主蒸汽隔離閥無法開啟的分析

徐力 陳朝暉 錢青鋒

【摘? 要】國內(nèi)CRP1000機(jī)組主蒸汽隔離閥在實際使用中，經(jīng)常遇到閥門無法開啟的情況。本文通過理論分析計算，得出閥門開啟需要的最大力，得出主蒸汽隔離閥無法開啟是閥門的自有特性，是閥門設(shè)計的正常運(yùn)行時的空氣壓力無法達(dá)到開閥時所需的空氣壓力導(dǎo)致的。通過臨時提高空氣壓力的方式，使得閥門開啟。本文的計算分析過程，可為同類型閥門的計算及標(biāo)準(zhǔn)制定提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】主蒸汽隔離閥;開閥力;油壓;空氣壓力

1.設(shè)備基本原理

核電廠的主蒸汽隔離閥位于主蒸汽管道上，用于主蒸汽管線的隔離。國內(nèi)CPR1000機(jī)組的主蒸汽隔離閥由FLOWSERVE公司生產(chǎn)，由閥門本體和驅(qū)動器兩部分組成。閥門本體采用DN800平行式楔形雙閘板閥。兩片閘板由一個間隔環(huán)分開，連接到閥桿端部。閥桿與閥蓋間用盤根密封。驅(qū)動器采用A-290型號氣/液蓄能式驅(qū)動器。驅(qū)動器內(nèi)部腔室被活塞分為上下兩部分，上部是一個半球形的高壓氮?dú)飧祝虏繛楦邏河透?。主蒸汽隔離閥上游空氣經(jīng)過空氣調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)后，作為空氣油泵動作的動力?？諝庥捅脛幼鬏敵龅母邏河妥饔迷诨钊虏?，克服作用在活塞上部的氮?dú)庾饔昧ΑⅡ?qū)動器活塞組件及閘板組件重力、摩擦力的總和，使得閥門開啟。電磁閥控制泄油閥動作，將高壓油排放到油箱內(nèi)，閥門在氮?dú)庾饔昧?、?qū)動器活塞組件及閘板組件重力共同作用下，實現(xiàn)閥門的關(guān)閉。

實際使用中，經(jīng)常發(fā)生主蒸汽隔離閥無法正常開啟的情況，檢查各系統(tǒng)及組件均正常，參數(shù)設(shè)置也均在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。所以，有必要對閥門開閥力進(jìn)行詳細(xì)的計算，來找出閥門無法開啟的準(zhǔn)確原因。

2.理論計算

2.1閥門的計算參數(shù)

如表1所示，本文用到的閥門的主要的參數(shù)，如表1所示：

注：理想環(huán)境溫度：0℃～40℃，小于0℃和超過40℃且≤316℃時，驅(qū)動器和閥門仍然能夠正常運(yùn)行，但需要考慮縮短閥門維護(hù)周期及組件的更換周期。閘板與閥座的滑動摩擦系數(shù)μ可能會受閥門運(yùn)行時間、閘板研磨精度、制造精度等因素的影響，為了計算方便，本文后面計算過程中，假定μ值保持0.3不變。

2.2氮?dú)庾饔昧Nax

高壓氮?dú)飧壮涞?，閥門全關(guān)狀態(tài)時如公式1：

如表1所示，閥門在全關(guān)狀態(tài)，在最高環(huán)境溫度40℃下，高壓氮?dú)飧讐毫1，那么根據(jù)式（1）可得出P1=130.53bar。按照設(shè)備設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，氮?dú)饫碚撝蹬c實際值差值滿足±7bar的要求，所以此時氮?dú)鈮毫ψ罡咧禐镻max=137.53bar。

作用面受力公式如下：

參考表1，活塞上部面積為67012.0 mm2，由公式（2）可得出，此時活塞受到的氮?dú)獾淖饔昧椋篎Nmax ≈921.62KN。

2.3閘板摩擦力Fmc

受壓面所受靜摩擦力公式如下：

根據(jù)表1，閥門上游壓力取最大值86bar，閥門下游壓力按照大氣壓1 bar計算，得閘板前后壓差為85bar;閥座面積198712.6mm2;摩擦系數(shù)0.3。由公式（3），可得出，閥門關(guān)閉時，閘板受到的靜摩擦力約為Fmc=506.72KN。

2.4閥桿與盤根摩擦力Fr

根據(jù)廠家給出的經(jīng)驗公式，閥門盤根單位面積摩擦力：

如表1，盤根內(nèi)部壓力取最大值86bar，盤根外部壓力按照大氣壓1 bar計算，盤根內(nèi)外壓差85 bar。由公式（4），可得出閥門盤根單位面積摩擦力fu≈7.71bar。閥桿與盤根摩擦力公式如下：

根據(jù)表1，盤根閥桿直徑76.2mm，單個盤根高度12.7mm，根據(jù)公式（6）得閥桿與單根盤根接觸面積約為3038.70mm2。盤根數(shù)量8根，得閥桿與盤根接觸總面積Sr≈24309.6 mm2。根據(jù)公式（5）得出閥桿與盤根摩擦力Fr≈18.74KN。

2.5閘板組件及驅(qū)動器活塞組件自重作用力FG

閘板組件及驅(qū)動器活塞組件自重約538KG，換算為重力作用力FG≈5.27KN。

2.6閥門內(nèi)部介質(zhì)向上的頂升力FT

介質(zhì)作用在閘板組件上的向上的作用力的面積與閥桿的橫截面積基本相同，此處按照閥桿橫截面積計算。如表1所示，內(nèi)部介質(zhì)最大壓力86bar，閥桿橫截面積4560.4mm2，根據(jù)公式（2），得出FT≈39.22KN。

2.7閥門開啟所需最大油壓Pmmax

閥門在關(guān)閉狀態(tài)需要開啟，在最高環(huán)境溫度40℃下，油壓作用在活塞下部面積上的力（Fmmax）與閥門內(nèi)部介質(zhì)向上的頂升力（FT）之和，需要大于氮?dú)庾饔昧Γ‵Nmax）、閘板摩擦力（Fmc）、閥桿與盤根摩擦力（Fr）、閘板組件及驅(qū)動器活塞組件自重作用力（FG）之和。即：Fmmax+ FT>FNmax+ Fmc+ Fr+ FG。由上文計算結(jié)果，F(xiàn)mmax>1413.11KN。根據(jù)表1所示，活塞下部面積為60804.8mm2，根據(jù)公式（2）計算得出，Pmmax> 232.40bar。

2.8小結(jié)

根據(jù)上述計算得出，環(huán)境溫度在40℃，閥門上游壓力86bar情況下，主蒸汽隔離閥需要至少232.40bar的油壓才能開啟。

高壓油通過空氣油泵的動作來提供。空氣油泵的輸入空氣與油壓輸出設(shè)計比約為1：60，可以推導(dǎo)出，輸入空氣的壓力約等于3.87bar。輸入空氣的壓力由空氣調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。即，空氣調(diào)節(jié)閥需要將上游空氣調(diào)整到>3.87bar，主蒸汽隔離閥才能正常開啟?？諝鈮毫υO(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為3.4bar～4.0bar，所以經(jīng)常發(fā)生主蒸汽隔離閥無法正常開啟的情況。

實際工作中，現(xiàn)場環(huán)境溫度常常出現(xiàn)大于40℃的情況，所以需要更高的開閥油壓?？諝庥捅玫妮斎肟諝馀c油壓輸出比也達(dá)不到理想的1：60，故需要更高的空氣壓力。這時候需要的空氣壓力往往大于最大空氣壓力設(shè)計值4.0bar。

空氣壓力是根據(jù)閥門保持在開啟狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的工況設(shè)計的，過高的空氣壓力勢必導(dǎo)致油壓的升高。過高的油壓對設(shè)備及系統(tǒng)也會造成更高的風(fēng)險。所以，并不能根據(jù)開閥需要修改空氣壓力標(biāo)準(zhǔn)。這就需要將空氣壓力臨時調(diào)大，等閥門開啟后重新調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

3.結(jié)論

根據(jù)上述計算及分析，我們得出主蒸汽隔離閥無法正常開啟是閥門的自有特性，是閥門設(shè)計的正常運(yùn)行時的空氣壓力無法達(dá)到開閥所需的空氣壓力導(dǎo)致的。實際工作中，主蒸汽隔離閥開閥時，需要維修人員進(jìn)行協(xié)助，遇到閥門無法開啟的情形，臨時調(diào)高空氣壓力，等閥門開啟后將空氣壓力重新調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)即可。

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