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气动高压球阀故障分析及处理

发布时间:2021-02-09人气:156 次

向前

根据预防性维护计划,某核电厂更换了高压安全注射球阀两侧的阀座。阀门重新加载后,通过了空载和初始负载测试(阀门开启时间为10秒)。但在大修结束的周期逻辑试验中,阀门无法开启,采取了很多干预措施(如调整阀体法兰间隙、加热出口法兰、敲击铜棒等。)失败。根据电站的规定,机组被迫进入进行小修,并拆卸故障阀门进行检查。

1.阀门和系统功能简介

根据技术规范,如果主系统发生LOCA事件,高压安全注射球阀必须在10秒内完全打开,以确保安全注射系统可用。因此,阀门的功能需要通过定期的逻辑开关测试来验证。如果阀门未能打开或打开时间超过10秒,且在8小时内无法恢复,机组必须降低功率,并在24小时内进入冷泄压模式.故障阀为8英寸600磅核三级三级对焊软密封气动球阀。根据设计要求,在4.2 MPa的设计压差下(进口侧),阀门的开启扭矩小于12Nmo。气动执行机构为活塞式单作用气缸,气动弹簧打开,由气缸弹簧的弹力驱动打开阀门。气动执行器输出的初始开启扭矩为2070 Nm,行程结束时的开启扭矩为1071 Nm。维护手册规定,安装阀门时,阀座和阀球之间必须使用推荐的润滑脂KRYTOX GP 05。阀体两侧法兰螺栓的预紧扭矩要求为171牛米,在此预紧扭矩下,可保证阀体两端法兰与阀体之间的安装间隙为0。

2.球阀故障分析及处理

在阀门从系统中拆卸之前,扭矩扳手手动测试阀门的开启扭矩大于20nm,远远超过设计值。同时,测试气缸弹簧的输出开启扭矩可达2000Nm以上,符合设计要求,从而消除了气动执行器退化导致输出扭矩不足的可能性。随后,系统减压并拆卸阀门。阀门前后连接的不锈钢管清洁,阀座和阀球表面涂有足够的油脂。球体和阀座完好,仅有轻微接触划痕,无明显腐蚀,其他部位完好。鉴于本次检修只更换了阀座,初步判断新旧阀座的备件差异是启动扭矩增大导致阀门无法开启的主要原因。之后重新安装旧阀座(无缺陷),测试的加载阀启动扭矩小于500Nm,可快速开启。锁定新阀座和旧阀座之间的尺寸差异是导致这种阀门故障的最终原因。

3.新旧软密封阀座的比较与区别

通过新旧阀座多方面的对比,发现新旧阀座的材料、摩擦系数、弹性模量和大部分尺寸差别不大,主要差别如下(1)阀座内曲面半径r相差较大,旧阀座为125 mm,新阀座为121 mm,相差4mm

(2)在相同的阀球正压下,新阀座的轴向变形明显小于旧阀座,即新阀座的轴向刚度明显大于旧阀座。这与内曲面半径的不同有很大关系,因为内曲面半径的减小会导致阀座内圈伸出法兰内径的悬臂梁部分的厚度增加,阀座的弯曲截面系数也相应增加。

(3)在有润滑剂的情况下,阀门的启动力矩明显低于没有润滑剂的情况,但在有油脂的情况下,启动力矩有明显的时间效应。试验初期的起动转矩很小,随着静止时间的增加,转矩逐渐增大,最终会出现一个相对稳定的起动转矩,与实际故障情况相符。

4.阀门力学模型分析

根据阀门结构,建立应力分析图(图D,含义见表1。阀门结构完全对称,垂直方向的力相互抵消,力学分析模型只考虑水平方向的载荷。左、右阀座的尺寸与同一批次的备件相同。安装后法兰和阀体紧密配合,61和62是安装后左右阀座的实际轴向压缩量。对于相同的阀座,d3的值会随着压力n b 3(等于citron d)的增大而增大,增大的值与阀座内曲面的半径和刚度有关。加载后,如果进口阀座和阀球没有分离,则该值等于10000/4)2,为常数值;如果进口阀座和阀球是分开的,n值等于pepper丌(4)2,随d3变化。

高压安全注射球阀的结构为浮动球阀。在关闭状态下,进气侧增压时,球是否与左阀座分离,对阀门的应力分析和计算有很大影响,因此判断球是否与左阀座分离非常重要。球在中等压力下是否与左阀座分离,与阀的预紧间隙52和球在轴向压力下阀座的变形曲线有关。阀座在球体压力下的变形结构图如图2所示,相当于悬臂梁端部受压后的弯曲变形。由于阀座采用非金属材料,阀座与阀球的相互作用力的分布面积会随着力的增大而增大,而力臂B的有效值会逐渐减小。而且阀座并不是完全线性的弹性材料,所以阀座的轴向变形率会随着受力增大。

4.中等负荷后判断球是否脱离左阀座的公式

如果球与左阀座完全分离,介质对球的作用力为n=32/4,作用在右阀座上,右阀座的变形例如为63.52=:说明球没有与左阀座分离;如果==,表示球与左阀座分离。

4.2.中等载荷后球体与左阀座不分离情况下的计算分析(1)在媒体未加载之前。在阀门安装预紧间隙下,让左右阀座上的球体正压为-1=1,安装弘1 0 1后左阀座的实际轴向压缩量为安装后右阀座的实际轴向压缩量。因为左、右阀座的性能和尺寸相同,所以球体两侧的总预紧压力为N2-1。(d)值可由该批次阀座的应力变形曲线确定。(2)中压加载后。假设球在左右阀座上的正压为6 N,介质对阀球的有效作用力为N介质。如果阀座的变形曲线是线性的,那么就是一个:“中等”/“2”,苏的:“汁中等”/“2”。球体两侧的总预紧压力[‘N2-N2-1,这表明如果阀座的轴向变形是线性的,在中等载荷后总预紧压力将保持不变。实际上,阀座的变形是非线性的。这时,‘是:初级’/2A,3:A-E-E’/2 ANO。实际球体两侧的总预紧压力为1 ‘ ‘:如果果汁2A的右阀座是刚性的,则2AN为最大值,此时为2。结果表明,油在阀座上的轴向变形是非线性的,介质加载后的总预紧力将比初始安装预紧力增加2 n。2A是由阀座的非线性变形协调引起的,其值介于0(线性)和“刚性”之间。只要确定了N的曲线,就可以计算出更正确的A值。其中‘介质’等于介质对球体的直接作用力,加上介质对左阀座作用力传递给球体的分量,计算公式为‘介质05-1)/4:2/45p”(2-2)/4。

4.3.加载后球与左阀座分离时的计算分析

这种情况下,球体上左阀座的正压为0。右阀座对球体的作用力是介质对球体的作用力,n,即a32/4。该值是球体上阀座的总预紧力。

5.新旧阀座启动扭矩值的计算

5.1.新旧阀座相关计算参数

新老阀座安装后的总预紧间隙根据阀座、球体和阀体的尺寸计算(图3)。由于旧阀座有变形残留,故参考设计值,便于计算和比较。总预紧间隙统一取为中间值1.6 mm,即6 ^ 2)其余计算参数取0.8 MMO,介质压力取为系统设计压力4,2 MP,根据旧阀座的接触痕迹测得法兰与阀座的接触内径d2为174 mmo。

5.2计算用的相关数据和图表预紧力(N)和位移(正压力和阀座轴向变形)

5.3.安装新旧阀座时进行判断

图3阀座几何尺寸:根据计算参数和图表,旧阀座63为1.2 mm,新阀座082 mmol由4“公共表2位移-预紧力有限元计算数据位移/]预紧力NC旧阀座压缩时间长)预紧力n(新阀座压缩时间长)判断。5.4新旧阀座应力和启动扭矩的计算

根据有限元分析结合N曲线数据,分别计算旧阀座和新阀座的启动扭矩。结果如表3和表4所示。可以看出,新旧阀座在无润滑状态下的工作扭矩都远大于润滑状态下的工作扭矩。同时,由于新旧阀座内弯曲半径R的变化,阀门的工作扭矩明显不同,新阀座明显大于旧阀座。

6.结论

由于新阀座的轴向变形刚度明显大于旧阀座,在相同的预紧间隙下,阀门的预紧启动力矩和中等载荷后的启动力矩大大增加,启动力矩在阀门刚安装好就接近临界值,导致阀门无法开启的故障。

阀座内曲面的半径是影响阀座轴向刚度的关键因素。在相同预紧间隙下,内曲面半径越小,刚度越大,预紧力越大。

在有润滑剂的情况下,阀门的启动扭矩具有明显的时间效应。起动转矩在试验初期很小,随着静止时间的增加逐渐增大,最终会出现一个相对稳定的起动转矩值。

7.后续处理建议

购买和验收阀座时,应严格控制内曲面的半径,并确定验收标准。同批座位数要多,这一批座位的N曲线要通过计算和试验确定。新座椅的轴向刚度曲线应优于旧座椅。通过建立模拟工况装置,对购买的阀座按一定比例进行验证确认,以保证阀门核安全功能的完整性和电厂的经济效益。

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