核電站核島蝶閥選用與安裝方向

王志強

作者通聯：中國核電工程有限公司鄭州分公司核電工藝設計所 鄭州市中原東路96號 450052 E-mail：w.zhiqiang2003@163.com

一、不同類型蝶閥的結構特征與密封原理

蝶閥在管道上起切斷和節流作用，蝶閥啟閉件是一個圓盤形的蝶板，在閥體內繞其自身的軸線旋轉，從而達到啟閉或調節管道通流截面大小的目的。傳統上的蝶閥只能用于常溫、低壓和密封性要求不高的場合。隨著新工藝技術和材料工業的不斷發展，蝶閥幾乎可以取代大部分的傳統閥門，廣泛用于工業的各個領域。根據蝶閥的結構特征，可分為中心、單偏心、雙偏心和三偏心，其中新開發出來的三偏心蝶閥以其獨特的優勢，目前在歐美先進發達工業國家正在大力推廣和使用。

1.中心蝶閥

中心蝶閥的結構特征為閥桿軸心、蝶板中心、本體中心在同一位置上。結構簡單、制造方便。但由于閥門開啟、關閉時蝶板與閥座始終處于擠壓、刮擦狀態，啟閉扭矩大、磨損快。為克服擠壓、刮擦、保證密封性能，閥座基本上采用橡膠或聚四氟乙烯等彈性材料，因而在使用上受到溫度的限制，使用溫度一般≤120℃。中心蝶閥的關閉是靠金屬蝶板邊緣擠壓橡膠密封閥座，從而使閥座中間的橡膠隆起，來實現密封的，故閥門在高壓下容易內漏。由于其前后結構對稱，因此中心蝶閥通常可以雙向使用。

2.單偏心蝶閥

為解決中心蝶閥蝶板與閥座的擠壓問題，由此產生了單偏心蝶閥，其結構特征為閥桿軸心偏離了蝶板中心，從而使蝶板上下端不再成為回轉軸心，分散、減輕了蝶板上下端與閥座的過度擠壓，因此啟閉所需的扭矩較中心蝶閥小。但由于單偏心構造在閥門的整個開關過程中，蝶板與閥座的刮擦現象并未消失，應用不多。

單偏心蝶閥的回轉中心位于閥體的中心線上，閥板相對于密封截面偏離一個距離，因此適合軟密封。閥門關閉時，閥座與閥板密封面處在相對過盈的接觸狀態，要達到密封主要是靠壓緊密封圈，使其在周邊方向上膨脹，產生的密封力超過流體介質作用在閥板上的力達到密封，因此這類閥門推薦單向使用。

3.雙偏心蝶閥

圖1 三偏心蝶閥結構示意圖

在單偏心蝶閥的基礎上進一步改良成型的就是目前應用最廣泛的雙偏心蝶閥，其結構特征為閥桿軸心既偏離蝶板中心也偏離本體中心。第二次偏心即閥軸將蝶板分隔成一邊多一邊少的兩部分，這種偏心可使蝶板在開啟關閉過程中能迅速脫離閥座，大幅度地消除了蝶板與閥座不必要的擠壓、刮擦現象，減輕了開啟阻力距，磨損降低而閥座壽命提高。刮擦的大幅度降低，還使得雙偏心蝶閥可以采用金屬閥座，拓展了蝶閥在高溫領域的應用。

雙偏心蝶閥密封原理類似于單偏心蝶閥，屬位置密封構造、即蝶板與閥座的密封面為線接觸、通過蝶板擠壓閥座所造成的彈性變形產生密封效果，故對關閉位置要求很高（特別是金屬閥座），承壓能力低，推薦單向使用。

4.三偏心蝶閥

三偏心蝶閥是在雙偏心的閥桿軸心位置偏心的同時，使蝶板密封面的圓錐型軸線偏斜于本體圓柱軸線，見圖1。閥門關閉時閥板由于偏心緣故往前推，閥板和閥座在關閉過程中不產生摩擦，閥板直接壓在閥座上，保證了閥門的使用壽命。

經過第三次偏心后，蝶板的密封斷面不再是真圓，而是橢圓，其密封面形狀也因此而不對稱，一邊傾斜于本體中心線，另一邊則平行于本體中心線。第三次偏心的最大特點就是從根本上改變了密封構造，不再是位置密封，而是扭力密封，不依靠閥座的彈性變形而是依靠閥座的接觸面壓來達到密封效果。因此，解決了金屬閥座零泄漏這一難題，并因接觸面壓與介質壓力是成正比的，耐高壓高溫問題也迎刃而解。

根據上述偏心蝶閥的結構特征可以看出，偏心蝶閥是靠偏心擠壓和壓緊來實現密封的，適合單向密封。在蝶板后（即有閥桿軸的一側）加壓時，水壓增大了蝶板的關緊力；在蝶板前（即無閥桿軸的一側）加壓時，水壓減弱了蝶板的關緊力。因此，蝶板關閉后，蝶板后的承壓能力要遠遠大于蝶板前的承壓能力。近年來，隨著技術的進步，部分廠家已開發雙向密封的偏心蝶閥，所謂的雙向密封也是指反向密封的承壓能力提高而已，但仍然不及正向承壓能力，且成本較高。因此，偏心蝶閥推薦單向使用，在反向密封要求不嚴格時，可雙向使用。

二、核島蝶閥的選用

海南昌江核電廠1、2號機組（以下簡稱機組） 核島共使用700 臺蝶閥，所選蝶閥的設計壓力一般≤150Lb（磅/英寸2，約1.03MPa），設計溫度≤120℃，公稱通徑80～600mm。考慮到偏心蝶閥優良的性能及經濟性，應業主要求，機組核島和常規島均使用雙偏心蝶閥，核島蝶閥由江蘇神通閥門有限公司供貨，為單向承壓偏心蝶閥，反向密封的承壓能力僅為正向密封承壓能力的60%，因此，這類閥門需單向密封。

機組的安全殼隔離閥是防止事故工況下安全殼內的放射性氣體外逸設置的一類閥門，該閥門密封性要求比較高，壓力溫度也更高，啟閉扭矩小，啟閉時間短，因此選用了江蘇神通的單向密封的三偏心蝶閥。

考慮到系統中有些蝶閥關閉時需要雙向承壓，且反向壓力能達到正向壓力值，這類蝶閥如果選用偏心蝶閥，就需要設計壓力低于蝶閥的反向壓力，即蝶閥的承壓能力需大大提高，會增加成本。因此，這類壓力、溫度均不高的蝶閥，可以選用雙向承壓的中心蝶閥，但需增加易耗品的備件。

三、核島所用蝶閥的承壓方向

根據機組系統流程圖分析，核島所用蝶閥的承壓方向有雙向承壓和單向承壓兩種，單向承壓又有正向承壓及反向承壓之分。

1.單向承壓

正常情況下，流體是在壓力的作用下從管道的上游流向下游，閥門關閉情況，閥門的承壓方向和介質流向一致，此種情況為閥門的承壓方向為正向承壓。但核島中也有相反的情況，閥門關閉狀況下，承壓方向為介質流向的反向，就是反向承壓。核島中蝶閥反向承壓的情況主要有以下幾種。

（1）并聯動力設備的出口管線。核電站常用的動力設備是離心泵，泵的運轉會在出口管線上產生較大的壓頭。考慮到在不停堆情況泵的檢修，多數情況下核電站泵的設計均為一用一備，或泵所在的工序為一用一備，兩臺泵并聯設計，出口管線最后合并為一條管線，在合并前的泵出口管線上有時會安裝有蝶閥，見圖2。當泵A 運行泵B 停運時，蝶閥A 出于開啟狀態，蝶閥B 出于關閉狀態，泵A的出口壓力通過流體介質作用到蝶閥B的下游，使得蝶閥B 承受很大的反向壓力。同理，當泵B 運行泵A 停運時，蝶閥A 也承受很大的反向壓力。這種情況在核電站核輔助系統、專設安全系統中經常出現，如輔助給水系統（ASG）。類似情況也可以延伸到其他動力設備，如離心風機，并聯風機的出口管線上的蝶閥也會產生很大的反向壓力，如并聯風機的出口管線上的蝶閥。

（2）非動力設備的并聯管線。核電站一些非動力設備也存在檢修，在保持系統正常運行的情況下，對這些非動力設備也需要有備用的工序，因此也需要一用一備，如換熱器、過濾器、除鹽器。兩臺換熱器一用一備（圖3），并聯的兩個系列A、B管線中的流體介質承受同樣的壓力，當A 系列的換熱器運行，B 系列的換熱器停運，此時蝶閥A1和蝶閥A2開啟，蝶閥B1和蝶閥B2關閉，系統的壓力通過流體介質傳送到蝶閥B2的下游，給蝶閥B2一個反向壓力。同理，當B 系列的換熱器運行，A 系列的換熱器停運，將給蝶閥A2一個反向的壓力。但以上兩種情況下，蝶閥A1和蝶閥B1始終是承受介質的正向壓力。這種情況在核輔助系統中也經常出現，如設備冷卻水系統（RRI）板式換熱器下游的蝶閥均承受較大的反向壓力。類似的道理，除了上述一備一用的情況外，并聯的兩組或多組非標設備同時工作，以及非動力設備及并聯的為其檢修用的旁通管線，都存在非動力設備下游蝶閥承受反向壓力的情況。

（3）安全殼隔離閥所在管線。安全殼是核電站最后一道安全屏障。核電站發生事故工況時，核電站產生的放射性氣體封閉在安全殼內，致使安全殼內壓力很高，而同時安全殼隔離閥緊急響應關閉。此時安全殼隔離閥所承受的壓力應由安全殼內指向殼外。如圖4，安全殼內大氣管線正常運行時為閉式循環，當發生事故時，安全殼隔離閥關閉，蝶閥B2承受正向壓力，蝶閥B1承受反向的壓力。如安全殼大氣監測系統（ETY）的安全殼隔離閥。

圖2 并聯泵出口管線上的蝶閥

圖3 換熱器并聯管線上的蝶閥

圖4 安全殼隔離閥

2.雙向承壓

核島中比較常見的雙向承壓的蝶門布置在消防系統，如核島消防系統（JPI）、電氣廠房消防系統（JPL）等。核島的消防水由消防水泵提供動力，經過消防水分配系統（JPD）輸送到核島各個廠房，其中有的達到20m 以上房間中的濕式立管中，這些管道始終充滿著水，且維持一定的壓力，保證能隨時提供消防用水。當蝶閥關閉時，閥門要受到消防水的正向壓力，同時閥門下游的消防管道內封閉的水也將對閥門產生反向的壓力，這種情況下，安裝在此處的蝶閥需雙向承壓。

四、核島蝶閥的安裝方向

中心蝶閥結構前后對稱，為雙向密封，閥體上標注的箭頭為雙向，即“ ←→”，可以理解為介質的流動流向，也可以理解為介質的壓力方向，因此可雙向安裝。

偏心蝶閥標注在閥體上的箭頭所指的方向并不是管道內介質的流動方向，而是表示當偏心蝶閥密封關閉時管道內介質的壓力方向。因此，偏心蝶閥的安裝務必注意，若安裝不當，會造成偏心蝶閥內漏，破壞密封結構。對于正向承壓的偏心蝶閥，安裝時根據閥門上的標注的承壓方向安裝，使介質的流向與閥門的承壓方向一致。對于反向承壓的偏心蝶閥，安裝時閥門要反裝，使閥門的承壓方向與介質的流向相反。當蝶閥關閉時，閥門上游不在承受介質壓力，閥門下游所承受反向的壓力正好與閥門的承壓方向一致，使閥門達到很好的密封效果。

五、結論

通過對不同類型蝶閥結構特征及密封原理的分析，可以看出對于雙向承壓的蝶閥，如果反向密封要求嚴格時，可以選用合適的中心蝶閥，安裝時雙向均可承壓。對于性能優良的偏心蝶閥推薦單向密封，正向承壓時，按照閥體上箭頭方向安裝，使介質流向和標注的承壓方向一致；反向承壓時，按照閥體上箭頭方向反向安裝，使介質流向和標注的承壓方向相反，達到很好的密封效果。同理，對于核電站常規島偏心蝶閥的安裝，也可以按照文中所述判定閥門的安裝方向。