主給水小流量隔離閥閥桿斷裂原因分析與改進

朱泳賢

(臺山核電合營有限公司,廣東 臺山 529200)

主給水隔離閥是某核電站發電機組蒸汽發生器主給水系統中重要的設備,用于給水發生故障時隔離蒸汽發生器以免蒸汽發生器過度充水。

核電站在建機組的全部主給水電動隔離閥在安裝完成后,均采用調閥工具就地操作,進行閥門功能試驗。主給水小流量隔離閥1ARE2420VL-在發生閥桿斷裂事件前已完成現場調試,用調閥工具開關數次,未發現異常。開始主控室控制調試1ARE2420VL-,進行關閥操作時發現偏差報警,顯示閥門無法動作。現場檢查電纜等相關接線,核實未發生故障。再檢查閥門本體,發現閥門幾乎處于全開位,閥桿斷裂,斷裂部位為閥桿傳動螺紋縮徑。

1 主給水小流量隔離閥工作原理

主給水小流量隔離閥為電動楔形閘閥,由閥體、閥桿、閥蓋、軛架、電動執行器等組成,圖1是主給水小流量隔離閥結構示意圖。隔離閥通過多回轉電動執行器操縱,可處于開位和關位間的任意位置,但正常工況下,閥門只進行開啟和關閉操作。

電動執行器有行程控制和力矩控制機構,各自觸發時,電動執行器的電源都會被切斷,使電機停止轉動。電動執行器的行程限位是根據閥門的完全開啟或關閉位置稍作回調設定,以使閥門在開到底或關到底前,行程限位觸發。電動執行器通過力矩控制機構控制輸出力矩,通過預先整定力矩值以準確控制閥門的關閉位置,主要用于強制密封性閥門。力矩控制機構還起過力矩保護作用,在閥門開啟和關閉過程出現負載轉矩超過允許值時觸發,以保護閥門。主給水小流量隔離閥采用行程開和力矩關控制,且開關過程均有力矩保護,開力矩設定值為1 165 N·m,關力矩設定值為1 553 N·m。

2 斷裂閥桿材質檢驗

主給水小流量隔離閥的斷裂閥桿送第三方檢測機構檢驗,圖2是送檢的斷裂閥桿。通過對樣品進行斷裂面成像分析、金相分析、室溫拉伸試驗、洛氏硬度測量和化學成分分析,調查閥桿斷裂的根本原因。

圖1 主給水小流量隔離閥結構示意圖Fig.1 Structure of the low flow isolation valve of the main feedwater

圖2 送檢斷裂閥桿的宏觀照片Fig.2 Macrophoto of cracked valve stem

通過閥桿斷裂面成像,捕捉到斷裂產生的關鍵特征。斷裂形貌是典型的杯狀和圓錐體狀的組織破裂,還有一些細小的脆性解理貌、狼耳形貌、輻射狀裂痕和切變裂痕。這些特征表明閥桿斷裂的主要原因是過度拉伸。閥桿斷面外緣的一圈橙皮狀粗糙不平的顆粒也是閥桿過度拉伸變形導致。對斷裂截面進行金相分析,其微觀組織是完整排列的孿生馬氏體,基本沒有殘余的奧氏體。呈單向彎曲的馬氏體間,還有一些微小的空白,它們在斷裂的時候把非金屬成分環繞起來。進一步化學分析,并對閥桿進行拉伸試驗和硬度測量,確定斷裂閥桿的化學成分和機械性能均滿足所用材質ASTM SA564 T630 COND H1100的性能要求。最終判定,閥桿的斷裂是軸向過度拉伸導致,斷裂時至少有約818 k N的載荷作用在閥桿上,對應的屈服強度大約是1 061 MPa。

3 電動執行器輸出力矩和推力復驗

拆卸閥門的電動執行器,用力矩校驗臺復驗執行器的力矩保護設定值,表1是電動執行器復驗數據表。經過復驗,電動執行器的力矩保護正常觸發,且觸發值與設定值基本持平,差值在允許范圍內。

表1 電動執行器力矩復驗數據表Table 1 Actuator torque value recheck data sheet

電動執行器的輸出力矩通過傳動螺母,轉換為閥桿的輸出推力。公式 (1)是輸出推力的計算公式,開、關力矩設定后,輸出推力的大小與螺紋系數成反比。公式 (2)是螺紋系數的計算公式,在螺紋特征、螺距和公稱直徑確定后,螺紋系數由閥桿和傳動螺母間的摩擦系數決定,并隨摩擦系數的減少而減少。

式中:T0為輸出推力;C0為輸出力矩;TF為螺紋系數。

式中:TF為螺紋系數;μSN為閥桿和傳動螺母間的摩擦系數;Ph為螺距;β為螺紋特征;Rm為公稱直徑。

電動隔離閥裝配后的最大開啟推力是由電動執行器設定的開力矩保護值和確定的螺紋系數決定的。閥桿和傳動螺母之間的摩擦系數用于確定適用的螺紋系數,而且摩擦系數是唯一會因閥門裝配條件變化的輸入參數。根據電動執行器的規格參數,主給水小流量隔離閥選定閥桿和傳動螺母間最大的摩擦系數值0.15,用作計算螺紋系數。當電動執行器設定的開力矩為1 165 N·m,作用在閥桿上的輸出推力的計算值為258.4 k N。閥桿斷裂后,電動隔離閥生產廠在裝有同樣電動執行器的同一尺寸的閘閥上進行內部測試,結果揭示了閥桿和傳動螺母間的摩擦系數值大約在0.07～0.08的范圍內。按實測的摩擦系數0.07計算,得到閥桿實際輸出推力值為414.8 k N。

盡管閥桿的實際輸出推力值414.8 k N遠比計算值258.4 k N高,但仍少于閥桿允許施加的最大推力值536.5 k N。所以,主給水小流量隔離閥在閥桿開啟過程,無法產生拉斷閥桿的推力。

4 閥桿斷裂原因分析

經解體閥門檢查和斷裂閥桿材質檢驗,證明主給水小流量隔離閥的閥桿是拉斷的。這種閥桿的失效情況只可能發生在閥門開啟過程中,且只可能在閥瓣仍楔在閥座或閥桿接觸到閥蓋的兩種情況下拉斷。

假設閥桿是在閥瓣仍楔在閥座中時拉斷,那拉斷的部位肯定是閥桿最薄弱的環節,閥桿最薄弱環節所能夠承受的主應力值是最小的。小流量電動隔離閥閥桿薄弱環節有兩處,一個是傳動螺紋的縮徑即閥桿的最小直徑處,另一個是閥桿與閥瓣的連接處即開啟過程的閥桿T頭和關閉過程的閥桿箍圈。開啟過程中,閥桿T頭能夠承受的主應力小于閥桿縮徑。事實上,若作用在閥桿上的推力過大,閥瓣上嵌入閥桿T頭的狹槽上壁是第一個失效的,之后是閥桿T頭,然后才是閥桿縮徑產生軸向變形。但失效的主給水小流量隔離閥的閥桿拉斷位置是傳動螺紋的縮徑,且檢查閥桿與閥瓣連接處的閥桿箍圈、閥桿T頭和閥瓣狹槽,均沒有發現任何材料失效的特征。另外,閥桿拉斷如果發生在閥瓣楔在閥座時,閥瓣應該卡澀在閥座里,閥門解體時會很難取出,這也與閥桿斷裂時閥門處于開位的實際情況不符。因此,閥桿不可能是在閥瓣仍楔在閥座中時拉斷的。

閥桿拉斷只可能在閥桿回到全開位并與閥蓋相碰時發生。這種情況下,閥桿的T頭和閥瓣狹槽只是懸掛在閥腔中,沒有載荷,故不受損傷。圖3是閥桿和閥蓋上檢查發現的碰撞痕跡,證明了閥桿與閥蓋確實發生了碰撞。閥桿與閥蓋相碰時,閥桿會同時受到電動執行器向上的推力和閥蓋向下的反作用力,這兩個力大小相等、方向相反,導致閥桿受到雙倍418.8 k N輸出推力的載荷作用。閥桿檢測結果,斷裂時至少有約818 k N的載荷作用在閥桿上,證明了閥桿確實是在與閥蓋碰撞時,發生過度拉伸變形導致拉斷的。

圖3 閥桿和閥蓋上檢查發現的碰撞痕跡Fig.3 Collision marks on stem and bonnet

5 改進措施

主給水小流量隔離閥發生閥桿與閥蓋碰撞的原因是閥門電動執行器開行程限位設置有誤,沒有根據閥門的倒密封位置往回調設定或往回調的距離不足。為避免電動執行器把閥桿推到倒密封位置,使閥桿與閥蓋碰撞導致拉伸變形失效,隔離閥的電動執行器開行程限位的設置應按下述步驟嚴格執行:1)通過手輪開啟閥門,把閥桿推到倒密封位置;2)再通過手輪往回關閥門,使閥桿離開倒密封至少4 mm;3)根據此位置設定電動執行器的開行程限位。

電動隔離閥實測的閥桿和傳動螺母間的摩擦系數遠小于選定的摩擦系數,使得軸向輸出推力增大至原設計推力的1.6倍,導致閥桿與閥蓋碰撞時,作用在閥桿上的載荷超過閥桿允許載荷,閥桿發生拉伸變形。為使閥桿實際輸出推力與設計推力一致,閥門的電動執行器需根據傳動螺母與閥桿間的實際摩擦系數重新計算力矩保護的設定值,使電動執行器的輸出力矩滿足使用要求并保護閥門。經過核算,開力矩設定值降為891 N·m,關力矩降為1 391 N·m。

此外,隔離閥閥桿縮徑為制造工藝預留退刀槽,也是閥桿受力薄弱部位。為消除薄弱環節,增強閥桿總體強度,制定了閥桿改進方案,采用不留退刀槽工藝重新制造新閥桿替換原有閥桿。

6 結論

通過上述改造,該核電站在建機組的主給水小流量隔離閥經過長時間的反復開關操作,未發生閥桿斷裂現象,且閥門關閉嚴密,開啟順暢,滿足了機組的相關調試工作開展,也為日后機組的安全穩定運行提供了保障。