核电厂应急疏水阀卡涩故障分析及处理.pdf
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1、核电厂应急疏水阀卡涩故障分析及处理曾咏奎,施少波,韩娟(中核武汉核电运行技术股份有限公司,湖北武汉430 2 2 3)摘要:针对某核电站在功率运行期间加热器疏水系统高加和底加疏水箱应急气动疏水阀多次出现卡涩故障,通过工况下的有限元分析,找到阀门发生卡涩故障的直接原因和根本原因,并针对阀门卡涩原因提出处理方案,解决该型阀门卡涩故障,提高阀门运行可靠性。关键词:阀门卡涩;摩擦因数;热粘连中图分类号:TM623.70引言压水堆核电厂常规岛高/低加热器正常运行时,应急疏水阀全关,系统自动控制正常疏水调节阀的开度,保持加热器的水位为正常运行水位。在加热器的正常疏水调节阀疏水能力不足时,加热器内的水位将升
2、高。当加热器内水位大于或等于应急运行水位设定值时,应急疏水调节阀开始工作,系统自动控制应急疏水调节阀的开度,若此时应急疏水调节阀无法开启,将导致加热器水位异常,影响机组运行安全。某压水堆核电机组在启动和满功率运行期间,加热器疏水系统高加和低加疏水箱应急气动疏水阀多次出现无法打开的缺陷。检查气动阀控制和仪控附件工作正常,解体部分阀门没有发现明显缺陷,但阀门回装后依然出现不能打开的故障。经过分析认为原因是弹簧出力不足,更换弹性系数大的弹簧后效果明显,大部分阀门可以打开,但在后续长时间运行过程中,又发现有多台阀门再次出现卡关无法打开的现象,表明阀门卡关问题未能彻底解决。通过采用故障树分析法,列出疏水
3、箱应急气动疏水阀发生卡关故障的原因主要有:执行机构出力不足、开启阻力大(填料摩擦力过大、阀门上下游压差过大)、阀体内部卡涩、阀门安装设置不当(阀门安装不对中、手轮中性点设置不当)等。对阀门卡关故障模式逐一进行分析,认为阀门出现热胀粘合导致了阀门卡关。阀门卡涩故障较为常见,通常采用更换阀门或活塞材料等方式处理,但不能从根本上解决卡涩问题。本文通过拆解疏水箱应急气动疏水阀进行三维扫描,获得阀门内件的详细三维模型,采用有限元法分析阀门动作并关闭后在运行工况下阀内件的相对热位移,分析时考虑了阀芯、阀座不同密封角及阀芯、阀座接触摩擦因数等的影响。对阀门多次开关后出现阀门卡在关位无法打开的根本原因进行分析
4、,并提出解决措施。1结构模型该电厂没有阀门的详细结构尺寸图纸,在大修时对阀门进行拆解,并对阀门零部件进行三维扫描,获得阀门的详细三维模型。阀门包括阀芯、阀座、阀杆、阀笼等主要零部件,其中阀座与阀杆轴线的密封夹角为2 5、阀芯与阀杆轴线的密封夹角为19,阀芯、阀座密封面形式如图1所示。维护与修理文献标识码:BDOl:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.10.35阀笼阀芯密封面阀座图1阀门结构2理论分析对阀座、阀芯接触面进行受力分析(图2)。阀门关闭时,阀芯受气动执行机构竖直向下的力,对阀芯进行挤压,阀芯阀座接触位置产生微小形变。当气动执行机构压力撤去后,在微形变弹力F的
5、作用下,接触位置产生沿阀芯密封面向下的静摩擦力F,阻碍阀芯向上回弹。对阀芯施加竖直向上的弹簧弹力FL,可能无法克服此静摩擦力,此时将导致阀门发生卡关故障。对阀芯、阀座进行受力分析:Fi最大值=fXFNFi=FXcosFN=FxsinFi=Fi-FN由以上计算可知,阀门开启所需力F的大小与以下两个因素有关:(1)密封面角度阀芯密封面与竖直方向的角度越小,所需开启力F越大。(2)阀芯阀座接触位置静摩擦因数f:在正压力F一定时,静摩擦因数越大,则最大静摩擦力越大,阀门开启所需的F就越大。设备管理与维修2 0 2 3No10(上)阀芯阀座图2 受力分析1033有限元分析3.1分析模型根据模型及载荷的对
6、称性,建立平面轴对称模型进行分析,以阀杆轴线为对称轴,在X一Y平面建立二维轴对称有限元模型(图3)。根据实际情况在阀芯阀座之间、阀芯阀笼之间、阀笼阀座之间建立接触对,进行载荷传递。阀芯、阀座之间接触对设置摩擦因数。阀座底部约束竖向自由度,设置材料属性。50.756367.224883.6932100.162116.63133.098149.567166.035182.504198.9722036.120252.240368.360584.4807100.601116.721132.841148.961165.082a)100s时刻图4不同时刻阀内件温度分布0.640.480.32X0.16图3
7、有限元分析模型03.2载荷工况-0.080该应急疏水阀为失气开启型弹簧式调节阀,当阀门收到开指令时,定位器排出执行机构内气压,在弹簧力的作用下开启阀门;收到关阀指令时,执行机构内充入气压压缩弹簧,在气压的作用下关闭阀门。阀门关闭时,阀杆最大推力为2 36 7 7 N。阀门关闭后,阀门上游存水,下游排空(关闭时与阀芯下部端面接触的介质为下游),下游管道温度可在3min内逐渐降至室温。阀门关闭后,上游管道内温度降低速度较下游慢,阀门入口处介质温度由2 0 0 逐渐降为室温。3.3工况计算3.3.1仅受阀杆端部推力阀门实际结构中阀座密封角为2 5,阀芯密封角为19,不考虑温度影响,阀门关闭时仅在阀杆
8、端部施加阀杆推力,阀芯、阀座之间设置摩擦因数为0.2。计算结果显示,阀芯端部的垂直位移为0.0 15 0 6 mm,表明阀门关闭时在端部阀杆推力作用下阀芯插人阀座0.0 15 0 6 mm。3.3.2考虑温度变化的工况考虑阀门关闭后考虑温度由2 0 0 降至常温的工况,在模型表面相应部位设置表面对流换热系数,阀门上下游施加相应随时间变化的温度载荷(图4),计算阀芯端部竖向位移时间历程结果(图5)。有限元模型中沿阀门开启方向为Y轴正方向,图中的正位移是由于阀芯、阀座在高温下产生热膨胀导致的。随着阀内件不均匀冷却及阀杆端部压力载荷的作用,阀芯逐渐向下移动,在阀内件不均匀冷却过程中,阀芯逐渐插入到阀
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