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摘要：截止阀是核电站的常用设备，是输送和切断流体介质的重要组件。密封面是阀门最重要的工作面，承担了阀门的启闭工作。密封面的失效将导致截止阀的泄漏，最终丧失使用功能。本文以某核电厂失效截止阀为研究对象，综合分析了失效截止阀的使用工况、阀体和阀瓣的密封面形貌特征，确认了气蚀为导致截止阀失效的直接原因。进一步地，分析了气蚀产生的原因，并从阀门材质、密封试验关注点、现场使用注意事项等几方面，给出了防止截止阀气蚀的主要措施。对截止阀的制造、试验、使用有一定参考作用。
关键词：截止阀；失效；气蚀；预防措施
Cause Analysis and Prevention of Globe Valve Failure
Abstract: The globe valve is the common equipment for nuclear power plants and it is an important component to transport and cut off the fluid. The sealing surface is the most important working surface of the globe valve, and it undertakes the opening and closing work. The failure of the sealing surface will cause the leakage of the globe valve, and eventually the globe valve will lose the using function. In this paper, the failure globe valves of a nuclear power plant are researched. The working conditions of the globe valves, the sealing surface morphology of the valve body and the valve disc are comprehensively analyzed, and the direct cause of the failure of the globe valves is confirmed as cavitation. Furthermore, the causes of cavitation are analyzed, and the main measures to prevent cavitation are presented from the aspects of material, valve test and use. This paper has a certain reference function for the test, manufacture and use of the globe valve.
Keywords: globe valve; failure; cavitation; prevention
1.概述
1.1 背景介绍
截止阀作为输送和切断流体介质组件，是核电站的常用设备。密封面具有阀门“心脏”之称，是阀门最重要的工作面[1]，承担了阀门的启闭工作。密封面的失效将导致截止阀的泄漏，最终丧失使用功能。导致截止阀密封面失效的原因有多种，如制造工艺原因引起的密封不严、阀门材质选用不当或材质不合格造成的材质腐蚀脱落、气蚀和冲蚀导致的壁面材质过度流失等。某核电项目机组现场大修发现24 台截止阀内腔严重脱落，阀瓣密封面存在类似腐蚀和蜂窝状、麻点状凹坑，密封面的失效导致截止阀不能满足正常工作需要，须紧急更换。失效阀门的阀体和阀瓣形貌如图1、图2所示。
2.失效原因分析
核查失效截止阀的阀体、阀瓣材质报告、焊接工艺评定报告、焊接记录单、焊后热处理报告、焊工技能评定报告、性能试验记录、电动阀门动作实验记录等均满足技术规格书要求。本文重点从截止阀的使用角度，结合阀门使用情况、阀门失效形貌，分析失效原因。
2.1截止阀使用情况分析
过流部件往往同时经受腐蚀和气蚀, 以及流体中的固体粒子的复合作用, 而腐蚀与固体粒子的作用进一步促进了气蚀的产生[2]。初步分析可以发现，截止阀内腔以及阀门材料存在严重材质脱落现象，截止阀使用时，考虑两种会导致如此大范围的材料脱落的原因：（1）流体介质与阀门材料长时间接触，产生化学腐蚀；（2）介质中气泡溃灭产生气蚀。根据截止阀的结构特征，阀瓣密封面以下部位与介质接触时间最长，如果是介质的化学腐蚀作用导致的失效，阀瓣底部应是腐蚀最严重的区域。但实际阀瓣底部形貌如图3所示，阀瓣底部钢印清晰可见，未见明显腐蚀。据此可基本排除介质化学腐蚀产生密封面失效的可能性。
失效截止阀的工作介质为高温高压的气、水混合物。介质中的气泡在压力变化区域极易发生溃灭。当气泡溃灭位置靠近壁面时，瞬时破灭产生冲击力, 冲击力反复作用于材料表面, 使材料表面呈蜂窝状、麻点状、海绵状的磨损痕迹[2]，失效阀门阀瓣形貌如图2所示，满足气蚀特征。失效截止阀2-3个动作一次，正常为关闭状态，如果是正常使用下产生的气蚀，阀瓣底部的气蚀应较为严重，但实际阀瓣密封面处材料流失最为严重。
图3：失效截止阀阀瓣底部形貌
综上分析，截止阀密封面的失效应为非正常使用下的气蚀原因产生。根据截止阀失效情况，结合气蚀产生过程，可以得出：介质在密封面处流速瞬时增大, 造成局部压力降低到水的饱和蒸汽压力, 水汽化生成大量气泡或溶解的气泡从液体中逸出, 气泡随水流向前运动, 到达高压区, 迅速凝结, 溃灭[2]。瞬时溃灭发生在固体表面附近时,局部压力可达到几十甚至几百兆帕，在高频, 高压脉冲作用下, 阀门表面因塑性变形和加工硬化而产生疲劳, 性能变脆, 很快就会发生裂纹, 剥落。
2.2 失效截止阀的形貌分析
分析失效截止阀的阀瓣，主要有两种典型的形貌特征，如图4和图5所示。图4所示截止阀阀瓣密封面为局部剥落，其他密封区域未见明显损伤。图5所示截止阀阀瓣密封面为环状均匀剥落。
图4所示的失效阀瓣形貌在失效阀门中占比较小（2个）。此种局部材料剥落较为严重的原因，可能有以下两种：（1）阀门制造过程中的加工问题造成阀门局部密封不严，导致在阀门关闭时存在局部泄漏，进而产生局部气蚀，形成图4形貌；（2）阀门在使用过程中，异物等造成密封面损伤，导致局部密封失效。
图5所示的失效阀瓣形貌特性在失效阀门中占据了绝大多数（22个）。密封面均匀剥落的原因有以下两种：（1）阀瓣长期处于半开或微开的状态，管道内的介质在密封面附件形成紊流区，压力急剧变化，流体中产生了大量气泡，溃灭加剧，不断冲击对密封面和阀门内腔，造成材料的流失；（2）阀门操作力矩设置不当，过大的力矩导致密封面的损伤，密封失效。阀门泄漏，密封面区域气蚀加剧，导致了壁面材料的进一步流失。
图4：失效截止阀阀密封面形貌1图5：失效截止阀阀密封面形貌2
2.3 失效原因总结
失效截止阀在使用过程中处于半开、微开的状态，以及过大力矩导致密封面整体损伤，此时气蚀对阀门的影响会大大加剧。同时也不排除，密封面在制造或者使用过程中，导致局部损伤或者密封不严，进而导致阀门泄漏，密封面气蚀加剧的可能性。在截止阀泄漏位置，介质中的气泡因流体压力的变化，以及拉、 压变形而破灭, 产生冲击波强度增加, 气蚀率增大。
开始气蚀区域主要集中在阀瓣和阀体密封面处，随着阀门泄漏量的增加，阀体内将逐渐充满介质，气蚀范围进一步扩大至阀体部分，尤其在靠近密封面的位置最为明显，如图6所示。气蚀导致了阀门本体材料的流失，当脱落的金属材料不能及时排出时，在密封泄漏区将形成高速的气——液——固三相流，进一步加剧冲蚀磨损[3]。同时，密封面泄漏过程中也可能产生水射流，直接冲击壁面，导致壁面材料流失。如图7所示的阀瓣密封面以上部分的腐蚀形貌，即可能为气泡溃灭空蚀以及水射流冲蚀双重作用产生的结果。
图6：失效截止阀阀体密封面腐蚀形貌图7：失效截止阀阀瓣密封面以上部分腐蚀形貌
3.预防措施
3.1材料控制
许多经验表明，为使钢种具有耐气蚀性，钢应具有高的强度、硬度以及良好韧性与耐疲劳性的配合。阀体密封面堆焊了STL.6硬质合金钢，抗气蚀能力明显增强。如图8所示，阀体密封面的腐蚀较轻，仍可见明显的金属光泽，而阀体密封面附件的阀体本体材料大量流失，形成明显的环状凹坑。可以通过选择耐气蚀钢，提高抗气蚀能力。
硬度是固体对外界物体入侵的局部抵抗能力的体现，对同一组成分和结构相似的合金,气蚀抗力是硬度的函数[2]，提高硬度可以一定程度上减小气蚀对阀门的使用影响。因此，对于特定的材质，可以对容易产生气蚀的部位进行硬化处理，以提高抗气蚀能力。
图8 阀体密封面区域腐蚀形貌图
此外，需要对截止阀密封面的硬度差进行控制，一般要求阀瓣密封面比阀体密封面高HRC5。失效截止阀的阀体、阀瓣的堆焊材料均为STL.6，硬度差较难控制，易产生咬死现象，当阀门操作力矩不当时，问题将更加突出。
3.2 试验及使用注意事项
从气蚀产生的原因分析可以得出，制造过程产生的问题不能完全排除。密封性试验为截止阀的常见试验项目，试验时应保证阀门在规定扭矩下关闭至设计位置，确保在整个保压过程中压力表未出现压降。这样在一定程度上可以验证，截止阀满足设计及使用要求。
在现场使用时，应重点关注阀门启闭状态，避免在微开或半开状态下停留过长时间，减小过量气蚀产生的可能。此外，应确保阀门在规定扭矩下启闭，避免不当力矩造成的密封面损伤，导致密封失效。
4.总结
本文以某核电厂失效截止阀为研究对象，综合分析了失效截止阀的使用工况、阀体和阀瓣的密封面形貌特征，确认了气蚀为导致截止阀失效的直接原因，进一步分析得出了如下气蚀产生的原因：
（1）阀门长期处于半开或微开状态，导致密封面的均匀气蚀。
（2）阀门操作力矩过大，导致密封面损坏，引起阀门泄漏，气蚀加剧，形成较为均为的气蚀形貌。
（3）阀门制造原因导致的局部密封不严，引起密封面的局部气蚀。
（4）阀门使用过程中导致的局部密封面破坏，进而导致密封面的局部气蚀。
从阀门材质、试验及使用注意事项等几方面，给出了预防截止阀气蚀的主要措施。对截止阀的制造、试验、使用有一定参考作用。
参考文献:
[1] 杨文军, 杨永良. 阀门钴基合金密封面堆焊工艺的分析与研究[J]. 阀门, 2014(5).
[2] 李慧玲, 王飚. 气蚀磨蚀机理的探讨[J]. 昆明理工大学学报(自然科学版), 2000, 25(5):94-98.
[3] 郑智剑. 煤化工严苛工况阀门多相流冲蚀磨损—气蚀机理及预测方法研究[D]. 浙江理工大学, 2017.
作者简介：蔡鹏鹏（1990-12），男，汉族，籍贯：江苏省南通市，当前职务：机械质量管理助理工程师，当前职称：助理工程师，学历：研究生，研究方向：核电设备质量监督技术
论文作者:蔡鹏鹏,刘红伟,张欣
论文发表刊物:《电力设备》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/18
标签：气蚀论文; 截止阀论文; 阀门论文; 形貌论文; 阀体论文; 介质论文; 局部论文; 《电力设备》2019年第9期论文;