膨脹水箱浮球閥選型和故障分析

吳新華

（中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司，廣東 深圳518000）

作為一種自動(dòng)控制閥門，浮球閥的功能是允許適量的水進(jìn)入水箱，當(dāng)達(dá)到了浮球閥關(guān)閉水位時(shí)，浮球閥能夠正確關(guān)閉。浮球閥的規(guī)范，有英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 1212。但在國(guó)內(nèi)，浮球閥卻未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的閥門質(zhì)量也是參差不齊。由于閥門較簡(jiǎn)單，再加上標(biāo)準(zhǔn)的缺乏，設(shè)計(jì)人員也普遍對(duì)浮球閥不夠重視，造成了浮球閥在實(shí)際使用中出現(xiàn)故障的情況較多。

1 浮球閥的設(shè)計(jì)考慮和分類

設(shè)計(jì)浮球閥時(shí)應(yīng)該考慮以下因素：提供低壓頭損失下的高流量（低的進(jìn)口壓力下可運(yùn)行）、設(shè)計(jì)出可以減小汽蝕和噪聲的閥座、減小摩擦阻力和關(guān)閉力、保證浮子/杠桿對(duì)閥內(nèi)組件的可靠控制。目前普遍的浮球閥設(shè)計(jì)成：先導(dǎo)型或標(biāo)準(zhǔn)型；小孔或者大孔型；長(zhǎng)杠桿/小浮球或者是短杠桿/大浮球；浮球懸掛或者安裝在杠桿上等。從本質(zhì)上可以將浮球閥分成三種基本類型[1]：

（1）BS1212 1-4 部分（如下圖1 所示）

（2）平衡型 （如下圖2 所示）

（3）延遲動(dòng)作型 （如下圖3 所示）

圖1 BS1212-1 型浮球閥

圖2 平衡型浮球閥

圖3 延遲動(dòng)作型浮球閥[2]

在英國(guó)，應(yīng)用于衛(wèi)生間或者民用建筑水箱上最常見的是BS1212 型，口徑為15mm。因不能防止回流，第1 部分型的閥門不能應(yīng)用于衛(wèi)生間，除非安裝逆止閥。與平衡型相比，BS1212 浮球閥在同樣的入口壓力下流量更小，并且水頭損失也更大。短時(shí)間使用是合適的，然而隨著入口壓力的降低，有穩(wěn)定水量需求的水箱，更加傾向于選擇壓頭要求更低和流量更大的平衡型閥門。

延遲動(dòng)作型閥門最主要的特點(diǎn)是10bar 關(guān)閉、可調(diào)整的浮球閥關(guān)閉水位（以下簡(jiǎn)稱TWL）、長(zhǎng)壽命閥座、小操作力以及有輕微延遲的正向的快速開關(guān)動(dòng)作。與BS1212 內(nèi)的閥門相比，Keraflo 延遲動(dòng)作浮子閥的尺寸和特殊浮子的動(dòng)作空間更大，也就更加受限于水箱內(nèi)的就位。它們壓頭損失更大，流量相對(duì)較小。另外，它們的流量隨尺寸變化。給定流量要求，選擇最適合的閥門尺寸，就必須要精確知道閥門入口的運(yùn)行壓力。最基本的特征是從全開度到達(dá)到最高水位時(shí)全關(guān)非常快，當(dāng)水位稍低于TWL 時(shí)，閥門迅速全開。最大的優(yōu)點(diǎn)是接收水箱能一直保持或接近全水位的同時(shí)，減少了浮球閥的磨損和開關(guān)負(fù)荷。

2 浮球閥的常見問(wèn)題和解決辦法

2.1 閥門無(wú)法關(guān)嚴(yán)

這是最常見的問(wèn)題，引起這種失效的原因包括：

a.閥座上有異物。

b.密封面磨損。

c.浮球/杠桿機(jī)構(gòu)沒有足夠大的力，能夠在系統(tǒng)壓力下關(guān)閉閥門。

a 和b 的糾正措施比較明顯（清理和更換），但對(duì)于c，如果選擇了級(jí)別不夠的閥門，則應(yīng)復(fù)核水箱補(bǔ)水管道的最大壓力，并根據(jù)此選擇一個(gè)恰當(dāng)級(jí)別的浮球閥。選擇加長(zhǎng)桿或更換大浮球可能解決這一問(wèn)題；浮球也有可能損壞，不能提供足夠大的向上的關(guān)閉力。注意檢查當(dāng)在系統(tǒng)壓力下關(guān)閉時(shí)，浮球不應(yīng)該浸入超過(guò)一半。

2.2 閥門不能在預(yù)計(jì)的TWL 關(guān)閉

這種情況需要調(diào)整浮球臂。某些特殊設(shè)計(jì)的閥門提供了這種功能，但對(duì)常規(guī)的BS1212 和平衡型閥門而言，調(diào)整浮球臂則必須要注意。將杠桿向下彎，則閥門的設(shè)計(jì)杠桿比例減小，導(dǎo)致了閥門關(guān)閉力減小。對(duì)大多數(shù)情況而言，調(diào)整并不復(fù)雜，而且關(guān)閉力足夠。如果觀察到浮球向下設(shè)定過(guò)量，或者說(shuō)浮球一直受到出水噴濺的影響而導(dǎo)致閥門全開，這樣就需要考慮換一個(gè)直徑更大的浮球。

2.3 閥門反復(fù)開關(guān)或發(fā)出敲擊噪聲

當(dāng)浮球/杠桿機(jī)構(gòu)沒有絕對(duì)有效控制閥門組件時(shí)，閥門反復(fù)開關(guān)出現(xiàn)了，可能是在最終關(guān)閉時(shí)出現(xiàn)了水力變化導(dǎo)致的。敲擊聲的頻率是5-15 赫茲。當(dāng)水箱一直有微小的用水時(shí)，浮球閥響應(yīng)這一變化而縫隙打開。如果出現(xiàn)了這種現(xiàn)象不檢查，閥門密封面和杠桿會(huì)很快變壞，管道接頭也很可能被水錘破壞。

解決辦法：

a.安裝一個(gè)壓力級(jí)別更高的浮球閥。

b.對(duì)于BS1212 閥門，可以選擇小孔浮球閥。

c.選擇一個(gè)大浮球或長(zhǎng)杠桿的浮球閥，以便增大關(guān)閉力。

2.4 補(bǔ)水時(shí)噪聲大

如果流速過(guò)大，浮球閥和管道內(nèi)會(huì)發(fā)出高噪聲。給水管和浮球閥通常在選型時(shí)應(yīng)該基于流速不大于2m/s。隨著流速增大，噪聲水平也會(huì)增大，設(shè)備也會(huì)增加磨損和疲勞。浮球閥在流速大于3m/s 的情況下運(yùn)行，不僅會(huì)產(chǎn)生高的煩人噪聲水平，更需要頻繁的維修。

2.5 共振

這種現(xiàn)象會(huì)發(fā)生在閥門的固有頻率與水箱內(nèi)的水波頻率相同時(shí)。這種頻率比前面討論的要低，很可能是1-2 赫茲,但閥門內(nèi)部組件運(yùn)動(dòng)幅度更大。這會(huì)導(dǎo)致大且劇烈的管道內(nèi)流速變化，并且引起嚴(yán)重的壓力波動(dòng)。如果不檢查，這會(huì)導(dǎo)致管道斷裂。每1m/s 的瞬時(shí)流速變化會(huì)在管道內(nèi)引起10bar 的壓力波動(dòng)。容器內(nèi)的水面波動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。解決辦法是打破閥門和水波之間的共振，需要不斷嘗試和糾正。

可能的辦法有：

a.在出水口和浮球之間引入擋板，減少浮球附近的水面波動(dòng)

b.在水箱上安裝圍擋，防止水波的反射影響浮球動(dòng)作。

3 大亞灣基地內(nèi)的浮球閥情況

為了能夠得到合理的壽命和減小發(fā)出的噪聲，在選擇浮球閥不應(yīng)該越級(jí)。一般來(lái)說(shuō)，基于名義的入口孔徑的流速為2-3m/s，額定的關(guān)閉壓力為6 或10bar。安裝了設(shè)計(jì)限制之外的閥門，會(huì)增加出現(xiàn)諸如無(wú)法關(guān)閉、閥座過(guò)早磨損、高噪聲、水錘或者閥門反復(fù)開關(guān)（影響閥門壽命）等故障。在大亞灣核電站的常規(guī)島設(shè)計(jì)中，有較多使用了浮球閥，而嶺澳核電站常規(guī)島時(shí)沿用了大亞灣的設(shè)計(jì)。表1 為嶺澳核電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)中的水箱數(shù)據(jù)[2，3，4]：

表1 水箱數(shù)據(jù)表

表2 Keraflo 公司K 型浮子閥流量數(shù)據(jù)表[5]

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，水箱SER001BA 與GST001BA 相比，浮球閥口徑相同，入口壓力稍低，但補(bǔ)水量卻相差較大，不符合相似定律。從水箱的水裝量來(lái)看，最大的水裝量配套了最小的補(bǔ)水浮球閥，這也不合理。大亞灣核電站是在二十多年前設(shè)計(jì)的，數(shù)據(jù)已經(jīng)無(wú)法從原設(shè)計(jì)方處核對(duì)，但對(duì)照Keraflo 公司K 型浮子閥（見表2）和日本兼工業(yè)的浮球閥流量數(shù)據(jù)表（見圖4），仍可以推算出系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所需的流量。

圖4 兼工業(yè)FW 型浮球閥流量數(shù)據(jù)表[6]

從表2 和圖4 可以看出，Keraflo 公司DN40 的浮球閥，在入口壓力為4.5bar 下流量為9.3m3/h，在入口壓力為5.5bar 下的流量為10.3m3/h。兼工業(yè)的浮球閥流量分別為18m3/h 和20m3/h。DN50 的浮球閥在5.5bar 入口壓力下的流量則分別為25m3/h、34m3/h。對(duì)比之下可以看出，系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)中的最大補(bǔ)水量數(shù)據(jù)比所選擇浮球閥的流量要小很多。嶺澳核電二號(hào)機(jī)組DN50 的浮球閥，在5.5bar 入口壓力下的實(shí)測(cè)流量為24m3/h，超出了設(shè)計(jì)手冊(cè)的60%。這種越級(jí)的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致浮球閥SRI003VD 每年都會(huì)出現(xiàn)關(guān)不嚴(yán)等故障。

4 改進(jìn)建議

大亞灣基地內(nèi)的核電廠基本上都是小水箱配大流量的浮球閥，而正確的做法是水箱容積和浮球閥的流量應(yīng)相匹配。SER001BA 中的浮球閥，受水面波動(dòng)的影響較大，一旦浮球探測(cè)到水位下降，則浮球閥立即開啟補(bǔ)水。浮球閥頻繁的啟動(dòng)，導(dǎo)致了閥門密封面損壞。閥門不能關(guān)嚴(yán)，水箱一直在補(bǔ)水而溢流。SRI001BA 中的浮球閥，由于閥門口徑過(guò)大，在水位下降時(shí)開啟，之后幾秒鐘內(nèi)水位因補(bǔ)水到達(dá)關(guān)閉水位，閥門關(guān)閉。因此而在SRI 系統(tǒng)管道內(nèi)產(chǎn)生了水錘，閥門密封件無(wú)法承受水錘壓力而損壞。進(jìn)而閥門內(nèi)漏，水箱溢流。系統(tǒng)中的水裝量，會(huì)隨著溫度的變化而膨脹或收縮，需要水箱接收或者補(bǔ)充。一般50mm 以內(nèi)的水位下降，對(duì)水箱的功能來(lái)說(shuō)沒有任何影響，但浮球閥會(huì)因此而開啟。頻發(fā)的啟閉引發(fā)了閥門的損壞，非常有必要減少閥門的開關(guān)負(fù)荷，選用能在微小的水位變化時(shí)不會(huì)動(dòng)作的浮球閥。Keraflo 浮子閥可以在閥門關(guān)閉之后，幾分鐘內(nèi)仍有很小的水量流出。水箱溢流管口比最高關(guān)閉水位高約50mm。這樣的設(shè)計(jì)一方面不會(huì)溢流，另一方面可以解決因水的不可壓縮性而產(chǎn)生的水錘危害。Keraflo 浮子閥用的是旋塞式陶瓷閥芯，在水箱中可使用25 年以上。鑒于延遲動(dòng)作型浮子閥的優(yōu)越性，對(duì)照Keraflo 浮子閥手冊(cè)，結(jié)合浮子閥的材質(zhì)要求，選型建議如下：

（1）對(duì)于SER001BA，可以選用K 型DN25 的浮子閥，在4.5bar 的入口壓力下，流量為6m3/h。

（2）對(duì)于GST001BA，可以選用Ks 型DN20 的浮子閥，在5.5bar 的入口壓力下，流量為3.4m3/h。

（3）對(duì)于SRI001BA，可以選用K 型DN25 的浮子閥，在5.5bar 的入口壓力下，流量為6.8m3/h。

閥門口徑的改動(dòng)，可以通過(guò)自制管板法蘭適配。其中水箱SER001BA 的浮球閥，已在2014 年改造為K 型DN25 的浮子閥。改造之前的浮球閥，大約每隔6 個(gè)月就會(huì)有故障需更換。改造之后的浮子閥，投運(yùn)6 年來(lái)一直運(yùn)行良好，至今未出現(xiàn)故障。其他閥門正在改造中。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)浮球閥的故障原因分類，并比對(duì)使用中的閥門故障現(xiàn)象，得出了浮球閥因流量過(guò)大、無(wú)延遲功能受水位擾動(dòng)頻繁開啟而導(dǎo)致故障頻發(fā)的結(jié)論。結(jié)合水箱的補(bǔ)水量需求、浮球閥的流量及動(dòng)作特性，給出了選用合適流量的延遲動(dòng)作型浮子閥建議。建議已經(jīng)被部分采納，且已實(shí)施，效果良好。