高中壓閥門廠家北高科集團(tuán)技術(shù)部整理，某核電廠按照預(yù)防性維修規(guī)劃，更換高壓安注高中壓球閥的兩側(cè)閥座，回裝后高中壓閥門空載和初次負(fù)荷試驗(yàn)都合格（高中壓閥門開啟時(shí)間< 10 s），但在大修結(jié)束運(yùn)行階段的定期邏輯試驗(yàn)中，高中壓閥門出現(xiàn)不能打開，嘗試多種干預(yù)手段（調(diào)整閥體法蘭間隙、出口法蘭加熱、銅棒敲擊等）失效后，按電站規(guī)定，機(jī)組被迫降功率進(jìn)人小修，并對故障高中壓閥門進(jìn)行解體檢查。

1、高中壓閥門及系統(tǒng)功能簡介

根據(jù)技術(shù)規(guī)格書規(guī)定，在發(fā)生主系統(tǒng)LOCA事件時(shí)，高壓安注高中壓球閥須在10 s內(nèi)全開以保證安注系統(tǒng)可用。所以該閥需要通過定期邏輯開關(guān)試驗(yàn)來驗(yàn)證高中壓閥門的功能，如高中壓閥門故障不能打開或開啟時(shí)間超過10 s,且8 h內(nèi)不能恢復(fù)，則機(jī)組必須降功率，并在24 h內(nèi)進(jìn)人冷態(tài)卸壓模式。故障閥是8寸600 磅級核3級三段式對接焊軟密封氣動(dòng)高中壓球閥。按設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)壓差4．2 MPa（進(jìn)口側(cè)）工況下，高中壓閥門的開啟力矩不超過 12傭N•mo氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為活塞式單作用氣缸，失氣彈簧開，由氣缸彈簧的回彈力驅(qū)動(dòng)打開高中壓閥門，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出初始開啟力矩為2070 N • m，行程末端開啟力矩1071N • m。維修手冊中明確高中壓閥門安裝時(shí)，閥座與球體之間必須使用推薦的潤滑脂KRYTOX GP 05。閥體兩側(cè)法蘭螺栓的預(yù)緊力矩要求為 171 N•m,在此預(yù)緊力矩下，可保證閥體兩端法蘭與閥體的安裝間隙為0。

2、高中壓球閥故障分析及處理情況

高中壓閥門解體從系統(tǒng)拆除前，力矩扳手手動(dòng)測試高中壓閥門開啟力矩大于20開N • m，遠(yuǎn)超出過設(shè)計(jì)值。同時(shí)測試氣缸彈簧輸出開啟力矩能達(dá)2000 N•m以上，其滿足設(shè)計(jì)要求，這樣就排除了氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)降級導(dǎo)致輸出力矩不足的可能。隨后系統(tǒng)卸壓解體高中壓閥門，閥前后連接不銹鋼管道內(nèi)部干凈，閥座和閥球表面涂抹了充足的潤滑脂，球體、閥座均完好，僅有輕微的接觸劃痕，沒有明顯腐蝕現(xiàn)象，其余部件也完好。鑒于本次大修中只更換了閥座，初步判斷，新舊閥座的備件差別是導(dǎo)致高中壓閥門啟動(dòng)扭矩增加，無法開啟的主要原因，后復(fù)用回裝了舊閥座（無缺陷），測試帶載高中壓閥門啟動(dòng)扭矩不到500 N • m，能快速打開，鎖定新閥座與舊閥座的尺寸差別即為本次高中壓閥門故障的最終原因。

3、新舊軟密封閥座對比差異

對新舊閥座進(jìn)行多方面檢測比較，發(fā)現(xiàn)新舊閥座的材料、摩擦因數(shù)、彈性模量、大部分尺寸等相差不大，主要差異有以下幾點(diǎn)

（1） 閥座內(nèi)曲面半徑R存在較大差別，舊閥座R為125 mm, 新閥座R為121 mm，相差4mm

（2） 在受相同閥球正壓力的情況下，新閥座的軸向變形量明顯小于舊閥座，即新閥座的軸向剛度明顯大于舊閥座。這與內(nèi)曲面半徑不同有較大關(guān)系，因?yàn)閮?nèi)曲面半徑的減少，會(huì)導(dǎo)致閥座內(nèi)圈伸出法蘭內(nèi)徑的懸臂梁部分的厚度增大，閥座的抗彎截面系數(shù)相應(yīng)增大。

（3） 有潤滑劑條件下，高中壓閥門的啟動(dòng)扭矩明顯小于無潤滑劑狀態(tài)，但在有潤滑脂的情況下，啟動(dòng)扭矩的值有明顯的時(shí)間效應(yīng)，試驗(yàn)初期的啟動(dòng)扭矩很小，扭矩隨著靜止時(shí)間的增加逐漸增大，最終會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相對穩(wěn)定的啟動(dòng)扭矩值，這與實(shí)際故障情況相符。

4、高中壓閥門力學(xué)模型分析

根據(jù)高中壓閥門結(jié)構(gòu)形式，建立受力分析圖（圖D，含義見表1。高中壓閥門結(jié)構(gòu)完全對稱在垂直方向受力互相抵消，力學(xué)分析模型只考慮水平方向的載荷。左右閥座采用同批次備件尺寸相同。安裝后法蘭與閥體為緊密配合，61，62即為安裝后左右閥座的實(shí)際軸向壓縮量。同一閥座,d3的值會(huì)隨著壓力N卜3（等于櫞D的增大而增大，其增大值與閥座的內(nèi)曲面半徑和剛度有關(guān)。加載后，如進(jìn)口閥座與閥球未脫離，庳介的值等于萬/4）2，其值為常數(shù)，如進(jìn)口閥座與閥球脫開，N介的值等于椒丌（4）2，其值隨d3變化.

高壓安注高中壓球閥結(jié)構(gòu)為浮動(dòng)式高中壓球閥，在關(guān)閉狀態(tài)進(jìn)口側(cè)加壓的情況下，球體是否與左閥座脫開，對高中壓閥門的受力分析計(jì)算有很大影響，所以判斷球體與左閥座是否脫離非常關(guān)鍵。在介質(zhì)加壓下，球體與左閥座是否脫離，與高中壓閥門的預(yù)緊間隙52和閥座在球體軸向壓力下的變形曲線有關(guān)，閥座在球體壓力下的變形結(jié)構(gòu)簡圖如圖2，相當(dāng)于一個(gè)懸臂梁的端部受壓后的彎曲變形，由于閥座為非金屬材料，閥座與閥球相互作用力的分布面積會(huì)隨力的增大而增大，力臂b的有效值則漸小，且閥座也不是完全的線彈性材料，所以閥座的軸向變形率會(huì)隨力的增大而變小，并不是單純懸臂梁模型的線性關(guān)系。

4、判斷在介質(zhì)加載后球體與左閥座是否脫離的公式

如球體與左閥座完全脫離，介質(zhì)對球體的作用力N介： 32/4，此力作用在右閥座上，右閥座的產(chǎn)生的變形量為如63 5 2=囫：，表明球體與左閥座未脫開；如=囫： ，則表明球體與左閥座脫開。

4.2、介質(zhì)加載后球體與左閥座未脫離情況下的計(jì)算分析

（1）、介質(zhì)未加載前。高中壓閥門在安裝預(yù)緊間隙下，設(shè)球體受左右閥座的正壓力分別為N2一為1，弘1 0 1 安裝后左閥座的實(shí)際軸向壓縮量，為安裝后右閥座的實(shí)際軸向壓縮量，因?yàn)?，左右閥座性能尺寸相同，所以《：《球體兩側(cè)的總預(yù)緊壓力為N2一汁咗1。 《（櫞D的值可通過該批次的閥座受力變形曲線來確定。 （2）、介質(zhì)壓力加載后。假設(shè)此時(shí)球體受左右閥座的正壓力為 六N，介質(zhì)對閥球的有效作用力為N介'，如閥座的變形曲線為線性，則N2一[ '：N2司介'/2，蘇《'：汁介'/2。球體兩側(cè)的總預(yù)緊壓力[ '+N2一在N2一汁咗1，表明如閥座的軸向變形是線性的，介質(zhì)加載后總預(yù)緊壓力不變。實(shí)際上閥座的變形是非線性的，此時(shí) '為：一介'/2+A，3：啊+庳介' /2 +ANO實(shí)際球體兩側(cè)總的預(yù)緊壓力1 ' '：汁櫞汁2A如右閥座為剛性體， 2AN為最大值，此時(shí)2厶№庳介'。表明油于閥座的軸向變形是非線性的，介質(zhì)加載后總預(yù)緊壓力會(huì)比初始安裝預(yù)緊力增加2厶N(yùn), 2A由閥座非線性變形協(xié)調(diào)引起，其值在0（線性）和庳介'（剛性）之間，只要確定N的曲線，即可推算出較為正確的A值。其中 ' 介 等于介質(zhì)對球體的直接作用力庳介加上介質(zhì)對左閥座的作用力傳遞給球體的分量，計(jì)算公式介'介+0•5一）/4： 2/4 •5×P“（2一2）/4。

4.3、加載后球體與左閥座脫離情況下的計(jì)算分析

此情況下，左閥座對球體的正壓力為0．右閥座對球體的作用力即為介質(zhì)對球體的作用力N介，介：仃a32/4，此值即為閥座對球體的總預(yù)緊力。

5、新舊閥座的啟動(dòng)扭矩值計(jì)算

5.1、新舊閥座的相關(guān)計(jì)算參數(shù)

新舊閥座安裝后的總預(yù)緊間隙根據(jù)閥座、球體、閥體尺寸（圖3）計(jì)算得出。由于舊閥座存在變形殘留，為便于計(jì)算比較，參考了設(shè)計(jì)值，總預(yù)緊間隙統(tǒng)一取中間值1.6 mm, 即6 2）取0，8 mmo其余計(jì)算參數(shù)，介質(zhì)壓力取系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力 4，2 MP，法蘭與閥座的接觸內(nèi)徑d2根據(jù)舊閥座的接觸痕跡線測量 取174 mmo

5.2、計(jì)算用（閥座正壓力與軸向變形）的相關(guān)數(shù)據(jù)及曲線圖預(yù)緊力（N）和位移

5.3、判斷安裝新舊閥座時(shí)

系統(tǒng)加載后球體與左閥座是否脫開圖3閥座幾何尺寸根據(jù)計(jì)算參數(shù)和圖表，舊閥座的63為1.2 mm，新閥座的為0•82 mmo由4」的公表2位移一預(yù)緊力有限元計(jì)算數(shù)據(jù)位移/ ] 預(yù)緊力 NC舊閥座長時(shí)壓縮） 預(yù)緊力N（新閥座長時(shí)壓縮 ）式判斷出，在安裝新或舊閥座時(shí)，系統(tǒng)加載后高中壓閥門的球體均未與左閥座脫開。

5.4、新、舊閥座受力及啟動(dòng)扭矩計(jì)算

根據(jù)有限元分析結(jié)合N-ö曲線數(shù)據(jù)分別計(jì)算舊閥座和新閥座的啟動(dòng)扭矩結(jié)果見表3和表4，從中可以看出，無論新舊閥座，在無潤滑狀態(tài)下的操作扭矩均遠(yuǎn)大于有潤滑狀態(tài)下的操作扭矩值。同時(shí)由于新舊閥座內(nèi)曲面半徑R的變化，直接導(dǎo)致了高中壓閥門的操作扭矩發(fā)生了明顯的不同，新閥座明顯大于舊閥座。

6、結(jié)論

新閥座由于軸向變形剛度明顯比舊閥座大，導(dǎo)致在相同的預(yù)緊間隙下高中壓閥門的預(yù)緊啟動(dòng)扭矩和介質(zhì)加載后的啟動(dòng)扭矩大幅增加，在高中壓閥門剛安裝后啟動(dòng)扭矩已接近臨界值，造成了高中壓閥門無法打開的故障。

閥座的內(nèi)曲面半徑是閥座軸向剛度的關(guān)鍵影響因素，內(nèi)曲面半徑越小，剛度越大，在相同預(yù)緊間隙下的預(yù)緊力也越大。

有潤滑劑的條件下，高中壓閥門的啟動(dòng)扭矩存在明顯的時(shí)間效應(yīng)，試驗(yàn)初期的啟動(dòng)扭矩很小，隨著靜止時(shí)間的增加扭矩逐漸增大，最終會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相對穩(wěn)定的啟動(dòng)扭矩值。

7、后續(xù)處理建議

閥座采購驗(yàn)收時(shí)，首先應(yīng)嚴(yán)格控制內(nèi)曲面半徑，并確定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。同一批次數(shù)量應(yīng)多一些，并通過計(jì)算和試驗(yàn)確定該批閥座的N曲線，新閥座的軸向剛度曲線應(yīng)優(yōu)于舊閥座。通過建立模擬工況裝置，對采購的閥座按一定比例進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn)，以確保高中壓閥門的核安全功能完整和電廠的經(jīng)濟(jì)效益。