核電廠調節閥用填料設計改進探索

中核核電運行管理有限公司 李建春 李 云 姜向平

核電廠反應堆一回路系統和二回路熱量傳輸系統需要嚴格控制介質流量，以確保反應堆堆芯熱量的受控導出，實現功率發電。調節閥是核電廠工藝系統介質流量調節的最重要設備之一，其調節性能的好壞直接影響到工藝系統執行其功能的正確性，而調節閥填料的性能直接影響閥門的密封性能和閥桿動作調節響應性能。

1 填料密封

1.1 密封機理

石墨填料主要用于閥門閥桿運動時的密封，其結構簡單，具有耐腐蝕、耐高溫、自潤滑性好、回彈性大、閥桿扭矩小、固有可靠性高、壽命長的特點，膨化石墨填料是核電閥門應用最普遍的閥桿密封填料。石墨填料強度低，易松散，故一般均采用石墨組合填料，組合填料由兩端的編織盤根和中間的純石墨填料環組成，兩端編織盤根起到防止石墨擠出和輔助密封作用，中間純石墨填料環起到主密封作用。填料密封安全可靠，即使出現填料密封泄漏也可通過填料復緊來重新建立密封，故核電廠部分放射性介質閥門雖然采用了波紋管作為閥桿密封后，還是設置了填料密封作為最后一道閥桿密封來防止放射性介質從閥桿處向外泄漏。

1.2 調節閥填料特殊要求

調節閥作為核電站工藝系統流量控制的主要設備，其流量控制主要依靠閥桿運動來改變流道截面積，從而實現液體的流量控制。調節閥液體流量的精確控制需要閥桿能夠進行微量運動，并能夠按照控制信號實現小信號的及時響應，這就對閥門填料的性能提出了更高的要求，即需要盡可能降低填料摩擦系數，從而在閥桿受到相同壓縮應力的情況下，其摩擦力盡可能小，從而實現流量精確控制。調節閥填料利用閥桿與填料間形成一定的潤滑液膜和填料本身的潤滑性能，在閥桿受到相同壓縮應力條件下，實現在保證閥桿密封時還能夠得到盡可能小的摩擦力。

2 失效分析

調節閥填料的失效主要體現在填料泄漏和閥門調節性能差兩個方面。調節閥用填料的密封性能和調節性能在很多時候是一對矛盾體，高密封性能要求填料與閥桿接觸面積、閥桿所受的壓縮應力均盡可能大，而調節閥的調節性能卻要求填料對閥桿的摩擦力盡可能小，在填料與閥桿摩擦系數不變的情況下，摩擦力與填料和閥桿的接觸面積、閥桿所受壓縮應力成正比。

填料密封效果是由填料與閥桿的接觸寬度和接觸密封應力決定，調節閥用石墨填料通常采用編織盤根和純石墨填料環組合，填料截面通常采用方形，通過上下兩環編織盤根來提升整個填料組的防擠出能力。填料密封失效和閥門調節性能劣化的主要原因如下。

2.1 密封寬度不足

填料屬于彈塑性體，當其受到軸向壓緊后，填料內徑向閥桿收縮，外徑向填料函擴張變形，變形后的填料與填料函、閥桿產生接觸，在填料的進一步壓緊過程中，由于填料與填料函和閥桿之間的摩擦，閥桿與填料函之間的徑向應力在壓蓋處最大，并以指數規律向填料函底部遞減[1]，如圖1所示，導致靠近壓蓋部位的填料環需要承受更大的壓緊力，這部分填料變形量也最大，最終導致只有靠近壓蓋的一部分填料真正起到了密封作用，而其他填料環由于其內徑收縮量不足，導致填料與閥桿之間存在一定的間隙，無法通過水膜形成有效密封。填料真正起作用的密封寬度不足，且填料初始安裝為保證其密封性，只能通過加大填料對閥桿的壓縮應力來實現密封。調節閥動作頻率較高，閥桿長期處于運動狀態，在閥桿運動過程中，過大的壓縮應力直接導致填料很快出現磨損，進一步減少了填料對閥桿的密封寬度，從而出現填料泄漏。

圖1 閥桿所受壓縮應力及磨損示意圖

2.2 接觸密封比壓不足

膨化石墨填料強度低、易松散，變形量受填料設計所限，整組填料真正起到密封作用的高度比較有限，起密封作用的填料的接觸密封比壓也會比較高。填料密封比壓指的是作用于單位密封面上的平均正壓力[2]，密封比壓的大小是影響填料密封性的重要因素。高接觸密封比壓導致填料上部與閥桿的摩擦加劇，隨著閥桿的上下運動，填料和閥桿均會出現磨損，嚴重時閥桿會出現凹坑，填料與閥桿的磨損顯著降低了填料與閥桿之間的接觸密封比壓，導致填料與閥桿之間的接觸密封比壓無法滿足介質密封要求而出現泄漏。

2.3 閥桿運動阻力過大

填料是對閥桿產生運動阻力的最大因素，閥桿運動時，填料對閥桿會產生摩擦阻力，如果閥桿表面質量出現問題，則填料還會對閥桿產生機械阻力。填料對閥桿的摩擦力和機械阻力的大小直接影響閥門調節性能。填料與閥桿接觸必然會產生摩擦力，摩擦力的大小與填料對閥桿的接觸力和摩擦系數有關，摩擦系數越小則摩擦力越小。

填料對閥桿的機械阻力與閥桿表面質量有關，由于填料對閥桿的接觸應力會導致閥桿多次運動后的磨損，從而在閥桿表面出現了凹坑，閥桿在上下運動過程中與填料之間會產生卡阻現象，在調節系統微小動作信號時閥桿無法動作，調節系統為落實調節要求，將不斷加大閥桿動作調節信號，提升閥桿驅動力，直到閥桿驅動力克服填料對閥桿的摩擦力和機械阻力，閥桿動作出現瞬間超調現象，調節系統發現閥門超調后快速給出反向調節信號，閥門出現不斷的超調和回調，影響系統介質流量的穩定性，嚴重時導致反應堆保護系統動作。

從上述分析可知，在保證填料函、閥桿制造質量及膨化石墨原材料性能不變的情況下，有必要通過對調節閥用填料進行設計改進來改變其受壓縮時的變形特性，使填料壓緊后與閥桿的接觸面積盡可能均勻，擴大填料與閥桿的接觸寬度，降低上部填料對閥桿的接觸應力，實現閥桿所受接觸應力的均勻化，降低閥桿原高接觸應力部位的應力水平，減少閥桿與填料的不均勻磨損，降低閥桿所受的摩擦力，提升閥門的調節響應性能和密封性能。

3 方案選擇

調節閥用石墨填料的設計改進主要針對填料的截面和密度進行。由于石墨填料強度偏低、易松散，為避免石墨填料在閥桿與壓蓋之間被擠出，填料組件的上下兩環均采用編織盤根來增加其強度，由高純柔性石墨套編不銹鋼金屬絲再經模壓制成，由于石墨被金屬網套牢牢包裹、束縛，因此該填料在使用時上下兩層的填料既可起密封作用，又可防止中間的高純柔性石墨從閥桿和壓蓋之間的縫隙中被擠出。提升填料性能的設計改進主要針對填料組件中間石墨填料環，通過石墨填料環形狀及密度設計，擴展填料在相同壓縮力下的側向變形量。

3.1 改進方案

3.1.1 異形截面組合填料

該組結合填料由上下石墨鎳絲編織盤根和中間異形柔性石墨填料環組成，如圖2所示。編織盤根環截面為平面方形，密度為1.7～2g/cm3，考慮到填料壓緊力傳遞的衰減特性，中間純石墨填料環采用抗氧化石墨帶模壓成不同角度、不同密度的石墨填料環進行組合，促進填料壓緊力的傳遞效率。組合填料中，高密度石墨填料環的密度為1.7g/cm3，截面為異形，角度為60°（內斜和外斜），低密度石墨填料環的密度為1.3g/cm3，截面為平行四邊形，角度為45°。

圖2 異形截面組合填料

3.1.2 V形截面組合填料

該種組合填料由上下石墨鎳絲編織盤根和中間V形柔性石墨填料環組成，密度為1.63g/cm3，如圖3（a）所示。上下石墨編織盤根是由高純柔性石墨套編不銹鋼金屬絲再經模壓制成。中間的柔性石墨填料環主要起密封作用，其填料采用V形截面設計，夾角90°，如圖3（b）、（c）所示，可在同等壓縮載荷的條件下使得軸向V形環形面部分側向變形增大，從而使閥桿與填料函之間的接觸應力均勻化。

圖3 V形截面組合填料

3.2 性能比較

成品填料性能主要體現在壓縮率、回彈率、熱失重、摩擦系數、冷態密封性能和熱態密封性能，冷熱態密封性能試驗以壓水堆核電機組設計最高溫度和壓力進行，冷態試驗要求按照17.2MPa，常溫條件下閥門全行程循環動作100次（行程100mm）；熱態性能試驗溫度320℃，壓力15.2MPa，保壓30min，保壓結束后，以升降溫平均速率控制在小于50℃/h降溫至100℃以下，保溫15mim，再以平均速率控制在小于50℃/h升溫至320℃保壓。升降溫次數要求20次以上，在升降溫之間完成不少于3000次的往返運動循環，期間若填料發生泄漏，可中途預緊2次，測試填料的泄漏率。兩種方案組合填料的性能見表1。

表1 組合填料性能比對

從表1可以看出，兩種組合填料與普通平面方型石墨填料相比，由于其中間石墨填料環均對其截面形狀進行了改進，改進后的截面有利于石墨填料環在安裝過程中軸向壓縮載荷的傳遞，在相同填料壓緊應力的情況下，中間石墨填料環側向膨脹量顯著優于普通平面方型石墨填料，在保證密封性的前提下可以有效降低填料與閥桿的摩擦力。異形截面組合填料中的上端凹60°高密度石墨填料環與頂端編織盤根結合抱緊閥桿，下部凸60°高密度石墨填料環與底端編織盤根結合貼緊填料函壁，中間部分45°低密度杯錐型填料環當受到填料壓蓋施加軸向力時更為有效地轉化為徑向膨脹量，從而實現低預緊力時就能產生有效密封性能。V形截面組合填料的中間柔性石墨環采用90°夾角的V形截面結構設計，可在填料安裝過程中增加軸向壓縮載荷的傳遞，有效降低填料與閥桿之間的摩擦力。

綜上，通過對調節閥用組合填料失效分析及設計改進后的性能試驗結果分析，找出影響調節閥密封和調節性能的關鍵因素，通過采用設計補償和不同密度石墨填料環的組合設計方案可以有效提升填料的側向膨脹量，促進填料密封的有效寬度，降低填料壓蓋的壓緊力和填料對閥桿的密封比壓，降低填料對閥桿的摩擦力，減少填料與閥桿的磨損，延長填料和閥桿壽命，提升調節閥用填料的密封可靠性和閥門調節響應能力。