨填料環(huán)均對(duì)其截面形狀進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的截面有利于石墨填料環(huán)在安裝過(guò)程中軸向壓縮載荷的傳遞，在相同填料壓緊應(yīng)力的情況下，中間石墨填料環(huán)側(cè)向膨脹量顯著優(yōu)于普通平面方型石墨填料，在保證密封性的前提下可以有效降低填料與閥桿的摩擦力。異形截面組合填料中的上端凹60°高密度石墨填料環(huán)與頂端編織盤(pán)根結(jié)合抱緊閥桿，下部凸60°高密度石墨填料環(huán)與底端編織盤(pán)根結(jié)合貼緊填料函壁，中間部分45°低密度杯錐型填料環(huán)當(dāng)受到填料壓蓋施加軸向力時(shí)更為有效地轉(zhuǎn)化為徑向膨脹量，從而實(shí)現(xiàn)低預(yù)緊力時(shí)就能產(chǎn)生有效密封性能。V形截面組合填料的中間柔性石墨環(huán)采用90°夾角的V形截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可在填料安裝過(guò)程中增加軸向壓縮載荷的傳遞，有效降低填料與閥桿之間的摩擦力。

綜上，通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)閥用組合填料失效分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)后的性能試驗(yàn)結(jié)果分析，找出影響調(diào)節(jié)閥密封和調(diào)節(jié)性能的關(guān)鍵因素，通過(guò)采用設(shè)計(jì)補(bǔ)償和不同密度石墨填料環(huán)的組合設(shè)計(jì)方案可以有效提升填料的側(cè)向膨脹量，促進(jìn)填料密封的有效寬度，降低填料壓蓋的壓緊力和填料對(duì)閥桿的密封比壓，降低填料對(duì)閥桿的摩擦力，減少填料與閥桿的磨損，延長(zhǎng)填料和閥桿壽命，提升調(diào)節(jié)閥用填料的密封可靠性和閥門調(diào)節(jié)響應(yīng)能力。