145型大氣釋放閥力矩故障分析和改進研究

王 巍

（江蘇核電有限公司維修二處，江蘇連云港 222042）

1 背景

1.1 大氣釋放閥功能介紹

田灣核電站3/4 號機組大氣釋放閥安裝于蒸汽發(fā)生器出口蒸汽管道上，閥前設(shè)置前置隔離閥，實現(xiàn)防止蒸汽發(fā)生器超壓及機組應急冷卻功能。

大氣釋放閥的運行模式分為三種，分別為閥位模式、壓力模式和冷卻模式。閥位模式即閥門在機組正常運行時始終保持在85%的開度位置，此時前置隔離閥關(guān)閉，大氣釋放閥前后管道沒有介質(zhì)；壓力模式既觸發(fā)保護信號后，大氣釋放閥根據(jù)信號的命令，自動調(diào)節(jié)二回路壓力的工作狀態(tài)，處于壓力模式時前置隔離閥因信號命令打開，大氣釋放閥根據(jù)運行邏輯投入自動運行；冷卻模式是通過控制大氣釋放閥按設(shè)定速度冷卻一回路。

1.2 大氣釋放閥力矩故障

田灣4 號機組在進行50% Nnom 關(guān)閉汽輪機主汽門旁排閥不動作甩負荷試驗過程中（以下簡稱“甩負荷”試驗），當大氣釋放閥從85%開度向100%開度動作時，4 個通道的大氣釋放閥全部出現(xiàn)力矩故障報警。大氣釋放閥力矩故障報警后電動執(zhí)行器斷電跳出自動運行狀態(tài)，二回路壓力快速降至6.27 MPa，試驗失敗。

1.3 大氣釋放閥力矩故障危害

“甩負荷”試驗時大氣釋放閥力矩故障的危害：①大氣釋放閥在排放時發(fā)生力矩故障，無法調(diào)節(jié)主蒸汽壓力穩(wěn)定在6.86 MPa，只能通過開關(guān)前置閥實現(xiàn)保護工能，參數(shù)波動范圍大（6.27～7.154 MPa），使前置閥頻繁動作甚至損壞；②大氣釋放閥甩負荷試驗時發(fā)生力矩故障，致使調(diào)試大綱中的重要瞬態(tài)試驗未完成，影響商運節(jié)點。

2 大氣釋放閥力矩故障原因分析

2.1 總體思路

通過對閥門結(jié)構(gòu)及功能原理、閥門出廠驗收試驗以及“甩負荷”試驗的差異性，逐一分析可能導致閥門力矩故障的因素，利用計算流體動力學的相關(guān)軟件，計算在80%～90%開度附近二回路高壓蒸汽對閥芯作用力的大小和方向，驗證力矩故障的原因。通過比對田灣一期和臺山核電大氣釋放閥的閥芯結(jié)構(gòu)，有針對性的提出解決辦法，并通過試驗進行驗證，以期解決該閥力矩故障問題。

2.2 閥門結(jié)構(gòu)分析

田灣核電站3/4 號機組主蒸汽閥站大氣釋放閥為德國SEMPELL 公司生產(chǎn)的Type 145 型籠式電動調(diào)節(jié)閥，電動執(zhí)行器為德國AUMA SARI 16.2 型調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器（圖1）。

大氣釋放閥入口公稱直徑DN300，出口公稱直徑DN400，角式結(jié)構(gòu)，主要部件包括閥體-閥蓋，閥籠，閥桿-預啟閥，主閥芯，結(jié)構(gòu)示意見圖2。大氣釋放閥主閥閥芯上設(shè)置預啟閥，主閥開啟之前先打開預啟閥，預啟閥行程10 mm，主閥閥芯在閥籠內(nèi)進行直行程運動，行程約100 mm。預啟閥打開后，在主閥閥芯上下建立壓力平衡后大氣釋放閥才能順利開關(guān)，否則會因主閥芯上下表面壓差大而使開關(guān)閥門的力矩增大到正常值的幾倍甚至幾十倍，執(zhí)行器將觸發(fā)力矩故障報警，保護性斷電。

圖1 145 型大氣釋放閥

圖2 大氣釋放閥結(jié)構(gòu)示意

圖3 主閥芯和預啟閥

大氣釋放閥閥芯有一個主閥芯和一個預啟閥（圖3）。主閥芯是控制、截斷主蒸汽向大氣排放的主要部件，在主閥芯上部有活塞環(huán)，活塞環(huán)的主要作用是降低主閥芯在與閥腔內(nèi)表面相對移動過程中產(chǎn)生的摩擦阻力，同時在短時間內(nèi)還有很好的密封作用。

主閥芯D 區(qū)域是預啟閥閥座，與預啟閥X 位置配合密封。預啟閥的第一個作用是充當主閥芯的閥桿，因為在閥桿端部加工了一個錐形密封面，其第二個作用是與主閥芯上的閥座配合形成“線密封”。預啟閥的行程是10 mm，預啟閥全開后，將拉動主閥芯一起打開；關(guān)閉時，預啟閥先于主閥關(guān)閉10 mm，密封面接觸后推動主閥芯關(guān)閉。這10 mm 的預啟閥行程，一般稱之為空行程。

大氣釋放閥設(shè)計簡單可靠，結(jié)構(gòu)堅固緊湊。不帶載時電動操作大氣釋放閥動作靈活，潤滑狀態(tài)良好，無力矩報警現(xiàn)象，判斷閥門機械傳動部件無變形或損壞，因此排除機械傳動部分故障損壞造成力矩故障的可能。

2.3 閥門出廠性能試驗和“甩負荷”試驗差異性分析

2.3.1 大氣釋放閥出廠前性能驗收試驗

使用高壓蒸汽為介質(zhì)（即帶載電動開關(guān)試驗），試驗開始時閥前壓力6.86 MPa，動作試驗過程中，閥門初始狀態(tài)為全關(guān)，閥門關(guān)—開—關(guān)完成一個動作循環(huán)。試驗過程中閥前壓力保持不變，閥門開度變化后閥后壓力發(fā)生變化，初始閥后壓力為零，到達70%開度后閥后壓力與閥前一致達到6.86 MPa，見圖4。

圖4 大氣釋放閥試驗曲線

閥門在上游壓力為6.86 MPa 時能夠正常打開，且電壓沒有明顯變化，輸出力矩在正常范圍內(nèi)，排除閥門設(shè)計不符合要求的可能。

2.3.2 甩負荷試驗

汽輪機主汽門關(guān)閉，根據(jù)實驗要求關(guān)閉旁排閥，二回路壓力達到7.154 MPa，觸發(fā)控制系統(tǒng)“二回路蒸汽向大氣排放”的保護信號，大氣釋放閥前置隔離閥快速開啟，大氣釋放閥根據(jù)長脈沖打開5 s 的命令，從85%的閥位模式轉(zhuǎn)入壓力模式并向100%開度動作。

4 臺大氣釋放閥打開過程中，在89%～92%開度位置出現(xiàn)力矩故障報警，其中1 通道在89%位置，2、3 通道在91%的位置，4通道在92%位置。電動執(zhí)行器斷電后跳出自動運行狀態(tài)，二回路壓力快速降至6.27 MPa，前置閥關(guān)閉，沒有穩(wěn)定在6.86 MPa。

2.3.3 甩負荷試驗與驗收試驗不同點

甩負荷試驗與工廠性能驗收試驗的各項參數(shù)和試驗狀態(tài)存在3 點不同：

（1）大氣釋放閥帶壓狀態(tài)。工廠試驗大氣釋放閥閥前始終帶壓，壓力6.86 MPa，機組甩負荷試驗前大氣釋放閥閥前不帶壓，甩負荷試驗時快速帶壓，存在一個受壓狀態(tài)快速變化的過程。

（2）閥門初始開度。工廠試驗時閥門初始開度為0，甩負荷試驗時閥門開度為85%。

（3）預啟閥開關(guān)狀態(tài)。工廠試驗時預啟閥狀態(tài)關(guān)閉，甩負荷試驗時預啟閥狀態(tài)為開啟。

詳細差別見表1。

表1 出廠性能試驗與50% Nnom 關(guān)閉汽輪機主汽門甩負荷試驗參數(shù)

2.3.4 差異性分析

（1）甩負荷試驗時大氣釋放閥前狀態(tài)從“無壓”到“帶壓”，突然的狀態(tài)改變，可能是大氣釋放閥出現(xiàn)力矩故障的主要因素。

（2）機組試驗時大氣釋放閥初始開度85%，工廠試驗時初始開度為0，可能是大氣釋放閥出現(xiàn)力矩故障的影響因素。

（3）甩負荷試驗時預啟閥狀態(tài)為開啟，而預啟閥開啟能夠平衡主閥芯上下壓差，對閥門動作有積極的正面作用，預啟閥開啟狀態(tài)不是大氣釋放閥出現(xiàn)力矩故障的影響因素。

2.4 甩負荷試驗中預啟閥開關(guān)狀態(tài)分析

實際試驗過程中預啟閥動作過程：試驗開始前，因前置隔離閥處于關(guān)閉位置，大氣釋放閥至前置隔離閥之間的管道內(nèi)沒有蒸汽，壓力為大氣壓（圖5a）。

當“二回路蒸汽向大氣排放”信號觸發(fā)時，大氣釋放閥前置隔離閥在1 s 左右從關(guān)閉到打開，蒸汽在極短時間內(nèi)作用到大氣釋放閥主閥芯上，使主閥芯向開啟方向快速移動，主閥芯移動速度遠大于預啟閥開啟的速度，預啟閥打開的10 mm 空行程消失，開啟過程變成了關(guān)閉過程（圖5b）。

因為預啟閥被關(guān)閉，主閥芯上、下表面無法建立平衡壓力（圖5c）。

圖5 甩負荷試驗中預啟閥開關(guān)狀態(tài)

大氣釋放閥閥芯有效面積68 314.6 mm2，在6.86 MPa 的壓差下，受到的介質(zhì)力約為468 600 N，預啟閥關(guān)閉后，不平衡力立刻作用在主閥芯上，并一直傳遞到閥桿螺母處，閥桿螺母的摩擦力瞬間增大，閥桿螺母輸出扭矩超過設(shè)定的力矩開關(guān)值，發(fā)生力矩故障。

2.5 主閥芯80%～90%開度時受力狀態(tài)

通過流體動力學的相關(guān)軟件（CFX 17.0）對閥芯建模，計算在80%～90%開度時閥芯受到的介質(zhì)壓力和流體粘性力，判斷閥芯運動方向，參考房汝洲[1]的公式

其中：dA 是閥芯的有限表面積；p 是作用在有限表面dA 上的壓力；n 是有限表面積dA 上的矢量常態(tài)；τ 是流體的剪切力；V 是流體速度。計算得出

計算結(jié)果表明，大氣釋放閥在80%和90%開度時，前置隔離閥突然打開，閥芯將受到近150 000 N 和190 000 N 開方向的力，在這個力的作用下，質(zhì)量為107 kg 的閥芯會產(chǎn)生1300 m/s2的加速度，在極短的時間內(nèi)推動主閥閥芯和預啟閥接觸，截斷蒸汽流道，阻止主閥芯上下表面壓力平衡的建立。

該計算結(jié)果為大氣釋放閥力矩故障原因分析提供了數(shù)據(jù)支持，驗證了主閥芯和預啟閥動作和開關(guān)狀態(tài)的改變，即：85%開度時蒸汽快速進入，推動主閥芯向預啟閥方向運動，使預啟閥關(guān)閉，建立壓力平衡的過程被打斷，介質(zhì)推力作用在閥桿上，最終發(fā)生力矩故障報警。

經(jīng)過上述分析，已經(jīng)找到發(fā)生力矩故障的原因。以下分析的重點為如何建立壓力平衡。

2.6 田灣一期CCI 和臺山核電Fisher 大氣釋放閥閥芯結(jié)構(gòu)分析

（1）田灣一期CCI 的大氣釋放閥型號為NB100-400 型，其閥芯和閥桿上均設(shè)計有平衡孔，閥芯上的8 個平衡孔呈圓周分布，閥桿端部有一個T 形流道的平衡孔，見圖6。蒸汽介質(zhì)在穿過閥芯的8 個平衡孔后，再通過閥桿的T 形平衡孔進入閥芯上部密封腔室，使閥芯上下腔壓力達到平衡。

圖6 CCI 大汽釋放閥閥芯結(jié)構(gòu)（深色部分為平衡孔）

圖7 Fisher 大汽釋放閥閥芯結(jié)構(gòu)

但這種設(shè)計對密封性有影響，大氣釋放閥關(guān)閉后，活塞環(huán)的密封性尤為重要，或者完全依賴前置隔離閥的密封，CCI 的設(shè)計為了保證動作性能而犧牲了部分密封性，說明設(shè)計者認為大氣釋放閥動作的可靠性更為重要，平衡孔相比預啟閥在平衡壓力方面更為可靠，此結(jié)論對田灣大氣釋放閥的力矩故障有借鑒意義。

（2）臺山核電的大氣釋放閥是Fisher 產(chǎn)品，型號為ENAP14”×12”，其設(shè)計的顯著特點是在主閥芯和預啟閥之間安裝了16 組彈簧（圖7）。通常彈簧的作用是減振和阻尼，大氣釋放閥正常運行期間不通蒸汽無振動，因此，彈簧的作用不是為了減振，主要目的是對主閥芯和預啟閥之間不受控制的位移起到限制和阻尼作用。這樣的設(shè)計表明了Fisher 的設(shè)計者考慮了如何防止蒸汽作用下預啟閥異常關(guān)閉情況的發(fā)生。

但增加彈簧對田灣二期大氣釋放閥故障處理來說，難度要遠遠大于增加平衡孔。

2.7 145 型大氣釋放閥閥芯改進方案

通過分析閥芯結(jié)構(gòu)以及分解動作過程判斷出大氣釋放閥力矩故障原因，并最終確定如下解決方案：在大氣釋放閥主閥芯上距離主閥芯上表面185 mm 處增加平衡孔，通過平衡孔保證預啟閥關(guān)閉后主閥芯上、下表面能夠快速達到壓力平衡，見圖8。以下是平衡孔直徑的計算方法。

圖8 主閥芯平衡孔位置

圖9 大氣釋放閥試驗動作曲線

增加的平衡孔直徑8 mm，小于預啟閥25 mm 的流通孔徑，保證主閥芯上表面密封腔室的排放量大于進汽量，保證主閥芯上表面腔室不會憋壓。同時開孔位置在密封邊界之內(nèi)，可以保證主閥芯和預啟閥閥芯的密封邊界研磨可靠。

增加平衡孔后，主閥芯上下表面的受力相等，閥門開關(guān)的力矩全部由閥桿和主閥芯自重產(chǎn)生，大氣釋放閥電動執(zhí)行器發(fā)生力矩故障的可能性大大降低。

3 結(jié)果驗證

3.1 試驗驗證

2018 年11 月20 日，全部改進措施實施完成后，大氣釋放閥再次進行試驗。試驗過程中除4 通道出現(xiàn)短暫跳出自動運行的現(xiàn)象外，其余3 個通道的大汽釋放閥在整個試驗過程中動作平緩穩(wěn)定，4 通道短暫跳出運行后很快又恢復自動調(diào)節(jié)功能，見圖9。整個試驗期間二回路蒸汽壓力波動平穩(wěn)，始終維持在6.86 MPa。經(jīng)檢查確認4 通道短暫出現(xiàn)力矩故障的原因是電動執(zhí)行器輸出力矩比與其他3 個通道小，調(diào)整一致后，在機組熱態(tài)時再次進行驗證正常。

3.2 結(jié)論

針對機組調(diào)試過程中出現(xiàn)的甩負荷試驗過程中大氣釋放閥力矩故障問題，結(jié)合大氣釋放閥結(jié)構(gòu)特點、工作原理和工作條件，運用科學的計算分析方法，找出了大氣釋放閥力矩故障的原因。結(jié)合實際情況制定了在主閥芯上增加平衡孔，消除不平衡力的改進措施，并在機組調(diào)試實踐中得到了全面驗證。