方成平，程曉文

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

核電廠取樣系統(tǒng)用于在反應(yīng)堆正常運(yùn)行、熱停堆、冷停堆等各種工況下，從反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)、核輔助系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器二次側(cè)排污水等系統(tǒng)中取得具有代表性的液體、氣體樣品，供化學(xué)分析和放射化學(xué)分析，為反應(yīng)堆安全運(yùn)行提供翔實(shí)的補(bǔ)充數(shù)據(jù)[1]。

由于核電廠須實(shí)時(shí)對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)分析，系統(tǒng)及設(shè)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(kāi)展。

1 卡澀故障原因分析

氣動(dòng)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(duì)閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥門維修、閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)等逐項(xiàng)進(jìn)行分析。

1.1 閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)分析

閥門的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以儀表用壓縮氣體作為動(dòng)力源[2]，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)置不同的氣源壓力，并均以活塞缸作為執(zhí)行器。

1)對(duì)閥門氣源壓力、氣管各連接處進(jìn)行檢查核實(shí)，確認(rèn)閥門氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，且接管處無(wú)氣體泄漏；

2)拆除活塞桿與閥桿連接塊后，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行動(dòng)作試驗(yàn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作正常，無(wú)卡澀；

3)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)充氣，進(jìn)行0.3 MPa氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)密封試驗(yàn)，無(wú)壓降，保壓合格，證明閥門O型圈密封良好，無(wú)缺陷；

通過(guò)上述驗(yàn)證手段可排除閥門氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)于閥門卡澀故障的影響。

1.2 閥門維修方面分析

當(dāng)閥門填料壓蓋緊固力矩過(guò)大及填料壓蓋緊偏時(shí)，有可能造成閥門卡澀。

1)對(duì)閥門填料壓蓋緊固力矩逐一復(fù)核，確認(rèn)力矩均在合格范圍內(nèi)；

2)對(duì)填料壓蓋左右兩側(cè)高度進(jìn)行逐一測(cè)量，填料壓蓋內(nèi)壁與閥桿四周間隙均勻，壓蓋兩側(cè)高度差在合格范圍內(nèi)。

通過(guò)上述驗(yàn)證，排除了填料壓蓋緊固力矩過(guò)大及填料壓蓋安裝不到位等維修因素對(duì)于閥門卡澀故障的影響。

1.3 閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

該類型氣動(dòng)取樣截止閥閥體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中：

圖1 閥門本體結(jié)構(gòu)圖

1)重要零件包括：閥籠、閥芯、閥桿。

2)關(guān)鍵配合包括：閥籠內(nèi)孔與閥芯外徑配合、閥籠外徑與閥體內(nèi)孔配合。

在機(jī)組大修期間，維修人員解體閥門時(shí)，發(fā)現(xiàn)閥門閥籠與閥芯卡死，閥芯、閥桿組件從閥籠中取出相當(dāng)困難，取出閥芯后，觀察到閥籠內(nèi)孔打滿小孔位置周向360°有完整連續(xù)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(dǎo)致閥門啟閉過(guò)程中出現(xiàn)卡澀故障。為了找到閥芯和閥籠卡澀的具體原因，進(jìn)一步進(jìn)行分析。

2 閥籠、閥芯卡澀原因分析

2.1 零部件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)尺寸上看，閥芯與閥籠在自由狀態(tài)下是不會(huì)發(fā)生卡死現(xiàn)象的。

2.2 零部件實(shí)際尺寸測(cè)量

為測(cè)量閥籠內(nèi)孔尺寸，利用塞規(guī)對(duì)拆卸下來(lái)的閥籠內(nèi)孔進(jìn)行了檢驗(yàn)，通過(guò)零件尺寸檢查發(fā)現(xiàn)：

φ14.020 mm尺寸的塞規(guī)可以塞進(jìn)兩端的內(nèi)孔但無(wú)法穿過(guò)閥籠內(nèi)孔；

φ14.010 mm尺寸的塞規(guī)可以通過(guò)閥籠內(nèi)孔；

2.3 零部件熱膨脹分析

閥門長(zhǎng)期工作在高溫高壓的工況下，所以，閥體內(nèi)零部件在工作中存在熱膨脹的問(wèn)題[3]。

熱膨脹量計(jì)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(zhì)為304堆焊司太立合金，司太立材質(zhì)熱膨脹系數(shù)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(shí)最大外徑可達(dá)φ14.063 mm。

2)閥籠材質(zhì)為316，316膨脹系數(shù)為17.5×10-6/ ℃，最小內(nèi)徑為φ14.020 mm，膨脹量為0.0846 mm，閥籠在345 ℃時(shí)最小內(nèi)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(shí)只有0.020 mm(閥體與閥籠最小間隙為0.020 mm)，此時(shí)閥籠最小內(nèi)徑為φ14.040 mm；

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

2.4 零部件變形量分析

閥體、閥蓋、閥籠和閥座四個(gè)部件的設(shè)計(jì)尺寸，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)所有零件是上偏差的時(shí)候存在0.038 mm的過(guò)盈量，導(dǎo)致閥蓋接觸閥籠后無(wú)法與閥體中法蘭端面接觸，此時(shí)中法蘭上的四個(gè)螺栓的拉力全部由中法蘭密封墊片和閥籠來(lái)承受。

閥籠在設(shè)計(jì)中開(kāi)小孔位置壁厚比較小，更容易變形，對(duì)其受力變形情況進(jìn)行分析：當(dāng)閥籠承受螺栓壓緊力達(dá)到7000 N，尺寸變形如圖2所示；當(dāng)閥籠承受螺栓壓緊力達(dá)到11 000 N，其尺寸變形如圖3所示。

圖2 螺栓壓緊力7000N時(shí)尺寸變形圖

圖3 螺栓壓緊力11 000N時(shí)尺寸變形

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

閥籠開(kāi)小孔位置強(qiáng)度相對(duì)較弱，通過(guò)應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)開(kāi)小孔位置在受壓的情況下更容易變形，從而導(dǎo)致閥籠零件內(nèi)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(xiàn)見(jiàn)3.2章節(jié))，雖然其變形量小，但由于閥籠與閥芯實(shí)際配合間隙很小，微量變形的影響作用此時(shí)會(huì)被放大。

3 零件改進(jìn)方案

3.1 加大閥芯和閥籠的配合間隙

3.2 提高閥籠的強(qiáng)度

將開(kāi)小孔的位置外徑由原來(lái)的φ2 mm加大到φ2.5 mm；在保證最大流量的基礎(chǔ)上，將小孔數(shù)量由原來(lái)的32個(gè)φ1.5 mm的孔，減少到16個(gè)φ1.5 mm的孔。

閥籠進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化后，經(jīng)力學(xué)分析，最大變形量也相應(yīng)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(huì)造成閥芯導(dǎo)向作用降低，將閥芯密封面改用球面密封，如圖10所示。此設(shè)計(jì)，對(duì)閥芯的導(dǎo)向要求大大降低，而且密封面的研磨不需要閥籠進(jìn)行導(dǎo)向，直接將閥芯與閥座密封面進(jìn)行全角度研磨就可以；

3.4 取消導(dǎo)向面上的槽

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

3.5 改進(jìn)閥芯和閥桿的聯(lián)接方式

將閥芯內(nèi)孔直徑由原來(lái)的φ9 mm改為φ8.5 mm，溝槽直徑由原來(lái)的φ10 mm改為φ10.3 mm，彈簧尺寸不變。這樣設(shè)計(jì)，可使彈簧在受拉力的時(shí)候向外擴(kuò)張，而不會(huì)有向內(nèi)收縮的傾向，閥芯、閥桿改進(jìn)后的連接方式見(jiàn)圖4。

圖4 改進(jìn)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(fā)生卡澀情況，閥桿也不會(huì)與閥芯脫開(kāi)。

3.6 消除零件疊放導(dǎo)致的過(guò)盈配合

4 零件模擬實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

4.1 閥籠應(yīng)力變形試驗(yàn)

零件按上述改進(jìn)方案制作了樣件：

在常溫下，先對(duì)自由狀態(tài)下的閥籠進(jìn)行測(cè)量，用φ14.080 mm的塞規(guī)可以通過(guò)而且很流暢，φ14.085 mm的塞規(guī)不能通過(guò)，但可以塞進(jìn)閥籠的兩端；然后將閥籠和閥座安裝在閥體內(nèi)，用專用的閥蓋直接接觸閥籠壓緊，螺栓按預(yù)緊力矩?cái)Q緊，用φ14.080 mm的塞規(guī)進(jìn)行測(cè)量，可以通過(guò)但不流暢，φ14.085 mm可以塞進(jìn)閥籠上端孔。

結(jié)論：據(jù)此推斷閥籠在常溫環(huán)境中，在受螺栓壓緊力作用下，開(kāi)小孔位置有變形，但其變形比較小，在0.005 mm內(nèi)。

在高溫下，先將自由狀態(tài)的閥籠加熱到350 ℃保持3個(gè)小時(shí)，拿出來(lái)馬上用φ14.110 mm的塞規(guī)測(cè)量，很通暢地掉入閥籠內(nèi)；等冷卻后，將閥籠安裝到閥體內(nèi)受壓進(jìn)行加熱，350 ℃保持3個(gè)小時(shí)，拿出來(lái)用φ14.110 mm的塞規(guī)測(cè)可塞進(jìn)，開(kāi)小孔位置但有點(diǎn)受阻，換用φ14.100 mm測(cè)量很流暢地掉入閥籠。

結(jié)論：據(jù)此可以判斷在高溫環(huán)境下，閥籠開(kāi)小孔位置在受螺栓壓緊力作用下變形量在0.010 mm內(nèi)。

4.2 改進(jìn)方案試驗(yàn)

在常溫下，用內(nèi)孔為φ14.080 mm的閥籠進(jìn)行安裝試驗(yàn)，裝配好后進(jìn)行殼體耐壓、填料函密封、閥座密封和低壓氣密封等試驗(yàn)都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；

然后進(jìn)行2000次帶壓動(dòng)作試驗(yàn)，開(kāi)關(guān)無(wú)卡澀；

最后重新進(jìn)行殼體耐壓、填料函密封、閥座密封和低壓氣密封等試驗(yàn)，結(jié)果沒(méi)有變化。

在高溫下，用內(nèi)孔尺寸是φ14.080 mm的閥籠進(jìn)行安裝試驗(yàn)，對(duì)內(nèi)孔尺寸為φ14.080 mm的閥籠進(jìn)行了和常溫下一樣的試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

通過(guò)這兩組試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的方案可以滿足現(xiàn)場(chǎng)工況要求；改進(jìn)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(yùn)動(dòng)，閥門能有效地關(guān)閉和開(kāi)啟。

4.3 閥門密封性檢測(cè)試驗(yàn)

由于零部件相關(guān)尺寸調(diào)整后導(dǎo)向間隙增大，造成閥芯晃動(dòng)量增加，降低了色印線的驗(yàn)證精度，閥門有嚴(yán)格的密封要求，設(shè)計(jì)密封工裝，進(jìn)行閥芯、閥座密封性能高精度檢測(cè)。

圖5 密封檢測(cè)工裝裝配圖

5 失效原因總結(jié)

通過(guò)對(duì)零件的尺寸分析、尺寸測(cè)量、應(yīng)力分析及零件的模擬試驗(yàn)，卡澀原因?yàn)椋?/p>

1.在零件設(shè)計(jì)制造過(guò)程中沒(méi)有充分考慮到零件的熱膨脹變形，本身設(shè)計(jì)上閥籠與閥芯間隙的控制比較小，在高溫工況下，導(dǎo)致兩者實(shí)際間隙配合更小，甚至出現(xiàn)過(guò)盈配合的情況；

2.閥籠打小孔位置強(qiáng)度相對(duì)較弱，在受壓的情況下更容易變形，導(dǎo)致閥籠零件內(nèi)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(xiàn)因子急劇上升；兩者疊加導(dǎo)致閥芯與閥籠在結(jié)合面處卡澀，最終造成該類型氣動(dòng)截止閥出現(xiàn)卡澀故障，并由此導(dǎo)致閥門開(kāi)啟不到位，關(guān)閉不到位的內(nèi)漏甚至閥芯與閥桿脫開(kāi)的情況。

6 結(jié)束語(yǔ)

閥門零部件按照上述改進(jìn)方案進(jìn)行改進(jìn)后，未再次發(fā)生卡澀缺陷。氣動(dòng)截止閥在開(kāi)關(guān)過(guò)程中出現(xiàn)卡澀故障是電廠中較為常見(jiàn)的問(wèn)題之一，造成閥門卡澀的原因多種多樣；但當(dāng)某一類型或者某臺(tái)閥門多次出現(xiàn)共性卡澀問(wèn)題時(shí)，就需及時(shí)對(duì)比分析，查找原因并采取有效措施。

希望本文對(duì)電廠其他機(jī)組或其他電廠維修人員在消除與本文中閥門結(jié)構(gòu)相似的氣動(dòng)截止閥的卡澀故障時(shí)，具有一定的借鑒作用。