氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥失效分析及處理

郭鈞霆 張瀟宇 羅楊

福建福清核電有限公司 福建福清 350318

1 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥簡(jiǎn)介

氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥是以壓縮空氣作為動(dòng)力源，以氣缸為執(zhí)行器，4-20mA的電信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并借助于閥門(mén)定位器、轉(zhuǎn)換器、電磁閥、保位閥等附件去驅(qū)動(dòng)閥門(mén)，使閥門(mén)呈快開(kāi)、線性或等百分流量等特性做調(diào)節(jié)動(dòng)作。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥可以連續(xù)且精確地調(diào)節(jié)流量，因而常被用來(lái)控制調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量、壓力和溫度等，是核電廠保障機(jī)組穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要的組成部分。

氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥基本工作原理（如下圖1）：氣源經(jīng)一個(gè)三通的接口分成三路，一路經(jīng)減壓過(guò)濾器減壓后作為電氣轉(zhuǎn)換裝置的供氣氣源；一路經(jīng)減壓過(guò)濾器減壓后作為定位器的供氣氣源；一路經(jīng)減壓閥減壓后作為放大器的供氣氣源。4-20mA的電信號(hào)經(jīng)電氣轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)化為氣信號(hào)，再由定位器對(duì)閥門(mén)行程進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)輸出一定的氣壓，最后通過(guò)放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的供氣，從而達(dá)到控制閥門(mén)開(kāi)度實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的作用[1]。

圖1 工作原理

2 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的失效分析及維修方法

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥常見(jiàn)的主要失效形式分為：閥門(mén)拒動(dòng)、閥門(mén)震蕩、閥門(mén)泄露及設(shè)計(jì)選型偏差等。

2.1 閥門(mén)拒動(dòng)的失效分析及維修方法

氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)給出后閥門(mén)動(dòng)作遲緩或閥門(mén)未動(dòng)作即為閥門(mén)拒動(dòng)，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥由壓縮氣體作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)閥桿閥芯動(dòng)作最終確定閥門(mén)的狀態(tài)，因此閥門(mén)未動(dòng)作的根本原因分析時(shí)中最重要的一環(huán)就是檢查是否有符合標(biāo)準(zhǔn)的氣源進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)。

（2）無(wú)氣源或者氣源壓力不足

無(wú)氣源或者氣源壓力不足：閥門(mén)動(dòng)力不足則會(huì)造成閥門(mén)無(wú)法動(dòng)作或動(dòng)作遲緩，原因判斷及排查處理步驟如下：

①控制信號(hào)未傳至電氣轉(zhuǎn)換器：檢查控制信號(hào)接線是否松動(dòng)，如松動(dòng)則重新連接。

②儀控附件堵塞、損壞：將進(jìn)氣減壓閥壓力調(diào)低，依次拆卸減壓閥、電氣轉(zhuǎn)換器、定位器、放大器下游接口并接入壓力表，檢查氣體壓力是否合格，逐步定位堵塞、損壞部件[2]。

（2）氣源合格。有符合標(biāo)準(zhǔn)氣源：執(zhí)行機(jī)構(gòu)若有合格氣源進(jìn)入而閥門(mén)拒動(dòng)，則需要考慮氣體泄漏或執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥體傳動(dòng)部分阻力較大的影響，原因判斷及排查處理步驟如下：

①檢查執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否有氣體泄漏，使用檢漏液檢查執(zhí)行機(jī)構(gòu)上下腔連接部位是否有泄漏，如有則按照標(biāo)準(zhǔn)力矩進(jìn)行緊固，無(wú)效則解體更換膜片；檢查排氣口在閥門(mén)未動(dòng)作時(shí)是否有氣體，如有則解體檢查更換膜片或O型圈；計(jì)算泄壓時(shí)間，如泄壓閥故障或堵塞會(huì)造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)排氣不及時(shí)從而使閥門(mén)動(dòng)作遲緩。

②閥門(mén)全關(guān)后脫開(kāi)聯(lián)軸器，動(dòng)作閥門(mén)觀察執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿動(dòng)作情況，若正常則為閥體故障，若不正常則為執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障或BENCHSET設(shè)置不合理。

③氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)阻力較大，在檢修中常見(jiàn)的阻力主要發(fā)生在推桿與執(zhí)行機(jī)構(gòu)底部間隙處，推桿變形或毛刺均會(huì)造成推桿與執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接接觸產(chǎn)生較大的摩擦阻力使閥門(mén)拒動(dòng)，推桿變形使用V形鐵進(jìn)行推桿矯保證彎曲度達(dá)標(biāo)，毛刺則需要進(jìn)行機(jī)加工修復(fù)或打磨處理，氣缸式執(zhí)行機(jī)構(gòu)則需要考慮氣缸裝配歪斜及O型圈變形脫出的原因，需要階梯進(jìn)行O型圈跟換并重新裝配氣缸。

④閥體阻力較大，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥體阻力集中體現(xiàn)在填料處，在檢修經(jīng)常出現(xiàn)的閥桿變形及填料力矩過(guò)大均會(huì)導(dǎo)致填料摩擦力較大影響閥門(mén)正常動(dòng)作，需要檢查閥桿并跟換填料按照標(biāo)準(zhǔn)力矩進(jìn)行緊固。

⑤BENCHSET較大或較小，會(huì)造成閥門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)間較長(zhǎng)或者行程達(dá)不到要求，需要脫開(kāi)聯(lián)軸器施加彈簧力上限稍大（正作用）/下限稍小（反作用）的氣壓，減小/增大至上限/下限觀察閥門(mén)開(kāi)始移動(dòng)的氣壓，如偏大或偏下均需調(diào)整彈簧力調(diào)整螺母使氣壓達(dá)到上限/下限時(shí)閥門(mén)開(kāi)始移動(dòng)。

2.2 閥門(mén)震蕩的失效分析及維修方法

閥門(mén)震蕩是指閥門(mén)收到一定開(kāi)度的控制信號(hào)但閥門(mén)實(shí)際卻無(wú)法達(dá)到并穩(wěn)定在理想開(kāi)度，會(huì)造成系統(tǒng)參數(shù)無(wú)法保持穩(wěn)定從而影響機(jī)組正常安全穩(wěn)定運(yùn)行。

造成閥門(mén)震蕩的原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）氣源壓力波動(dòng)較大，如氣源壓力的波動(dòng)范圍已經(jīng)無(wú)法達(dá)到的供氣壓力要求則會(huì)造成閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣壓無(wú)法調(diào)節(jié)至需要的壓力，使閥門(mén)無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定的要求開(kāi)度，此時(shí)需要調(diào)整氣源管網(wǎng)壓力保證氣源壓力在氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥需要的范圍內(nèi)。

（2）定位器故障是最主要最常見(jiàn)的閥門(mén)震蕩原因，而檢修中發(fā)生最多的定位器參數(shù)不合適造成，對(duì)于控制區(qū)常用的機(jī)械式定位器需要對(duì)零點(diǎn)和線性進(jìn)行調(diào)整，對(duì)于常規(guī)島常用的智能定位器需要使用專(zhuān)用的通訊器進(jìn)行定位器校驗(yàn)；除此之外，機(jī)械式定位器常見(jiàn)的故障還有反饋軸、凸輪、轉(zhuǎn)軸臂松動(dòng)脫落均造成反饋的氣壓無(wú)法正確穩(wěn)定，從而造成定位器輸出氣壓錯(cuò)誤，影響閥門(mén)達(dá)到正確穩(wěn)定的開(kāi)度[3]。

（3）閥門(mén)阻力較大也會(huì)造成閥門(mén)震蕩使閥門(mén)調(diào)節(jié)性能變差，具體參見(jiàn)（2）節(jié)。

2.3 閥門(mén)泄露的失效分析及維修方法

（1）閥門(mén)外漏。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥外漏主要發(fā)生在填料處，會(huì)造成帶有放射性系統(tǒng)介質(zhì)直接流出，增加環(huán)境劑量，填料密封失效造成外漏的主要原因有：

①填料使用未按設(shè)備生產(chǎn)設(shè)計(jì)維護(hù)要求進(jìn)行定期更換，處于使用壽期末期或超過(guò)壽期造成填料密封失效，此時(shí)需要對(duì)填料進(jìn)行更換處理，對(duì)于特殊的角行程氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥可以將閥桿置于到密封狀態(tài)臨時(shí)進(jìn)行降低泄漏處理。

②填料安裝方式不當(dāng)，力矩不足造成泄漏，對(duì)于福清核電常用的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥大多為帶引漏環(huán)及底環(huán)上下雙層填料設(shè)計(jì)，在安裝時(shí)注意安裝引漏環(huán)下部的填料后需要進(jìn)行預(yù)壓緊你，使壓縮載荷為最終載荷的30%，然后再安裝上層填料進(jìn)行力矩緊固。其中填料壓蓋螺栓參考力矩可進(jìn)行如下計(jì)算：

式中：D1-墊片起密封作用的內(nèi)徑，mm；D2-墊片起密封作用的外徑，mm；M-填料密封比壓，MPa；P-設(shè)計(jì)壓力，MPa；d-螺栓名義直徑，mm；K-螺母系數(shù)，對(duì)于潤(rùn)滑狀況一般的螺栓，取K=0.2；n-螺栓數(shù)量。安全系數(shù)1.2-1.5，螺栓力矩為：1.2T-1.5T，單位N·M。

2017年1月9日福清1號(hào)機(jī)組發(fā)生的1號(hào)穩(wěn)壓器噴淋閥填料泄漏事件，造成一回路泄漏率大于200L/h，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行，后確定為填料長(zhǎng)期未更換超過(guò)使用壽期造成；2016年福清3號(hào)機(jī)組發(fā)生穩(wěn)壓器噴淋閥填料泄漏，根據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力矩為75-90N·M，經(jīng)校核實(shí)際力矩不足，最后經(jīng)熱態(tài)緊固力矩最終消除泄漏缺陷。

（2）閥門(mén)內(nèi)漏。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥內(nèi)漏往往造成系統(tǒng)介質(zhì)非預(yù)期的流向下游，造成下游或者上游系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)（如壓力、溫度、流量等）改變，嚴(yán)重影響核電廠安全運(yùn)行。造成閥門(mén)內(nèi)漏的主要原因有兩點(diǎn)：

閥門(mén)未關(guān)閉，處于微啟狀態(tài)；閥門(mén)未關(guān)閉的檢查首先要從供氣開(kāi)始，判斷供氣壓力是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，檢查行程是否足夠，如果行程不足可能的原因是由于BENCHSET設(shè)置過(guò)大或過(guò)小，需要重新調(diào)整BENCHST至標(biāo)準(zhǔn)值，推桿與閥桿間隙過(guò)小使閥門(mén)未達(dá)到全行程，需要增大聯(lián)軸器間隙使閥門(mén)達(dá)到全行程。

密封面缺陷造成內(nèi)漏；在運(yùn)行階段如果氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥長(zhǎng)期在小開(kāi)度下運(yùn)行，會(huì)造成密封面吹損、氣蝕形成貫穿性缺陷造成介質(zhì)泄露，密封面夾雜固體雜質(zhì)也會(huì)使閥門(mén)無(wú)法關(guān)嚴(yán)甚至?xí)斐擅芊饷鎿p傷，這些密封面損傷需要對(duì)密封面進(jìn)行機(jī)加研磨修復(fù)。

判斷閥門(mén)內(nèi)漏原因是未關(guān)閉還是密封面損壞需要通過(guò)計(jì)算氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥此時(shí)的Cv值得出閥門(mén)開(kāi)度來(lái)判斷，如計(jì)算得出的閥門(mén)開(kāi)度極小則很大可能是密封面損壞或BENCHSET設(shè)置不合理造成，如開(kāi)度較大則原因較大可能為行程不足造成閥門(mén)未全關(guān)。

在福清核電發(fā)生過(guò)不同機(jī)組的同一型號(hào)的閥門(mén)顯示全關(guān)狀態(tài)下不同原因的內(nèi)漏情況，102大修后1RCV259VP閥門(mén)內(nèi)漏引起1RPE001BA液位非預(yù)期上漲，引起軸封水流量變化，經(jīng)過(guò)計(jì)算液位上漲速率得出閥門(mén)泄露量為600L/h，得出閥門(mén)Kv值及Cv值，根據(jù)圖紙Cv值與開(kāi)度對(duì)照曲線發(fā)現(xiàn)閥門(mén)實(shí)際開(kāi)度約為2%，判斷為閥門(mén)行程不足造成泄露，處理時(shí)根據(jù)閥門(mén)實(shí)際動(dòng)作情況發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器處推桿與閥桿間隙過(guò)小，通過(guò)檢查行程調(diào)整間隙后閥門(mén)泄露情況消失；3RCV259VP閥門(mén)內(nèi)漏引起一回路泄露增大了6L/h，經(jīng)過(guò)計(jì)算閥門(mén)開(kāi)度極小判斷為密封面缺陷造成內(nèi)漏。閥門(mén)泄漏量與閥門(mén)開(kāi)度公式如下：

Cv=1.167Kv，單位gal/min；

式中：流量系數(shù)Kv指在5-40℃的水在100KPa下每小時(shí)流過(guò)閥門(mén)的立方米數(shù)，單位m3/h；流量系數(shù)Cv指40-60℉的水在1PSI（磅/平方英寸）的壓降下，每分鐘流過(guò)閥門(mén)的（美）加侖數(shù)，單位gal/min。

根據(jù)閥門(mén)Cv—TRAVE對(duì)照曲線可得出閥門(mén)理論開(kāi)度。

2.4 設(shè)計(jì)選型偏差造成的失效

由于設(shè)計(jì)院給的設(shè)計(jì)參數(shù)（閥體的材質(zhì)、填料的形式、調(diào)節(jié)閥的流開(kāi)與流閉、流量特性的選擇及使用時(shí)的開(kāi)度等）與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求不符而出現(xiàn)故障。

若閥們經(jīng)常在開(kāi)度相對(duì)較低的情況下運(yùn)行，可采用改變調(diào)節(jié)閥流量特性的方法增大閥門(mén)Cv值。如把快開(kāi)特性改成直線特性、直線特性改成等百分比特性、等百分比特性改成雙曲線特性，可以在調(diào)節(jié)閥流量不變的情況下增大閥門(mén)的開(kāi)度，從而可以避免調(diào)節(jié)閥在小開(kāi)度下工作，有效地防止調(diào)節(jié)閥振動(dòng)。

調(diào)節(jié)閥流通能力Cv值選得過(guò)大，使得閥門(mén)經(jīng)常在小開(kāi)度下工作，介質(zhì)對(duì)閥芯閥座的沖刷及流量特性均受很大影響，使調(diào)節(jié)閥振蕩甚至引起密封面吹損。

在福清GCT125/127VL減溫水旁路調(diào)節(jié)閥，設(shè)計(jì)未考慮閥后壓腔無(wú)法快速建立的情況有調(diào)機(jī)風(fēng)險(xiǎn)的情況，造成閥門(mén)選型不當(dāng)Cv值過(guò)小，最后通過(guò)改變閥籠流量特性增大Cv值解決了此問(wèn)題。

3 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的日常保養(yǎng)維護(hù)

為了降低調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障的概率，日常對(duì)其進(jìn)行的維護(hù)保養(yǎng)工作也尤為重要，針對(duì)以上氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥易發(fā)生失效的原因，羅列出下面幾項(xiàng)措施：

（1）定位器、減壓閥定期排污（油、水），檢查反饋桿是否松動(dòng)與脫落并定期進(jìn)行潤(rùn)滑保養(yǎng)。

（2）檢查附件各壓力表是否損壞，氣源壓力是否符合調(diào)節(jié)閥銘牌上的額定值。

（3）檢查調(diào)節(jié)閥膜頭是否漏氣，氣源管是否破裂、漏氣，檢查調(diào)節(jié)閥上下膜蓋排氣孔是否堵塞。

（4）檢查調(diào)節(jié)閥的填料、中法蘭是否有泄漏。

（5）檢查進(jìn)線口是否密封，各螺栓連接件部分是否銹蝕，是否需要防腐。

（6）檢查調(diào)節(jié)閥的手輪是否處于自動(dòng)位置，未處于自動(dòng)位置的是否屬于限位，是否有記錄。

（7）定期對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行在線診斷，保證其各項(xiàng)性能良好。

（8）定期對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行解體檢查，對(duì)膜片、填料等進(jìn)行更換。

4 結(jié)語(yǔ)

做好調(diào)節(jié)閥日常巡檢和維護(hù)保養(yǎng)工作，可大幅度提高調(diào)節(jié)閥使用的穩(wěn)定性，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，根據(jù)上述總結(jié)描述逐步進(jìn)行原因分析、查找失效原因、制定解決方案等一系列工作，對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥維修來(lái)說(shuō)具有重要借鑒意義，更是為核電機(jī)組穩(wěn)定安全運(yùn)行保駕護(hù)航。