疏水閥填料泄漏分析與改進(jìn)

秦博杰， 韓光輝， 勵(lì) 勇， 顧立強(qiáng)

(1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械動(dòng)力學(xué)院， 上海 200240； 2. 中核核電運(yùn)行管理有限公司， 浙江海鹽 314300；3. 寧波天生密封件有限公司， 浙江寧波 315302)

疏水閥填料泄漏分析與改進(jìn)

秦博杰1， 韓光輝2， 勵(lì) 勇3， 顧立強(qiáng)1

(1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械動(dòng)力學(xué)院， 上海 200240； 2. 中核核電運(yùn)行管理有限公司， 浙江海鹽 314300；3. 寧波天生密封件有限公司， 浙江寧波 315302)

某核電站常規(guī)島疏水閥動(dòng)作頻繁，導(dǎo)致填料泄漏。從填料密封原理出發(fā)，通過(guò)設(shè)置模擬閥門動(dòng)作，得出不同切口、不同密度的石墨密封環(huán)在高頻往復(fù)試驗(yàn)下的不同性能，并根據(jù)結(jié)果研制了新型填料。新型填料經(jīng)過(guò)近一年半的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證，填料泄漏故障次數(shù)顯著下降。

疏水閥； 組合填料； V形石墨環(huán)； 密度梯度

核電站的常規(guī)島系統(tǒng)的熱力循環(huán)是蒸汽→凝結(jié)水→蒸汽的循環(huán)過(guò)程。在整個(gè)常規(guī)島系統(tǒng)中有大量的蒸汽疏水管線，且由于壓水堆蒸汽為飽和蒸汽，因此會(huì)產(chǎn)生大量的疏水，其疏水閥不可避免地將產(chǎn)生疏水動(dòng)作，尤其是高溫、高壓的蒸汽管線。由于閥門管線設(shè)計(jì)及布置原因，其疏水量很大，大量的疏水產(chǎn)生了很多問(wèn)題，如汽水兩項(xiàng)流引起的設(shè)備腐蝕、閥門閥內(nèi)件沖刷、閥門填料失效等。筆者就疏水閥頻繁動(dòng)作產(chǎn)生填料泄漏問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施。

1 疏水閥填料泄漏缺陷

1.1 泄漏情況

常規(guī)島疏水閥主要涉及低壓給水加熱器系統(tǒng)、給水除氧器系統(tǒng)、高壓給水加熱器系統(tǒng)、汽水分離再熱器系統(tǒng)等，共計(jì)閥門95臺(tái)。自機(jī)組投運(yùn)以來(lái)，這些閥門一直存在填料漏水、漏汽缺陷。筆者將這些閥門根據(jù)工況、功能等進(jìn)行歸類分析后發(fā)現(xiàn)：給水除氧器系統(tǒng)、高壓給水加熱器系統(tǒng)、汽水分離再熱器系統(tǒng)中，位于正常疏水及疏水袋疏水出現(xiàn)的故障最多。這兩類閥門的工況比較惡劣：介質(zhì)溫度高、壓力大，且需不停地調(diào)節(jié)或者開(kāi)關(guān)，閥桿動(dòng)作頻繁，漏水、漏汽缺陷頻發(fā)。

1.2 填料失效

導(dǎo)致填料失效的原因可以從三個(gè)方面考慮：

(1) 設(shè)計(jì)。軸(桿)支承條件差，桿、填料、填料函尺寸不正確，填料函深度不準(zhǔn)確，軸(桿)表面粗糙度過(guò)大，軸(桿)與填料函不同心。

(2) 填料安裝。填料安裝過(guò)程中發(fā)生損壞，切割后的填料裝配時(shí)切口不密封，填料環(huán)縫位于同一位置形成泄漏通道，填料預(yù)緊力不足。

(3) 填料性能。編織填料使用中發(fā)生體積損失、發(fā)硬變脆，填料耐熱沖擊性能不足，運(yùn)轉(zhuǎn)中桿腐蝕或填料磨損，由填料磨損、松弛、體積損失造成壓蓋載荷降低。

設(shè)計(jì)問(wèn)題、填料安裝問(wèn)題可以通過(guò)提高機(jī)械加工精度、提高出廠技術(shù)要求及提升維修人員技能等方法解決。因此，提升填料性能問(wèn)題是目前解決的方向[1]。

1.3 填料改進(jìn)

填料密封是依靠密封材料的壓縮性，通過(guò)填料壓蓋給填料一定的軸向力，使填料沿徑向壓縮并脹開(kāi)，密封環(huán)的內(nèi)、外兩個(gè)面，分別與軸、填料函表面緊密貼合，產(chǎn)生徑向力，最終達(dá)到阻止流體泄漏的目的[2]。

影響填料壓縮性能的因素有材料、密度、截面形狀等。為了考察不同因素對(duì)填料壓縮性能的影響，筆者在填料密封、摩擦性能試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同組合形式的填料進(jìn)行了試驗(yàn)[3]。

2 填料密封的試驗(yàn)

2.1 填料密封試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)填料

組合填料的組成為2 個(gè)因科鎳合金絲增強(qiáng)柔性石墨編織填料和3個(gè)柔性石墨環(huán)(見(jiàn)圖1)。

1—平口石墨環(huán)；2—編織盤(pán)根；3—V形石墨環(huán)。

組合填料的密封主體有“平口”和 “V形” 2 種石墨環(huán)，在試驗(yàn)中均采用相同工藝、材質(zhì)的同批次填料，石墨材料選取高標(biāo)準(zhǔn)的核級(jí)石墨。

2.1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在閥桿填料密封、摩擦性能試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，見(jiàn)圖2。主要試驗(yàn)過(guò)程為：填料安裝在填料函內(nèi)，緊固螺栓壓蓋，驅(qū)動(dòng)裝置牽引閥桿進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)以模擬閥門的動(dòng)作。氦質(zhì)譜檢漏儀(型號(hào)：SFJ-211，分辨率：1×10-12Pa·m3/s)監(jiān)控填料的泄漏率。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)閥桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的行程、速度，并根據(jù)牽引力及運(yùn)行速度情況計(jì)算摩擦力。

1—氦氣源；2—壓力調(diào)節(jié)閥；3—放氣接口；4—閥桿；5—填料函；6—壓蓋；7—往復(fù)位移傳感器；8—軸向拉壓力傳感器；9—支撐環(huán)；10—柔性石墨環(huán)；11—編織盤(pán)根；12—軸向應(yīng)力預(yù)緊螺栓；13—真空安全系統(tǒng)；14—氦質(zhì)譜檢漏儀；15—閥桿驅(qū)動(dòng)裝置；16—數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。

2.1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)裝置設(shè)定在一定的往復(fù)行程及線速度運(yùn)行，對(duì)填料使用一定的緊固力矩。閥桿清洗并去除表面殘留的石墨等污染物。填料按圖1的組合方式進(jìn)行安裝，安裝后將螺栓擰緊至設(shè)定的扭矩值，開(kāi)機(jī)運(yùn)行6個(gè)往復(fù)循環(huán)后再擰緊螺栓至扭矩值，重復(fù)3 次以確認(rèn)擰緊力矩準(zhǔn)確可靠。相同狀態(tài)下每組試驗(yàn)執(zhí)行3 次，取均值，可消除試驗(yàn)偶然性帶來(lái)的誤差。

2.2 試驗(yàn)

2.2.1 平口石墨環(huán)和V形石墨環(huán)對(duì)比

選取平口和 V形的組合填料進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。從圖3可以看出：試驗(yàn)初期，V形石墨環(huán)填料的泄漏率高于平口石墨環(huán)填料，隨著循環(huán)次數(shù)的增加， V形石墨環(huán)填料的密封性略好于平口石墨環(huán)填料，差異不大。從圖4可以看出：2種填料的摩擦力隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律基本一致， 平口石墨環(huán)填料的摩擦力大于V形石墨環(huán)填料。

圖3 V形與平口石墨環(huán)組合填料泄漏率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖4 V形與平口石墨環(huán)組合填料摩擦力與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

綜上所述，平口石墨環(huán)的密封性能和摩擦學(xué)性能較V形石墨環(huán)要差，這是由于V形石墨環(huán)受到軸向力后，V形切口附近沿徑向優(yōu)先脹開(kāi)，形成局部高應(yīng)力環(huán)形區(qū)域，遠(yuǎn)離V形的密封面接觸應(yīng)力小，建立近似迷宮密封的效應(yīng)。

2.2.2 不同密度的石墨環(huán)對(duì)比

分別用不同密度的石墨環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 石墨環(huán)密度與泄漏率的關(guān)系(循環(huán)次數(shù))

圖6 石墨環(huán)密度與摩擦力的關(guān)系(循環(huán)次數(shù))

壓縮填料在預(yù)緊過(guò)程中填料的平均密度逐漸上升，且沿軸向由壓蓋向內(nèi)逐漸減小。因此，預(yù)緊前后的填料密度對(duì)軸向摩擦力和密封性能也有重要影響。

從圖5可以看出：相比相同密度的石墨填料，有密度梯度的密封性能好。

從圖6可以看出：具有相同密度的石墨組合填料，其摩擦力在前期(N<500)比密度梯度的填料要大，隨后其摩擦力增加，摩擦力介于密度為1.4～1.5 g/cm3的石墨環(huán)組合填料之間的密封性最好。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)得出如下兩方面的判斷：

(1) 柔性石墨環(huán)的截面形狀對(duì)密封性能、填料的摩擦力有顯著影響。相比V形石墨環(huán)與平口石墨環(huán)，V形填料可以建立 “迷宮密封”，并形成局部高應(yīng)力環(huán)形區(qū)域，因此V形石墨環(huán)的密封性能和摩擦性能優(yōu)于平口石墨環(huán)。

(2) 柔性石墨的密度也是填料密封性能和摩擦性能重要因素之一。具有密度梯度的填料相比等密度的組合填料，其密封性能和摩擦學(xué)性能均要更優(yōu)秀。

因此對(duì)于動(dòng)作頻繁的疏水閥，采用V形具有密度梯度的填料是最佳選擇。

3 結(jié)語(yǔ)

采用V形組合變密度填料(上下編織+V形變密度石墨環(huán))替代原有的填料，選擇在故障率非常高的3臺(tái)典型疏水閥上試用，3年使用下來(lái)僅出現(xiàn)過(guò)兩次泄漏，效果十分顯著。

閥門填料的選擇不能僅憑介質(zhì)的溫度、壓力就盲目草率決斷，還需要考慮閥門實(shí)際運(yùn)行情況。V形組合填料非常適合用在高溫高壓、閥門動(dòng)作頻繁的工況，解決了某核電站常規(guī)島疏水閥頻繁動(dòng)作導(dǎo)致的填料泄漏問(wèn)題。

[1] 宋鵬云. 軟填料密封機(jī)理分析[J]. 潤(rùn)滑與密封,2000(6): 64-66.

[2] 張向釗. 提高密封性能的新型密封填料[J]. 流體機(jī)械,1999(7): 30-31,37.

[3] 彭旭東,王玉明,黃興,等. 密封技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 液壓氣動(dòng)與密封,2009,29(4): 4-11.

Analysis and Treatment on Packing Leakage of a Steam Trap Valve

Qin Bojie1, Han Guanghui2, Li Yong3, Gu Liqiang1

(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;2 CNNP Nuclear Power Operations Management Co., Ltd., Haiyan 314300, Zhejiang Province, China;3. Ningbo Tiansheng Sealing Packing Co., Ltd., Ningbo 315302, Zhejiang Province, China)

To solve the leakage problems existing in a steam trap valve on conventional island of a certain nuclear power plant due to frequent actions of the valve, high-frequency reciprocating tests were conducted based on the principle of packing sealing, and subsequently different properties of the graphite seal ring with different incisions and densities were obtained by simulating the actions of the valve, after which a new type of packing was developed. The frequency of packing leakage has been significantly decreased after the new packing is applied for one and half years.

steam trap valve; combined packing; V-shaped graphite ring; density gradient

2015-09-29；

2016-05-16

秦博杰(1984—)，男，工程師，主要從事核電廠靜機(jī)設(shè)備技術(shù)管理工作。

E-mail: qinbj@cnnp.com.cn

TK623.7

A

1671-086X(2017)01-0030-03