（福建宁德核电有限公司电厂 福建福鼎 355200）
摘要：针对大口径蝶阀开启卡涩故障，从阀门结构上对故障进行分析，辅以理论计算为证明，确定阀门故障的根本原因和促成因素，并提出相应的解决方案。
关键词：核安全；大口径；蝶阀；卡涩
ND核电厂是中国核电大发展新建项目之一，规划总容量6台百万千瓦级，采用CPR1000技术路线， 1、2号机组已分别于2013年4月15日、2014年5月4日投产。 从机组调试开始，该核电厂已出现一系列的阀门缺陷，尤其是各核电厂共性的或对核安全产生较大影响的缺陷还是值得生产厂家和设备维护部门继续深入研究探讨。
1 案例描述
1.1 故障描述
2012年10月3日执行N-OP-T-1-RPA-032试验，1RRI035VN阀门开启时卡住不动作， 1RRI036VN情况类似；
2012年10月14日对整阀更换过的1RRI035VN（借用3号机）常闭状态下再验证试验，阀门不能开启。
1.2 故障影响
EAS系统作为专设安全系统，事故工况下，安全壳内温度、压力升高时，该系统可启动喷淋，将安全壳内温度、压力降低至可接受的水平，保证第三道安全屏障的完整性。RRI035/036VN作为EAS001/002RF换热器冷却水出口隔离阀，该阀无法打开将导致EAS001/002RF不可用，EAS系统进入地坑取水循环阶段后，EAS系统热量无法导出，从而导致喷淋系统不可用。
2 故障分析
2.1 结构分析
RRI035/036VN为对夹式气动蝶阀,阀门型号：600H3D6G71X-16C，公称通径：DN600mm，公称压力：PN16，失气开阀门，阀门开启时间≤120S。
阀门由衬胶对夹式蝶阀及其气动装置组成。衬胶对夹式蝶阀由阀体、碟版、阀座、阀轴等组成，通过碟版与橡胶阀座的过盈来实现阀门的密封。气动装置为拨叉式单作用气缸，气缸侧进气，活塞推动拨叉旋转，输出力矩关阀，并压缩弹簧储能，气缸侧停止进气，弹簧复位，推动活塞，带动拨叉旋转，输出力矩开阀。结构见下图1、2。
阀门出现卡涩超时的原因一般有两方面因素：
气动装置输出力矩偏小；影响气动装置扭矩变化的因素不多，主要是弹簧力；若弹簧力设计裕度不够，将导致弹簧力偏小，阀门无法打开。
阀门本体操作扭矩较大。
影响阀门本体操作扭矩的因素主要是：
蝶板与橡胶阀座的密封过盈量；
对于软密封阀门，长期无相对运动，其结合面会形成一定的结合力，在动作几次后这种结合力会显著减小；
图1 阀门结构简图
Fig.1 The valve structure diagram
图2气动装置结构图
Fig.2 Pneumatic device structure diagram
此阀为上下阀轴结构，阀门在双泵启动高压差下，阀瓣产生位移，上、下阀轴产生偏斜且转动不同步，加大阀门操作扭矩。
基于以上分析，结合阀门出现无法开启的故障现象、检修历史情况，初步分析阀门卡涩的原因见表1：
2.2理论计算分析
蝶阀的阀杆力矩：MD=Mm+Mc+Mt+Mj+Md
式中，Mm为关闭时密封面间摩擦力矩，Mc为阀杆轴承间的摩擦力矩，Mt为O型圈摩擦力矩，Mj为静水力矩，当阀杆垂直安装时为0，Md为动水力矩。
阀门操作扭矩由以上各因素组成，由于蝶阀的结构特点和动水力矩的特点，阀门在关位开启的力矩及开启、关闭过程中的力矩并不相同。
关闭位置开启初始：MDoc=Mm+Mc+Mt+Mj+ Md
开启过程：MDo=Mc+Mt+Mj+ Md
关闭过程：MDc=Mc+Mt+Mj- Md
上述公式中各力矩值计算如下：
Mm=4Qm*Bm*Fm*R2；式中，密封面必须比压QM,对应中等硬度橡胶QM=（0.4+0.6P）/√(Bm/10)，Bm密封面接触宽度（设计选定为7mm），P为设计压差1.2Mpa，Fm为密封面间的摩擦因数(橡胶取0.8) ，R为阀瓣的密封半径（DN600蝶阀设计选定为294mm）。故Mm=4Qm*Bm*Fm*R2=4*1.34*7*0.8*2942=2592N•m
MC=(∏D2*Ds/8)Fc*△P；式中D为阀瓣的密封直径（DN600蝶阀设计选定为588mm），Ds为阀轴直径（设计选定为70mm），△P为阀瓣前后压差（关闭状态为设计压差1.2Mpa），Fc为阀轴与轴承间的静态摩擦因数，（对于自润滑轴承取最大值fc=0.15）。
全开位置：Mc与阀瓣前后压差成正比，在全开位置接近0。
关闭位置：Mc=(∏D2*Ds/8)Fc*△P =(3.14×5882×70/8)×0.15× 1.2/1000=1709.9N•m
Mj为静水力矩，当阀杆垂直安装时为0。
Mt 为O型圈摩擦力矩，因密封O型圈长度短，密封过盈由轴承限定，摩擦力较小，忽略O型圈摩擦力。
Md在关闭位置开启初始时为0；并经过厂家试验验证动水力矩Md在阀门动作过程中最大值400 N•m。
根据上述计算，动水力矩Md远小于关闭时密封面间摩擦力矩Mm；所以根据计算公式，阀门在全关位置时操作扭矩最大，MDoc =4301.9N•m。
根据厂家图纸和计算书，阀门在全关位置气缸的弹簧输出扭矩为5000 N•m，比起全关位置阀门的操作扭矩4301.9N•m，安全系数只有1.16。
经过以上故障分析和理论计算，RRI035/036VN卡涩的根本原因：气缸的弹簧力设计裕度不够，弹簧力偏小导致阀门无法开启；促成因素：此阀为上下阀轴结构，阀门在双泵启动高压差下，阀瓣产生位移，上、下阀轴产生偏斜且转动不同步，加大阀门操作扭矩。
3 解决问题的对策
3.1 临时措施
通过对RRI035/036VN阀门上的供气铜管进行改造，同时更换通气性能更好的电磁阀。将阀门开启过程中电磁阀中排出的气接到弹簧缸一侧，增加弹簧作用时的输出力矩。经过试验验证，在双泵运行的条件下，开阀时间22s，关阀时间11s，满足要求。
3.2 改造方案
1）增大活塞缸直径，缸径由原来的Φ350增大至Φ450，提高气缸输出扭矩；同时，气缸弹簧由单簧改为内外组合弹簧模式，以提高弹簧在关位置所能提供的扭矩。
经制造厂内试验，气缸改进后力矩值明显增大，开启最大力矩增大1.4倍，达到7550N•m，设计安全系数达到1.75，设计改进后，可以避免阀门因紊流、振动、轴承磨损等原因导致的卡阻。
2）上下阀轴增加拉杆机构，减小阀轴在承压后可能偏移的趋势，加大阀门的连接刚度，从而减小阀轴与蝶阀之间的摩擦力矩，降低阀门的操作扭矩。
结束语
现阶段，我们面临着核电设备的大面积国产化，核电阀门的国产化更加高于其他设备，很多阀门产品甚至部分国外产品还未得到核电运行机组长期的验证。厂家由于对于系统工况的不熟悉，在设计上不能完全考虑到现场的实际工况，导致设备应用到现场时不能与现场实际工况完全匹配。这就要求设备制造商要深入了解核电现场工况，设计上考虑全面，才能避免现场故障的发生。
参考文献
[1] 陆培文.实用阀门设计手册，2007.9
[2] 秦大同，谢里阳.现代机械设计手册，2011.1
论文作者:李振海,姜玉双
论文发表刊物:《电力设备》2016年第5期
论文发表时间:2016/6/17
标签：阀门论文; 力矩论文; 扭矩论文; 弹簧论文; 气缸论文; 蝶阀论文; 摩擦论文; 《电力设备》2016年第5期论文;