主給水小流量隔離閥閥桿斷裂原因分析與改進(jìn)

朱泳賢

(臺(tái)山核電合營(yíng)有限公司,廣東 臺(tái)山 529200)

主給水隔離閥是某核電站發(fā)電機(jī)組蒸汽發(fā)生器主給水系統(tǒng)中重要的設(shè)備,用于給水發(fā)生故障時(shí)隔離蒸汽發(fā)生器以免蒸汽發(fā)生器過(guò)度充水。

核電站在建機(jī)組的全部主給水電動(dòng)隔離閥在安裝完成后,均采用調(diào)閥工具就地操作,進(jìn)行閥門功能試驗(yàn)。主給水小流量隔離閥1ARE2420VL-在發(fā)生閥桿斷裂事件前已完成現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,用調(diào)閥工具開關(guān)數(shù)次,未發(fā)現(xiàn)異常。開始主控室控制調(diào)試1ARE2420VL-,進(jìn)行關(guān)閥操作時(shí)發(fā)現(xiàn)偏差報(bào)警,顯示閥門無(wú)法動(dòng)作?，F(xiàn)場(chǎng)檢查電纜等相關(guān)接線,核實(shí)未發(fā)生故障。再檢查閥門本體,發(fā)現(xiàn)閥門幾乎處于全開位,閥桿斷裂,斷裂部位為閥桿傳動(dòng)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(dòng)楔形閘閥,由閥體、閥桿、閥蓋、軛架、電動(dòng)執(zhí)行器等組成,圖1是主給水小流量隔離閥結(jié)構(gòu)示意圖。隔離閥通過(guò)多回轉(zhuǎn)電動(dòng)執(zhí)行器操縱,可處于開位和關(guān)位間的任意位置,但正常工況下,閥門只進(jìn)行開啟和關(guān)閉操作。

電動(dòng)執(zhí)行器有行程控制和力矩控制機(jī)構(gòu),各自觸發(fā)時(shí),電動(dòng)執(zhí)行器的電源都會(huì)被切斷,使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)執(zhí)行器的行程限位是根據(jù)閥門的完全開啟或關(guān)閉位置稍作回調(diào)設(shè)定,以使閥門在開到底或關(guān)到底前,行程限位觸發(fā)。電動(dòng)執(zhí)行器通過(guò)力矩控制機(jī)構(gòu)控制輸出力矩,通過(guò)預(yù)先整定力矩值以準(zhǔn)確控制閥門的關(guān)閉位置,主要用于強(qiáng)制密封性閥門。力矩控制機(jī)構(gòu)還起過(guò)力矩保護(hù)作用,在閥門開啟和關(guān)閉過(guò)程出現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過(guò)允許值時(shí)觸發(fā),以保護(hù)閥門。主給水小流量隔離閥采用行程開和力矩關(guān)控制,且開關(guān)過(guò)程均有力矩保護(hù),開力矩設(shè)定值為1 165 N·m,關(guān)力矩設(shè)定值為1 553 N·m。

2 斷裂閥桿材質(zhì)檢驗(yàn)

主給水小流量隔離閥的斷裂閥桿送第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn),圖2是送檢的斷裂閥桿。通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行斷裂面成像分析、金相分析、室溫拉伸試驗(yàn)、洛氏硬度測(cè)量和化學(xué)成分分析,調(diào)查閥桿斷裂的根本原因。

圖1 主給水小流量隔離閥結(jié)構(gòu)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F(xiàn)ig.2 Macrophoto of cracked valve stem

通過(guò)閥桿斷裂面成像,捕捉到斷裂產(chǎn)生的關(guān)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(xì)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(guò)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(guò)度拉伸變形導(dǎo)致。對(duì)斷裂截面進(jìn)行金相分析,其微觀組織是完整排列的孿生馬氏體,基本沒(méi)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?cè)跀嗔训臅r(shí)候把非金屬成分環(huán)繞起來(lái)。進(jìn)一步化學(xué)分析,并對(duì)閥桿進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和硬度測(cè)量,確定斷裂閥桿的化學(xué)成分和機(jī)械性能均滿足所用材質(zhì)ASTM SA564 T630 COND H1100的性能要求。最終判定,閥桿的斷裂是軸向過(guò)度拉伸導(dǎo)致,斷裂時(shí)至少有約818 k N的載荷作用在閥桿上,對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度大約是1 061 MPa。

3 電動(dòng)執(zhí)行器輸出力矩和推力復(fù)驗(yàn)

拆卸閥門的電動(dòng)執(zhí)行器,用力矩校驗(yàn)臺(tái)復(fù)驗(yàn)執(zhí)行器的力矩保護(hù)設(shè)定值,表1是電動(dòng)執(zhí)行器復(fù)驗(yàn)數(shù)據(jù)表。經(jīng)過(guò)復(fù)驗(yàn),電動(dòng)執(zhí)行器的力矩保護(hù)正常觸發(fā),且觸發(fā)值與設(shè)定值基本持平,差值在允許范圍內(nèi)。

表1 電動(dòng)執(zhí)行器力矩復(fù)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 1 Actuator torque value recheck data sheet

電動(dòng)執(zhí)行器的輸出力矩通過(guò)傳動(dòng)螺母,轉(zhuǎn)換為閥桿的輸出推力。公式 (1)是輸出推力的計(jì)算公式,開、關(guān)力矩設(shè)定后,輸出推力的大小與螺紋系數(shù)成反比。公式 (2)是螺紋系數(shù)的計(jì)算公式,在螺紋特征、螺距和公稱直徑確定后,螺紋系數(shù)由閥桿和傳動(dòng)螺母間的摩擦系數(shù)決定,并隨摩擦系數(shù)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(shù)。

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

電動(dòng)隔離閥裝配后的最大開啟推力是由電動(dòng)執(zhí)行器設(shè)定的開力矩保護(hù)值和確定的螺紋系數(shù)決定的。閥桿和傳動(dòng)螺母之間的摩擦系數(shù)用于確定適用的螺紋系數(shù),而且摩擦系數(shù)是唯一會(huì)因閥門裝配條件變化的輸入?yún)?shù)。根據(jù)電動(dòng)執(zhí)行器的規(guī)格參數(shù),主給水小流量隔離閥選定閥桿和傳動(dòng)螺母間最大的摩擦系數(shù)值0.15,用作計(jì)算螺紋系數(shù)。當(dāng)電動(dòng)執(zhí)行器設(shè)定的開力矩為1 165 N·m,作用在閥桿上的輸出推力的計(jì)算值為258.4 k N。閥桿斷裂后,電動(dòng)隔離閥生產(chǎn)廠在裝有同樣電動(dòng)執(zhí)行器的同一尺寸的閘閥上進(jìn)行內(nèi)部測(cè)試,結(jié)果揭示了閥桿和傳動(dòng)螺母間的摩擦系數(shù)值大約在0.07～0.08的范圍內(nèi)。按實(shí)測(cè)的摩擦系數(shù)0.07計(jì)算,得到閥桿實(shí)際輸出推力值為414.8 k N。

盡管閥桿的實(shí)際輸出推力值414.8 k N遠(yuǎn)比計(jì)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(guò)程,無(wú)法產(chǎn)生拉斷閥桿的推力。

4 閥桿斷裂原因分析

經(jīng)解體閥門檢查和斷裂閥桿材質(zhì)檢驗(yàn),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(fā)生在閥門開啟過(guò)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(shè)閥桿是在閥瓣仍楔在閥座中時(shí)拉斷,那拉斷的部位肯定是閥桿最薄弱的環(huán)節(jié),閥桿最薄弱環(huán)節(jié)所能夠承受的主應(yīng)力值是最小的。小流量電動(dòng)隔離閥閥桿薄弱環(huán)節(jié)有兩處,一個(gè)是傳動(dòng)螺紋的縮徑即閥桿的最小直徑處,另一個(gè)是閥桿與閥瓣的連接處即開啟過(guò)程的閥桿T頭和關(guān)閉過(guò)程的閥桿箍圈。開啟過(guò)程中,閥桿T頭能夠承受的主應(yīng)力小于閥桿縮徑。事實(shí)上,若作用在閥桿上的推力過(guò)大,閥瓣上嵌入閥桿T頭的狹槽上壁是第一個(gè)失效的,之后是閥桿T頭,然后才是閥桿縮徑產(chǎn)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(dòng)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(méi)有發(fā)現(xiàn)任何材料失效的特征。另外,閥桿拉斷如果發(fā)生在閥瓣楔在閥座時(shí),閥瓣應(yīng)該卡澀在閥座里,閥門解體時(shí)會(huì)很難取出,這也與閥桿斷裂時(shí)閥門處于開位的實(shí)際情況不符。因此,閥桿不可能是在閥瓣仍楔在閥座中時(shí)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(shí)發(fā)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(méi)有載荷,故不受損傷。圖3是閥桿和閥蓋上檢查發(fā)現(xiàn)的碰撞痕跡,證明了閥桿與閥蓋確實(shí)發(fā)生了碰撞。閥桿與閥蓋相碰時(shí),閥桿會(huì)同時(shí)受到電動(dòng)執(zhí)行器向上的推力和閥蓋向下的反作用力,這兩個(gè)力大小相等、方向相反,導(dǎo)致閥桿受到雙倍418.8 k N輸出推力的載荷作用。閥桿檢測(cè)結(jié)果,斷裂時(shí)至少有約818 k N的載荷作用在閥桿上,證明了閥桿確實(shí)是在與閥蓋碰撞時(shí),發(fā)生過(guò)度拉伸變形導(dǎo)致拉斷的。

圖3 閥桿和閥蓋上檢查發(fā)現(xiàn)的碰撞痕跡Fig.3 Collision marks on stem and bonnet

5 改進(jìn)措施

主給水小流量隔離閥發(fā)生閥桿與閥蓋碰撞的原因是閥門電動(dòng)執(zhí)行器開行程限位設(shè)置有誤,沒(méi)有根據(jù)閥門的倒密封位置往回調(diào)設(shè)定或往回調(diào)的距離不足。為避免電動(dòng)執(zhí)行器把閥桿推到倒密封位置,使閥桿與閥蓋碰撞導(dǎo)致拉伸變形失效,隔離閥的電動(dòng)執(zhí)行器開行程限位的設(shè)置應(yīng)按下述步驟嚴(yán)格執(zhí)行:1)通過(guò)手輪開啟閥門,把閥桿推到倒密封位置;2)再通過(guò)手輪往回關(guān)閥門,使閥桿離開倒密封至少4 mm;3)根據(jù)此位置設(shè)定電動(dòng)執(zhí)行器的開行程限位。

電動(dòng)隔離閥實(shí)測(cè)的閥桿和傳動(dòng)螺母間的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)小于選定的摩擦系數(shù),使得軸向輸出推力增大至原設(shè)計(jì)推力的1.6倍,導(dǎo)致閥桿與閥蓋碰撞時(shí),作用在閥桿上的載荷超過(guò)閥桿允許載荷,閥桿發(fā)生拉伸變形。為使閥桿實(shí)際輸出推力與設(shè)計(jì)推力一致,閥門的電動(dòng)執(zhí)行器需根據(jù)傳動(dòng)螺母與閥桿間的實(shí)際摩擦系數(shù)重新計(jì)算力矩保護(hù)的設(shè)定值,使電動(dòng)執(zhí)行器的輸出力矩滿足使用要求并保護(hù)閥門。經(jīng)過(guò)核算,開力矩設(shè)定值降為891 N·m,關(guān)力矩降為1 391 N·m。

此外,隔離閥閥桿縮徑為制造工藝預(yù)留退刀槽,也是閥桿受力薄弱部位。為消除薄弱環(huán)節(jié),增強(qiáng)閥桿總體強(qiáng)度,制定了閥桿改進(jìn)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(jié)論

通過(guò)上述改造,該核電站在建機(jī)組的主給水小流量隔離閥經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)開關(guān)操作,未發(fā)生閥桿斷裂現(xiàn)象,且閥門關(guān)閉嚴(yán)密,開啟順暢,滿足了機(jī)組的相關(guān)調(diào)試工作開展,也為日后機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。