高壓安注氣體隔離閥卡澀問(wèn)題研究

鄭立軍

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江嘉興 314300）

0 引言

秦山三期應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)高壓安注氣體隔離閥（3432-PV81/PV82）在機(jī)組運(yùn)行期間，出現(xiàn)了閥門卡澀的問(wèn)題，機(jī)組被迫進(jìn)行停堆小修。為徹底解決閥門卡澀問(wèn)題，開展了一系列的工作。對(duì)閥座的材料進(jìn)行詳細(xì)的性能檢測(cè)，得到了材料的成分、硬度、力學(xué)性能、摩擦性能等性能數(shù)據(jù)。按照閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工了模擬試驗(yàn)臺(tái)架，并將實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了有限元分析計(jì)算的準(zhǔn)確性。按照閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工了模擬試驗(yàn)臺(tái)架，并將實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了有限元分析計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1 背景及研究思路

1.1 背景介紹

秦山三期CANDU 機(jī)組在2009 年12 月第204 大修期間，對(duì)應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)高壓安注氣體隔離閥（2-3432-PV81/PV82）進(jìn)行了解體檢修，更換了閥座、保持環(huán)、填料等易損件。檢修后進(jìn)行閥門開啟試驗(yàn)，閥門開啟動(dòng)作合格。2010 年2 月，執(zhí)行高壓安注氣體隔離閥動(dòng)作試驗(yàn)期間，閥門2-3432-PV81/PV82先后出現(xiàn)不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)自動(dòng)開啟的問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查及初步分析，可以排除控制邏輯、氣缸驅(qū)動(dòng)及機(jī)械傳動(dòng)等問(wèn)題，可以確認(rèn)導(dǎo)致閥門不能正常開啟的原因?yàn)槟Σ磷枇Φ脑龃?，其中閥座的影響最大?，F(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)新、舊閥座在外觀和尺寸存在偏差，新、舊閥座顏色存在差異，尺寸上也存在一定的偏差。在更換為舊閥座后故障排除，由此初步確定新閥座造成了閥門無(wú)法正常開啟。

現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)問(wèn)題后，立即與閥門生產(chǎn)廠家（NEWMAN）交流，尋求幫助。但由于該廠不是原設(shè)計(jì)單位，對(duì)閥座的具體要求也不清楚，無(wú)法給出正式的原因分析及解決方案。

經(jīng)了解國(guó)外同類電站，也沒(méi)有發(fā)生過(guò)類似事件。

由于高壓安注系統(tǒng)是機(jī)組的安全相關(guān)系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)問(wèn)題將可能影響機(jī)組的安全，如果不能徹底解決該問(wèn)題，則必須進(jìn)行停堆檢修。本次的停堆小修，導(dǎo)致機(jī)組損失電量約1200 萬(wàn)千瓦時(shí)，經(jīng)濟(jì)損失巨大，而且給機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)了較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。

雖然現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)通過(guò)更換舊閥座暫時(shí)解決了問(wèn)題，但出現(xiàn)卡澀的根本原因還無(wú)法確定。因此，有必要對(duì)高壓安注氣體隔離閥不能正常開啟的問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)研究，確認(rèn)卡澀的根本原因，明確閥座的技術(shù)要求，以避免同類事件的再次發(fā)生。

1.2 閥門簡(jiǎn)介

應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)（ECC 系統(tǒng)）是秦山三核重水堆機(jī)組的重要安全系統(tǒng)。在發(fā)生主回路大破口（LOCA）事件時(shí)，要求高壓安注氣體隔離閥3432-PV81/PV82 在10 s 內(nèi)全開，對(duì)堆芯注入冷卻水，對(duì)堆芯進(jìn)行應(yīng)急冷卻，以保證堆芯的安全。

3432-PV81/PV82 是NEWMAN 公司生產(chǎn)的8″class600 級(jí)的核3 級(jí)不銹鋼對(duì)接焊氣動(dòng)球閥。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其他主要性能參數(shù)要求如下：①閥門兩側(cè)工作壓差為4.2 MPa；②閥門的設(shè)計(jì)開啟力矩約為1200 N·m；③氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為單作用氣缸，失效開閥，失氣時(shí)由12 根氣缸彈簧的回彈力驅(qū)動(dòng)打開閥門，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（從關(guān)位到開位）輸出初始開啟力矩達(dá)2070 N·m，行程末端開啟力矩1071 N·m；④閥座為NEWMAN 公司供貨（外購(gòu)件），廠家沒(méi)有提供具體的材質(zhì)、尺寸等參數(shù)信息。

圖1 高壓安注氣體隔離閥結(jié)構(gòu)

1.3 研究思路

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查和分析，導(dǎo)致閥門不能正常開啟的主要原因是閥座的問(wèn)題，但問(wèn)題具體出在哪里、如何避免，還需進(jìn)行仔細(xì)的研究。為確認(rèn)閥座的具體缺陷，主要通過(guò)對(duì)比研究的方式，對(duì)比新、舊閥座的不同，找出閥門卡澀問(wèn)題的根本原因，并給出解決的方案。對(duì)閥座的研究通過(guò)以下3 個(gè)方面開展：閥座材料研究、閥座幾何結(jié)構(gòu)研究以及模擬試驗(yàn)研究。

1.3.1 閥座材料研究

（1）新、舊閥座材料的區(qū)別。3432-PV81 和PV82 閥門所用閥座材料為聚甲醛材料。聚甲醛材料有多種牌號(hào)，若新、舊閥座材料牌號(hào)不同，則其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和材料性能會(huì)有很大區(qū)別，進(jìn)而使得閥門啟動(dòng)扭矩存在差異。為確認(rèn)閥座材質(zhì)，開展了如下的測(cè)試工作：紅外分析、灰分分析、材料掃描分析、材料硬度測(cè)試。

（2）新、舊閥座材料力學(xué)性能的區(qū)別。閥座的力學(xué)性能直接影響閥座與閥球的接觸變形情況，閥座變形量的不同會(huì)導(dǎo)致閥門啟動(dòng)扭矩的不同。為確認(rèn)閥座力學(xué)性能，開展了如下的測(cè)試工作：短時(shí)壓縮性能測(cè)試、長(zhǎng)時(shí)壓縮性能測(cè)試。

（3）新、舊閥座材料摩擦性能的區(qū)別。閥門不能正常開啟的直接原因是閥座與閥球間的摩擦力過(guò)大，而閥座材料摩擦性能的不同會(huì)造成閥座與閥球間摩擦力的不同，進(jìn)而使閥門啟動(dòng)扭矩不同。為確認(rèn)閥座力學(xué)性能，測(cè)試了不同受壓時(shí)間段新、舊閥座材料的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦因數(shù)。

1.3.2 閥座結(jié)構(gòu)尺寸研究

（1）新、舊閥座內(nèi)曲面直徑的區(qū)別。閥座內(nèi)曲面是閥座與閥球接觸的表面，內(nèi)曲面曲率直接影響閥座與閥球接觸面的位置和接觸面積的大小。若新、舊閥座接觸面位置和接觸面積存在區(qū)別，則會(huì)對(duì)閥座和閥球的摩擦情況產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響閥門的啟動(dòng)扭矩。

（2）閥座預(yù)緊量的區(qū)別。新、舊閥座尺寸的不同會(huì)導(dǎo)致預(yù)緊量不同，進(jìn)而直接影響閥門預(yù)緊力，對(duì)閥門啟動(dòng)扭矩產(chǎn)生影響。為研究閥座尺寸對(duì)閥門動(dòng)作的影響，通過(guò)閥門圖紙及實(shí)測(cè)尺寸，建立了有限元模型，并計(jì)算了相關(guān)尺寸對(duì)閥門動(dòng)作性能的影響。

1.3.3 模擬試驗(yàn)研究

通過(guò)上述測(cè)試及計(jì)算得出了數(shù)據(jù)的理論值，但與實(shí)際情況可能存在一定的偏差。為驗(yàn)證有限元的計(jì)算結(jié)果，按閥門實(shí)際情況設(shè)計(jì)并加工了一個(gè)閥座模擬試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)實(shí)測(cè)的方式驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果，確保相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 閥座材料研究

2.1 材料成分及構(gòu)成測(cè)試分析

一般而言，聚甲醛材料分為共聚物和均聚物兩類，每類還有不同的牌號(hào)，性能有一定的差別。此外，聚甲醛材料中是否有添加劑，以及材料分子量和分子量分布的不同均會(huì)對(duì)材料性能產(chǎn)生影響[1-2]。為確認(rèn)新、舊閥座材料，開展了以下3 方面工作，明確閥座材料狀況：

（1）通過(guò)紅外分析和灰分分析方法，確定閥座材料為均聚物還是共聚物、是否添加了添加劑。紅外檢測(cè)結(jié)果顯示，新、舊閥座圖譜幾乎完全一樣，都是均聚物聚甲醛（POM）材料；通過(guò)灰份檢測(cè)，表明兩種閥座材料中都沒(méi)有添加無(wú)機(jī)填料成分。

（2）通過(guò)材料掃描分析方法，確定材料分子量情況及新、舊閥座材料區(qū)別。分析測(cè)試發(fā)現(xiàn)，新/舊閥座的分子量基本相同，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)略好于新閥座，差別不大。

（3）對(duì)閥座進(jìn)行破壞性取樣試驗(yàn)，測(cè)定新、舊閥座材料硬度是否存在差別。硬度測(cè)試發(fā)現(xiàn)舊閥座的材料硬度略大于新閥座，相差3%左右，沒(méi)有明顯區(qū)別。

通過(guò)上述測(cè)試，確認(rèn)新舊閥座材料構(gòu)成一致，都是聚甲醛材料，沒(méi)有特殊添加劑。

2.2 材料力學(xué)性能測(cè)試分析

影響閥座與閥門接觸狀態(tài)的材料力學(xué)性能參數(shù)中，壓縮性能對(duì)閥座變形影響較大。鑒于PV81/PV82 閥門的開啟操作受時(shí)間變化影響較大，分析中還應(yīng)考慮時(shí)間相關(guān)性對(duì)材料性能的影響。

因此，進(jìn)行了下述兩方面的研究工作，分析新、舊閥座材料力學(xué)性能是否存在差異：

（1）測(cè)定新、舊閥座材料的短時(shí)壓縮性能及壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線，對(duì)比分析短時(shí)壓縮性能的區(qū)別。經(jīng)測(cè)試，在相同受載條件下，兩種材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本一致。具體測(cè)量數(shù)據(jù)曲線如圖2、圖3 所示。

圖2 新閥座材料短時(shí)壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖3 舊閥座材料短時(shí)壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線

（2）進(jìn)行不同載荷下新、舊閥座材料長(zhǎng)時(shí)壓縮性能測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)比新、舊閥座材料的長(zhǎng)時(shí)壓縮變形情況，確定材料形變與時(shí)間相關(guān)性規(guī)律。經(jīng)測(cè)試確認(rèn)，新、舊閥座變形與時(shí)間相關(guān)性特性相似；材料受壓后，變形量隨時(shí)間的增加而明顯增大，當(dāng)壓縮時(shí)間達(dá)到170 h 后，材料變形量不再有明顯變化，材料壓縮變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（為了便于和其他時(shí)間狀態(tài)相區(qū)別，定義該時(shí)間狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)階段）。具體測(cè)量數(shù)據(jù)曲線如圖4、圖5 所示。

圖4 新閥座材料長(zhǎng)時(shí)壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖5 舊閥座材料長(zhǎng)時(shí)壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線

2.3 材料摩擦性能測(cè)試分析

影響閥座與閥門的動(dòng)作情況的參數(shù)中，材料表面性能中的材料摩擦性能影響較大。鑒于PV 81 /PV 82 閥門的開啟操作受時(shí)間變化影響較大，分析中還應(yīng)考慮時(shí)間相關(guān)性對(duì)材料性能的影響。

對(duì)將新、舊閥座制作成標(biāo)準(zhǔn)試塊，測(cè)定不同受壓時(shí)間段新、舊閥座材料的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦因數(shù)，并分析其變化規(guī)律，確定閥座材料轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦因數(shù)時(shí)間相關(guān)性規(guī)律。

測(cè)試表明，相同表面質(zhì)量、載荷相同的條件下，新、舊閥座材料摩擦因數(shù)值基本相同；閥座材料摩擦因數(shù)隨受載時(shí)間延長(zhǎng)而增大，初始時(shí)摩擦因數(shù)為0.0962，當(dāng)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定值（約0.11）后，摩擦因數(shù)無(wú)明顯變化。摩擦因數(shù)與潤(rùn)滑關(guān)系明顯，潤(rùn)滑后短時(shí)內(nèi)摩擦因數(shù)較小，隨時(shí)間延長(zhǎng)摩擦因數(shù)逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定，約為無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)的1/2。

3 結(jié)構(gòu)尺寸研究

閥門不能正常開啟的直接原因是閥座與閥球間的摩擦力過(guò)大。摩擦力除了受材料表面性能影響外，還與閥座幾何形狀、閥座受力變形、閥座與閥球間的接觸情況等因素有關(guān)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閥門及閥座尺寸的實(shí)際測(cè)量，參照閥門圖紙，利用有限元模擬分析技術(shù)，建立不同閥座材料、不同閥座尺寸的分析模型，明確閥座材料和幾何結(jié)構(gòu)差異對(duì)閥座啟閉性能的影響。

3.1 建立數(shù)學(xué)模型

根據(jù)閥門結(jié)構(gòu)、尺寸和工作條件下所受的載荷，對(duì)閥門進(jìn)行受力分析，由于閥門的結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，球體在垂直方向的載荷大小相同、方向相反，可以簡(jiǎn)化受力模型，只考慮水平方向的載荷，建立力學(xué)模型（圖6）。圖6 中數(shù)字及字母的含義見表1。

表1 數(shù)字及字母表示的含義

圖6 PV81/PV82 數(shù)學(xué)模型

（1）左、右閥座一般采用同一制造廠、同一批加工的備件，其尺寸基本相同，δ1＝δ2。

（2）閥門安裝后，法蘭與閥體為無(wú)間隙配合，所以δ1、δ2即為安裝后左、右閥座的實(shí)際軸向壓縮量。

（3）同一閥座，d3的值會(huì)隨著壓力N1-3（等于N3-1）的增大而增大，其增大值與閥座的內(nèi)曲面半徑和剛度有關(guān)。

3.2 確認(rèn)計(jì)算參數(shù)

（1）工作壓力。取實(shí)際工作壓力4.2 MPa 為計(jì)算壓力。

（2）閥座與閥球幾何參數(shù)。參照新、舊閥座及閥球進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，各尺寸如圖7 所示，測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。

表2 閥座幾何尺寸匯總 mm

圖7 閥座幾何尺寸定義

（3）材料力學(xué)性能參數(shù)。閥座受壓變形情況與閥座材料力學(xué)性能以及受壓時(shí)間相關(guān)，在有限元模擬計(jì)算過(guò)程中需要定義閥座的材料力學(xué)性能參數(shù)。①閥座受壓起始時(shí)刻選用閥座材料短時(shí)壓縮性能參數(shù)作為計(jì)算參數(shù)。新閥座材料采用測(cè)試得到的圖2 應(yīng)力—應(yīng)變曲線，舊閥座材料采用測(cè)試得到的圖3 應(yīng)力—應(yīng)變曲線；②閥座受壓變形到達(dá)穩(wěn)態(tài)階段的性能參數(shù)，由長(zhǎng)時(shí)壓縮試驗(yàn)結(jié)果擬合獲得。閥座材料長(zhǎng)時(shí)壓縮試驗(yàn)中分別獲得了新、舊閥座材料在30 MPa、35 MPa 和58 MPa 應(yīng)力下的應(yīng)變曲線，將接近穩(wěn)態(tài)時(shí)刻的應(yīng)變值與對(duì)應(yīng)應(yīng)力值進(jìn)行應(yīng)力—應(yīng)變曲線擬合，獲得應(yīng)力—應(yīng)變曲線即可認(rèn)為是閥座材料穩(wěn)態(tài)階段壓縮性能參數(shù)（圖4、圖5）。

（4）轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦因數(shù)。有限元模擬計(jì)算中，新、舊閥座受壓變形穩(wěn)態(tài)階段取用的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦因數(shù)f=0.11，新、舊閥座受壓開始狀態(tài)取用的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦因數(shù)f=0.0962。

（5）預(yù)緊壓縮量與預(yù)緊力關(guān)系。壓縮預(yù)緊量由閥座幾何尺寸決定，壓縮量越大，產(chǎn)生的預(yù)緊力越大，摩擦力越大，閥門所需的啟動(dòng)力矩越大。預(yù)緊壓縮量與預(yù)緊力分析有限元模型如圖8 所示。

圖8 預(yù)緊壓縮量—預(yù)緊力關(guān)系分析有限元模型

利用有限元計(jì)算軟件ABAQUS，對(duì)閥座預(yù)緊壓縮量—預(yù)緊力關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，數(shù)據(jù)見表3。

表3 預(yù)緊壓縮量—預(yù)緊力計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比

由計(jì)算結(jié)果可見：在同樣預(yù)緊壓縮量條件下，閥座內(nèi)表面曲面直徑不同（計(jì)算分析中新、舊閥座的主要不同點(diǎn)是閥座內(nèi)表面曲面直徑不同）產(chǎn)生的預(yù)緊力差別顯著。新舊閥座的預(yù)緊力都隨著預(yù)緊壓縮量的增加而增加，但兩者的增加速率不一致，新閥座增加的速度明顯高于舊閥座。壓縮量在0.4 mm 時(shí)，新閥座的預(yù)緊力小于舊閥座；壓縮量在0.6 mm 時(shí)，新閥座的預(yù)緊力大于舊閥座；分界點(diǎn)大約在0.5 mm 左右。實(shí)際工作中，閥座的實(shí)際壓縮量在1.4～1.8 mm 之間，在此區(qū)間內(nèi)新閥座產(chǎn)生的預(yù)緊力大，閥門所需的啟動(dòng)力矩也大。表3 中方框內(nèi)數(shù)據(jù)為新、舊閥座實(shí)際對(duì)應(yīng)的預(yù)緊力。

3.3 有限元計(jì)算

根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)及預(yù)緊力計(jì)算結(jié)果，對(duì)不同閥座預(yù)緊壓縮量下的閥門穩(wěn)態(tài)啟動(dòng)扭矩進(jìn)行了計(jì)算分析，具體數(shù)據(jù)見表4。表4中方框內(nèi)數(shù)據(jù)為新、舊閥座實(shí)際對(duì)應(yīng)的扭矩。

表4 不同位移條件下閥座預(yù)緊位移—穩(wěn)態(tài)啟動(dòng)扭矩（有潤(rùn)滑）

在相同的壓縮量條件下，新閥座所需的啟動(dòng)力矩遠(yuǎn)大于舊閥座，相差接近一倍。產(chǎn)生上述差異的主要原因是閥座內(nèi)表面曲面直徑不同：閥座內(nèi)表面曲率不同，將直接影響閥座與閥球的接觸點(diǎn)（線）的位置，新閥座力臂明顯小于舊閥座，從而增加了新閥座的軸向剛度；新、舊閥座（曲面直徑245 mm）受壓起始時(shí)刻接觸面如圖9 所示，閥座受力簡(jiǎn)圖與變形趨勢(shì)如圖10 所示；剛度增加后變形困難，所以產(chǎn)生的預(yù)緊力增大；在相同的工作預(yù)緊量的情況下（1.4～1.8 mm），新閥座產(chǎn)生的預(yù)緊力遠(yuǎn)大于舊閥座；預(yù)緊力越大，驅(qū)動(dòng)閥球所需的力矩就更大。

圖9 新、舊閥座受壓起始時(shí)刻接觸面

圖10 閥座受力與變形趨勢(shì)

4 閥座模擬試驗(yàn)

根據(jù)實(shí)際需求，制作試驗(yàn)臺(tái)架（簡(jiǎn)化的模擬試驗(yàn)裝置）對(duì)上述分析過(guò)程的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，并驗(yàn)證有限元綜合分析結(jié)果。同時(shí)通過(guò)舊閥座長(zhǎng)時(shí)間模擬試驗(yàn)，獲取閥球轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩等數(shù)據(jù)，為今后新更換閥座綜合性能評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)（圖11）。

圖11 閥座模擬試驗(yàn)裝置

4.1 無(wú)潤(rùn)滑條件下閥門啟動(dòng)扭矩分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)預(yù)緊壓縮量與預(yù)緊力的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，并將實(shí)際測(cè)量結(jié)果與有限元計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，兩者基本一致。新、舊閥座預(yù)緊壓縮量—預(yù)緊力有限元計(jì)算值與修正試驗(yàn)值對(duì)比如圖12、圖13 所示。不同閥座安裝預(yù)緊量下，閥門穩(wěn)態(tài)啟動(dòng)扭矩曲線如圖14 所示。

圖12 新閥座預(yù)緊壓縮量—預(yù)緊力有限元計(jì)算值與修正試驗(yàn)值對(duì)比

圖13 舊閥座預(yù)緊壓縮量—預(yù)緊力有限元計(jì)算值與修正試驗(yàn)值對(duì)比

圖14 不同閥座安裝預(yù)緊量下，閥門穩(wěn)態(tài)啟動(dòng)扭矩曲線

4.2 有潤(rùn)滑條件下閥門啟動(dòng)扭矩分析

前述分析均為無(wú)潤(rùn)滑劑條件下的模擬計(jì)算及試驗(yàn)，當(dāng)閥座使用潤(rùn)滑劑后，閥座與閥球間的摩擦因數(shù)會(huì)明顯降低，閥門的穩(wěn)態(tài)啟動(dòng)扭矩也會(huì)明顯下降。為此，利用試驗(yàn)裝置進(jìn)行了有潤(rùn)滑劑條件下材料啟動(dòng)扭矩的測(cè)試工作。試驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。

圖15 有潤(rùn)滑劑條件、新閥座9.5 t 載荷啟動(dòng)扭矩模擬試驗(yàn)

試驗(yàn)顯示，9.5 t 加載條件下，使用潤(rùn)滑劑后新閥座的穩(wěn)態(tài)啟動(dòng)扭矩約為1467 N·m，明顯低于無(wú)潤(rùn)滑劑條件下穩(wěn)態(tài)啟動(dòng)扭矩（2730 N·m），可見使用潤(rùn)滑劑后閥座的穩(wěn)態(tài)扭矩約為無(wú)潤(rùn)滑劑時(shí)閥門穩(wěn)態(tài)啟動(dòng)扭矩的53.74 %。

5 研究結(jié)論及應(yīng)用

5.1 研究結(jié)論

通過(guò)對(duì)閥座的各項(xiàng)檢測(cè)，并結(jié)合有限元分析結(jié)論及模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出如下的結(jié)論：①新、舊閥座材料成分及構(gòu)成基本相同，均為均聚物聚甲醛（POM）材料，材料沒(méi)有添加劑；且材料力學(xué)性能無(wú)明顯差異。該P(yáng)OM 材料為通用材料，各項(xiàng)性能與文獻(xiàn)中給出的數(shù)據(jù)基本相同；②預(yù)緊壓縮量是影響閥門開啟力矩的核心因素之一，其他條件相同時(shí)，壓縮預(yù)緊量越大，閥門開啟所需的啟動(dòng)力矩越大。閥座的壓縮預(yù)緊量與閥座尺寸及內(nèi)表面曲率半徑直接相關(guān)，可以通過(guò)測(cè)量計(jì)算得出實(shí)際預(yù)緊量。經(jīng)計(jì)算，新、舊閥座的壓縮預(yù)緊量分別為1.4～1.5 mm（新）、1.7～1.8 mm（舊）；③在相同壓縮預(yù)緊量情況下，閥座內(nèi)曲面半徑對(duì)啟動(dòng)扭矩影響很大；④尺寸偏差是造成閥門無(wú)法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)開啟的核心因素；⑤閥座材料形變特性和轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦因數(shù)均具有時(shí)間相關(guān)性特性。兩時(shí)間相關(guān)性參數(shù)的疊加作用，使閥門啟動(dòng)扭矩也具有時(shí)間相關(guān)性特性。即閥門運(yùn)行初期所需啟動(dòng)扭矩較小，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，啟動(dòng)扭矩增加，當(dāng)時(shí)間增加到一定時(shí)間后，閥門所需的啟動(dòng)扭矩不再增加。

5.2 閥門卡澀的根本原因

通過(guò)以上分析，可以確認(rèn)是閥座尺寸的偏差導(dǎo)致了本次閥門出現(xiàn)卡澀。秦山現(xiàn)場(chǎng)缺陷過(guò)程分析：①使用原舊閥座時(shí)，實(shí)際閥門預(yù)緊量約為1.7～1.8 mm，閥門在潤(rùn)滑良好的情況下開啟力矩很??；隨時(shí)間延長(zhǎng)，啟動(dòng)力矩逐漸加大，最終穩(wěn)定在約1000 N·m；由于氣缸驅(qū)動(dòng)力矩1200 N·m 大于1000 N·m，所以閥門始終能夠正常開啟；②使用新閥座時(shí)，實(shí)際閥門預(yù)緊量約為1.4～1.5 mm，閥門在潤(rùn)滑良好的情況下開啟力矩約300 N·m，所以閥門剛剛投運(yùn)后能夠正常開啟；隨時(shí)間延長(zhǎng)，啟動(dòng)力矩逐漸加大，最終穩(wěn)定在約1400 N·m，此時(shí)閥門所需啟動(dòng)力矩已經(jīng)超出設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)力矩1200 N·m，導(dǎo)致閥門無(wú)法正常開啟。

5.3 建立閥座（SPV備件）驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

秦山三核已經(jīng)根據(jù)前面的計(jì)算及實(shí)測(cè)情況編制了專門的閥座驗(yàn)收技術(shù)要求及實(shí)施方案，包括：幾何尺寸檢測(cè)、材料壓縮性能檢測(cè)、模擬實(shí)驗(yàn)、有限元分析等，通過(guò)多重確認(rèn)，保證閥座的性能滿足要求。

（1）閥座尺寸驗(yàn)收：按照?qǐng)D16 所示的測(cè)量閥座尺寸，并按照公差要求進(jìn)行驗(yàn)收。其中尺寸測(cè)量中的曲率半徑測(cè)量需專用工器具，需外委專業(yè)廠家進(jìn)行3D 測(cè)量。

圖16 閥座驗(yàn)收尺寸

（2）閥座材料物理性能驗(yàn)收：對(duì)閥座材料的物理性能進(jìn)行測(cè)定，包括硬度（邵氏硬度80 ±2）、質(zhì)量（300 ±5 g）。硬度測(cè)量中，需注意不能破壞閥座密封面。

（3）閥座壓縮性能測(cè)定：在本批次采購(gòu)的閥座備件中隨機(jī)抽取20%（至少抽取1 個(gè)），利用模擬試驗(yàn)裝置對(duì)閥座進(jìn)行整體模擬壓縮試驗(yàn)，測(cè)定閥座受壓后的軸向變形與預(yù)緊力的關(guān)系，若測(cè)試結(jié)果優(yōu)于原舊閥座模擬試驗(yàn)參數(shù)，（所得數(shù)據(jù)在圖中曲線的下方；即相同位移情況下，測(cè)試所得預(yù)緊力小于原舊閥座預(yù)緊力），認(rèn)為閥座綜合性能滿足要求。

（4）有限元分析驗(yàn)收：在本批次采購(gòu)的閥座中隨機(jī)抽取1 個(gè)閥座進(jìn)行取樣（或由生產(chǎn)單位提供試驗(yàn)材料）；對(duì)取樣材料進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)壓縮試驗(yàn)、摩擦因數(shù)測(cè)定等，測(cè)得實(shí)際材料性能數(shù)據(jù)。依據(jù)材料性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及閥座實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)行閥座開啟性能有限元分析。將計(jì)算分析所得閥門啟動(dòng)扭矩與原舊閥座的驅(qū)動(dòng)扭矩（在4.2 MPa 壓差、無(wú)潤(rùn)滑條件按下，穩(wěn)態(tài)啟動(dòng)扭矩1440 N·m）進(jìn)行比較。若計(jì)算所得的驅(qū)動(dòng)扭矩小于1440 N·m（允許正偏差10 %），則認(rèn)為閥座性能滿足要求，驗(yàn)收通過(guò)；否則閥座驗(yàn)收不合格。

（5）模擬試驗(yàn)驗(yàn)收：在本批次采購(gòu)的閥座中隨機(jī)抽取2個(gè)閥座，利用模擬試驗(yàn)臺(tái)架，模擬閥座在實(shí)際工況下長(zhǎng)期加載（至少10 d）；測(cè)量實(shí)際驅(qū)動(dòng)力矩，并與原舊閥座的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（2710 N·m）進(jìn)行對(duì)比；若實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)小于2710 N·m（允許正偏差10 %），則認(rèn)為閥座性能滿足要求，驗(yàn)收通過(guò)；否則閥座驗(yàn)收不合格。

根據(jù)上述的SPV 備件驗(yàn)收要求，對(duì)廠家2012 年提供的6 個(gè)新閥座備件進(jìn)行了驗(yàn)收，發(fā)現(xiàn)閥座備件結(jié)構(gòu)尺寸、有潤(rùn)滑劑條件下的啟動(dòng)扭矩測(cè)值等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達(dá)不到驗(yàn)收要求，閥座備件驗(yàn)收不合格，已經(jīng)將該批備件退回廠家。

將上述根本原因分析及閥座驗(yàn)收技術(shù)要求提交給廠家，廠家也接受了上述技術(shù)要求，并按技術(shù)要求重新加工了閥座。新加工的備件在2012 年底進(jìn)行了驗(yàn)收，各項(xiàng)參數(shù)都滿足要求，可以使用。

在2017 年4 月的109 大修中，檢查發(fā)現(xiàn)1 號(hào)機(jī)組的3432-PV 81 閥座存在磨損，使用驗(yàn)收合格的新閥座進(jìn)行了更換。更換后閥門動(dòng)作順暢，沒(méi)有出現(xiàn)動(dòng)作超時(shí)等情況。在2019 年進(jìn)行解體期間，對(duì)閥座進(jìn)行了進(jìn)一步檢查，確認(rèn)閥座沒(méi)有異常損傷等情況，可以保證閥門密封性能及動(dòng)作性能。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)閥座材料及尺寸的研究，利用有限元計(jì)算和模式實(shí)驗(yàn)的方法，確認(rèn)了閥座的尺寸是導(dǎo)致秦山三期閥座出現(xiàn)卡澀的根本原因。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確認(rèn)了閥座的技術(shù)要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，從技術(shù)上徹底解決了閥座備件要求不清楚，質(zhì)量不可控的問(wèn)題，避免了類似問(wèn)題的再次出現(xiàn)。

同時(shí)，研究過(guò)程中積累的測(cè)試數(shù)據(jù)可以給其他使用同型號(hào)閥門的電廠參考，并對(duì)后續(xù)同類閥門的缺陷分析、備件驗(yàn)收等工作提供參考。