膨脹水箱浮球閥選型和故障分析

吳新華

（中廣核核電運營有限公司，廣東 深圳518000）

作為一種自動控制閥門，浮球閥的功能是允許適量的水進入水箱，當達到了浮球閥關閉水位時，浮球閥能夠正確關閉。浮球閥的規范，有英國標準BS 1212。但在國內，浮球閥卻未形成統一的標準，相應的閥門質量也是參差不齊。由于閥門較簡單，再加上標準的缺乏，設計人員也普遍對浮球閥不夠重視，造成了浮球閥在實際使用中出現故障的情況較多。

1 浮球閥的設計考慮和分類

設計浮球閥時應該考慮以下因素：提供低壓頭損失下的高流量（低的進口壓力下可運行）、設計出可以減小汽蝕和噪聲的閥座、減小摩擦阻力和關閉力、保證浮子/杠桿對閥內組件的可靠控制。目前普遍的浮球閥設計成：先導型或標準型；小孔或者大孔型；長杠桿/小浮球或者是短杠桿/大浮球；浮球懸掛或者安裝在杠桿上等。從本質上可以將浮球閥分成三種基本類型[1]：

（1）BS1212 1-4 部分（如下圖1 所示）

（2）平衡型 （如下圖2 所示）

（3）延遲動作型 （如下圖3 所示）

圖1 BS1212-1 型浮球閥

圖2 平衡型浮球閥

圖3 延遲動作型浮球閥[2]

在英國，應用于衛生間或者民用建筑水箱上最常見的是BS1212 型，口徑為15mm。因不能防止回流，第1 部分型的閥門不能應用于衛生間，除非安裝逆止閥。與平衡型相比，BS1212 浮球閥在同樣的入口壓力下流量更小，并且水頭損失也更大。短時間使用是合適的，然而隨著入口壓力的降低，有穩定水量需求的水箱，更加傾向于選擇壓頭要求更低和流量更大的平衡型閥門。

延遲動作型閥門最主要的特點是10bar 關閉、可調整的浮球閥關閉水位（以下簡稱TWL）、長壽命閥座、小操作力以及有輕微延遲的正向的快速開關動作。與BS1212 內的閥門相比，Keraflo 延遲動作浮子閥的尺寸和特殊浮子的動作空間更大，也就更加受限于水箱內的就位。它們壓頭損失更大，流量相對較小。另外，它們的流量隨尺寸變化。給定流量要求，選擇最適合的閥門尺寸，就必須要精確知道閥門入口的運行壓力。最基本的特征是從全開度到達到最高水位時全關非?？?，當水位稍低于TWL 時，閥門迅速全開。最大的優點是接收水箱能一直保持或接近全水位的同時，減少了浮球閥的磨損和開關負荷。

2 浮球閥的常見問題和解決辦法

2.1 閥門無法關嚴

這是最常見的問題，引起這種失效的原因包括：

a.閥座上有異物。

b.密封面磨損。

c.浮球/杠桿機構沒有足夠大的力，能夠在系統壓力下關閉閥門。

a 和b 的糾正措施比較明顯（清理和更換），但對于c，如果選擇了級別不夠的閥門，則應復核水箱補水管道的最大壓力，并根據此選擇一個恰當級別的浮球閥。選擇加長桿或更換大浮球可能解決這一問題；浮球也有可能損壞，不能提供足夠大的向上的關閉力。注意檢查當在系統壓力下關閉時，浮球不應該浸入超過一半。

2.2 閥門不能在預計的TWL 關閉

這種情況需要調整浮球臂。某些特殊設計的閥門提供了這種功能，但對常規的BS1212 和平衡型閥門而言，調整浮球臂則必須要注意。將杠桿向下彎，則閥門的設計杠桿比例減小，導致了閥門關閉力減小。對大多數情況而言，調整并不復雜，而且關閉力足夠。如果觀察到浮球向下設定過量，或者說浮球一直受到出水噴濺的影響而導致閥門全開，這樣就需要考慮換一個直徑更大的浮球。

2.3 閥門反復開關或發出敲擊噪聲

當浮球/杠桿機構沒有絕對有效控制閥門組件時，閥門反復開關出現了，可能是在最終關閉時出現了水力變化導致的。敲擊聲的頻率是5-15 赫茲。當水箱一直有微小的用水時，浮球閥響應這一變化而縫隙打開。如果出現了這種現象不檢查，閥門密封面和杠桿會很快變壞，管道接頭也很可能被水錘破壞。

解決辦法：

a.安裝一個壓力級別更高的浮球閥。

b.對于BS1212 閥門，可以選擇小孔浮球閥。

c.選擇一個大浮球或長杠桿的浮球閥，以便增大關閉力。

2.4 補水時噪聲大

如果流速過大，浮球閥和管道內會發出高噪聲。給水管和浮球閥通常在選型時應該基于流速不大于2m/s。隨著流速增大，噪聲水平也會增大，設備也會增加磨損和疲勞。浮球閥在流速大于3m/s 的情況下運行，不僅會產生高的煩人噪聲水平，更需要頻繁的維修。

2.5 共振

這種現象會發生在閥門的固有頻率與水箱內的水波頻率相同時。這種頻率比前面討論的要低，很可能是1-2 赫茲,但閥門內部組件運動幅度更大。這會導致大且劇烈的管道內流速變化，并且引起嚴重的壓力波動。如果不檢查，這會導致管道斷裂。每1m/s 的瞬時流速變化會在管道內引起10bar 的壓力波動。容器內的水面波動也會產生問題。解決辦法是打破閥門和水波之間的共振，需要不斷嘗試和糾正。

可能的辦法有：

a.在出水口和浮球之間引入擋板，減少浮球附近的水面波動

b.在水箱上安裝圍擋，防止水波的反射影響浮球動作。

3 大亞灣基地內的浮球閥情況

為了能夠得到合理的壽命和減小發出的噪聲，在選擇浮球閥不應該越級。一般來說，基于名義的入口孔徑的流速為2-3m/s，額定的關閉壓力為6 或10bar。安裝了設計限制之外的閥門，會增加出現諸如無法關閉、閥座過早磨損、高噪聲、水錘或者閥門反復開關（影響閥門壽命）等故障。在大亞灣核電站的常規島設計中，有較多使用了浮球閥，而嶺澳核電站常規島時沿用了大亞灣的設計。表1 為嶺澳核電站系統設計手冊中的水箱數據[2，3，4]：

表1 水箱數據表

表2 Keraflo 公司K 型浮子閥流量數據表[5]

通過對比可以發現，水箱SER001BA 與GST001BA 相比，浮球閥口徑相同，入口壓力稍低，但補水量卻相差較大，不符合相似定律。從水箱的水裝量來看，最大的水裝量配套了最小的補水浮球閥，這也不合理。大亞灣核電站是在二十多年前設計的，數據已經無法從原設計方處核對，但對照Keraflo 公司K 型浮子閥（見表2）和日本兼工業的浮球閥流量數據表（見圖4），仍可以推算出系統運行時所需的流量。

圖4 兼工業FW 型浮球閥流量數據表[6]

從表2 和圖4 可以看出，Keraflo 公司DN40 的浮球閥，在入口壓力為4.5bar 下流量為9.3m3/h，在入口壓力為5.5bar 下的流量為10.3m3/h。兼工業的浮球閥流量分別為18m3/h 和20m3/h。DN50 的浮球閥在5.5bar 入口壓力下的流量則分別為25m3/h、34m3/h。對比之下可以看出，系統設計手冊中的最大補水量數據比所選擇浮球閥的流量要小很多。嶺澳核電二號機組DN50 的浮球閥，在5.5bar 入口壓力下的實測流量為24m3/h，超出了設計手冊的60%。這種越級的設計，導致浮球閥SRI003VD 每年都會出現關不嚴等故障。

4 改進建議

大亞灣基地內的核電廠基本上都是小水箱配大流量的浮球閥，而正確的做法是水箱容積和浮球閥的流量應相匹配。SER001BA 中的浮球閥，受水面波動的影響較大，一旦浮球探測到水位下降，則浮球閥立即開啟補水。浮球閥頻繁的啟動，導致了閥門密封面損壞。閥門不能關嚴，水箱一直在補水而溢流。SRI001BA 中的浮球閥，由于閥門口徑過大，在水位下降時開啟，之后幾秒鐘內水位因補水到達關閉水位，閥門關閉。因此而在SRI 系統管道內產生了水錘，閥門密封件無法承受水錘壓力而損壞。進而閥門內漏，水箱溢流。系統中的水裝量，會隨著溫度的變化而膨脹或收縮，需要水箱接收或者補充。一般50mm 以內的水位下降，對水箱的功能來說沒有任何影響，但浮球閥會因此而開啟。頻發的啟閉引發了閥門的損壞，非常有必要減少閥門的開關負荷，選用能在微小的水位變化時不會動作的浮球閥。Keraflo 浮子閥可以在閥門關閉之后，幾分鐘內仍有很小的水量流出。水箱溢流管口比最高關閉水位高約50mm。這樣的設計一方面不會溢流，另一方面可以解決因水的不可壓縮性而產生的水錘危害。Keraflo 浮子閥用的是旋塞式陶瓷閥芯，在水箱中可使用25 年以上。鑒于延遲動作型浮子閥的優越性，對照Keraflo 浮子閥手冊，結合浮子閥的材質要求，選型建議如下：

（1）對于SER001BA，可以選用K 型DN25 的浮子閥，在4.5bar 的入口壓力下，流量為6m3/h。

（2）對于GST001BA，可以選用Ks 型DN20 的浮子閥，在5.5bar 的入口壓力下，流量為3.4m3/h。

（3）對于SRI001BA，可以選用K 型DN25 的浮子閥，在5.5bar 的入口壓力下，流量為6.8m3/h。

閥門口徑的改動，可以通過自制管板法蘭適配。其中水箱SER001BA 的浮球閥，已在2014 年改造為K 型DN25 的浮子閥。改造之前的浮球閥，大約每隔6 個月就會有故障需更換。改造之后的浮子閥，投運6 年來一直運行良好，至今未出現故障。其他閥門正在改造中。

5 結論

通過對浮球閥的故障原因分類，并比對使用中的閥門故障現象，得出了浮球閥因流量過大、無延遲功能受水位擾動頻繁開啟而導致故障頻發的結論。結合水箱的補水量需求、浮球閥的流量及動作特性，給出了選用合適流量的延遲動作型浮子閥建議。建議已經被部分采納，且已實施，效果良好。