VELAN氣動截止閥盤根設(shè)計(jì)缺陷改進(jìn)

VELAN氣動截止閥盤根設(shè)計(jì)缺陷改進(jìn)=B摘要：針對日常運(yùn)行期間閥門出現(xiàn)動作時(shí)間超標(biāo)的故障，現(xiàn)場閥門解體后進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)盤根組件存在設(shè)計(jì)不合理的情況。通過對盤根組件密封機(jī)理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究分析，結(jié)合閥門盤根設(shè)計(jì)功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對閥門盤根組件存在的設(shè)計(jì)缺陷做了相應(yīng)改進(jìn)，從根本上解決了閥門動作時(shí)間超標(biāo)的故障。關(guān)鍵詞盤根；密封；盤根底環(huán)；間隔環(huán)；摩擦阻力ImprovementofPackingDesigndefectofVELANpneumaticstopvalveZouFuyu1，ZhangGuohao2，ZhouDu2(1.ChinaGeneralNuclearPowerGroup；2.ChinaNuclearPowerOperationCo.,Ltd.Shenzhen518124，China)Abstract:Inviewofthefailureofvalveactiontimeexceedingthestandardduringdailyoperation,thevalvewasdisassembledandinspectedonsite.Itwasfoundthattherewasunreasonabledesignofpackingassembly.Throughtheresearchandanalysisofthesealingmechanismandstructuredesignofthepackingassembly,combinedwiththedesignfunctionandstructurecharacteristicsofthevalvepacking,thecorrespondingimprovementismadetothedesigndefectsofthevalvepackingassembly,whichfundamentallysolvesthefailureofthevalveactiontimeexceedingthestandard.Keywords：packing;sealing;packingbottomring;spacerring;frictionalresistance;0引言為防止閥桿處介質(zhì)外漏，閥門一般采用盤根密封。有效密封的條件是根據(jù)使用工況，選取適當(dāng)?shù)谋P根形式和盤根。盤根密封是徑向接觸式密封，它將盤根壓蓋的軸向力轉(zhuǎn)變?yōu)楸P根的徑向力，從而產(chǎn)生徑向密封效果。通過分析盤根密封時(shí)的徑向壓力分布情況，可用于分析盤根的密封。盤根預(yù)緊力與磨損量和泄漏量的的研究成果，對盤根安裝緊固具有指導(dǎo)意義。從現(xiàn)場維修活動中發(fā)現(xiàn)，部分閥門在盤根設(shè)計(jì)上存在不足，如盤根安裝組合方式和安裝數(shù)量不當(dāng)，會對盤根密封性能及摩擦阻力產(chǎn)生較大影響，可能導(dǎo)致閥門動作異常的故障。本文將從閥門盤根故障缺陷分析出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備情況及現(xiàn)有技術(shù)研究成果，對設(shè)計(jì)不合理的情況進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。1故障現(xiàn)象1.1閥門解體前的檢查情況2016年8月11日，某核電廠運(yùn)行人員執(zhí)行定期試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一臺DN80的VELAN氣動截止閥關(guān)閉時(shí)間超時(shí)，程序要求關(guān)閉時(shí)間小于10s，實(shí)際關(guān)閉時(shí)間為10.3s。隨后再次進(jìn)行開啟關(guān)閉操作，閥門關(guān)閉時(shí)間為6.2s，滿足程序要求。2016年8月19日，機(jī)械維修人員在功率運(yùn)行期間進(jìn)入R廠房對閥門進(jìn)行了檢查，更換了減壓閥，處理完成后再鑒定關(guān)閉時(shí)間為5.7s。2016年10月6日，執(zhí)行試驗(yàn)，閥門關(guān)閉時(shí)間9.7s，接近程序要求限值10s。2016年12月2日，執(zhí)行試驗(yàn)，閥門關(guān)閉時(shí)間9.05s。2017年1月26日，執(zhí)行試驗(yàn)，閥門關(guān)閉時(shí)間12.1s，超出程序要求。2017年1月28日，機(jī)械維修人員在功率運(yùn)行期間進(jìn)入R廠房，現(xiàn)場更換了電磁閥滑閥，同時(shí)對閥門盤根處進(jìn)行了潤滑，主控配合開關(guān)閥門，開啟時(shí)間2.75s，關(guān)閉時(shí)間5.7s，滿足程序要求。2017年2月至10月，閥門動作時(shí)間趨勢跟蹤情況如下：2017年2月22日：關(guān)閉時(shí)間5.8s，開時(shí)間2.8s；2017年3月22日：關(guān)閉時(shí)間5.7s，開時(shí)間2.65s；2017年5月17日：關(guān)閉時(shí)間6s，開時(shí)間3s；2017年6月21日：關(guān)閉時(shí)間6.5s，開時(shí)間3s；2017年7月12日：關(guān)閉時(shí)間8s，開時(shí)間3s。2017年10月，機(jī)組大修期間對閥門進(jìn)行FRATOL試驗(yàn)，測試盤根摩擦力為140.9daN，結(jié)果正常。大修后持續(xù)對閥門動作時(shí)間進(jìn)行跟蹤，跟蹤期間為2017年12月至2019年2月。2018年6月12日，進(jìn)行閥門動作試驗(yàn)，首次閥門動作，關(guān)閉時(shí)間：9.999s，開啟時(shí)間：2.80s；再次動作閥門，關(guān)閉時(shí)間：6.599s，開啟時(shí)間：2.80s。2018年9月17日，對閥門進(jìn)行定期動作試驗(yàn)，首次關(guān)閉時(shí)間10.398s，第二次關(guān)閉時(shí)間5.999s，首次動作不滿足程序要求。維修項(xiàng)目組針對閥門動作超時(shí)問題進(jìn)行討論評價(jià)，形成的結(jié)論如下：1） 結(jié)合歷史情況閥門首次動作時(shí)，閥門關(guān)閉時(shí)間較長，第二次均能穩(wěn)定在6s左右；2） 目前較大原因定位為閥門長時(shí)間未動作，盤根靜摩擦力較大導(dǎo)致首次時(shí)間較長，另外自工程安裝期間至今閥門盤根未進(jìn)行更換，懷疑閥門盤根存在老化，性能下降；3） 機(jī)械維修人員準(zhǔn)備在定期試驗(yàn)期間閥門動作超時(shí)的預(yù)案，同時(shí)準(zhǔn)備好大修全面解體檢查原因分析的預(yù)案；4） 經(jīng)各專業(yè)評價(jià)，閥門可關(guān)閉功能不受影響，機(jī)械維修專業(yè)繼續(xù)跟蹤閥門定期動作試驗(yàn)情況。2018年9月28日，機(jī)械維修人員在功率運(yùn)行期間進(jìn)入R廠房，對閥門執(zhí)行檢查處理，具體內(nèi)容為：閥門供氣壓力4.0bar.g，正常；使用石墨潤滑汁（俗稱"黑水”）對閥門盤根進(jìn)行了潤滑；校驗(yàn)盤根螺栓力矩為36N.m，未松弛；檢查供氣管線無泄漏?，F(xiàn)場檢查處理后，聯(lián)系主控配合操作閥門，閥門開啟時(shí)間為2.6s，關(guān)閉時(shí)間為5.599s，閥門開關(guān)時(shí)間滿足要求。此后至下次大修開始前持續(xù)對閥門動作時(shí)間進(jìn)行跟蹤。1.2閥門解體后的檢查情況：2019年2月，大修期間對閥門進(jìn)行解體查找故障原因，解體后對盤根組件進(jìn)行了檢查測量，發(fā)現(xiàn)盤根備件、盤根現(xiàn)場安裝情況與圖紙要求均不一致，詳細(xì)如下：1）VELAN廠家供貨的盤根備件組成為：上部3道盤根（1道編織+1道石墨+1道編織），中間為間隔環(huán)，下部7道盤根（1道編織+5道石墨+1道編織），無盤根底環(huán)，廠家供貨盤根備件如下：圖1VELAN廠家供貨的盤根備件2）現(xiàn)場盤根安裝組成為：上部4道盤根（1道編織+2道石墨+1道編織），中間為間隔環(huán)，下部6道盤根（1道編織+4道石墨+1道編織），無盤根底環(huán)；3）閥門圖紙要求的安裝組成為：上部2道編織盤根，中間為間隔環(huán)，下部6道盤根（1道編織+4道石墨+1道編織）。從以上檢查情況分析，存在如下問題：現(xiàn)場原始安裝未按照閥門廠家圖紙要求執(zhí)行，下部盤根安裝壓縮后間隔環(huán)將無法對準(zhǔn)引漏孔，盤根引漏功能失效，閥門盤根處存在介質(zhì)外漏的；對于mm的閥桿直徑，以上3種方式的盤根安裝總高度均超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將明顯增大閥桿摩擦，對閥門動作時(shí)間產(chǎn)生直接影響；閥門廠家圖紙中的上部盤根安裝組合形式為2道編織盤根，不符合設(shè)計(jì)。2故障分析2.1原因分析：對該閥門動作時(shí)間異常問題，從2016年首次發(fā)現(xiàn)至大修期間一直在進(jìn)行原因查找和分析，如下表1將可能原因全部列出并進(jìn)行對比分析：表1閥門動作時(shí)間異常原因分析2.2分析結(jié)論：以上表1中的可能原因，都是在此閥門原因查找過程中做了逐一排查，閥門供氣壓力、原盤根力矩、電磁閥、閥體卡澀等內(nèi)容都做了排除，直至解體后發(fā)現(xiàn)盤根組件設(shè)計(jì)不合理，存在盤根組合方式錯誤，盤根安裝數(shù)量過多的情況，這是造成閥門動作時(shí)間超標(biāo)的根本原因。另外，因盤根涵和各盤根組件配合高度不合適，間隔環(huán)無法對準(zhǔn)盤根引漏空，盤根引漏功能失效，閥門存在介質(zhì)外漏的風(fēng)險(xiǎn)。3設(shè)計(jì)改進(jìn)3.1重新設(shè)計(jì)盤根數(shù)量及組合方式：根據(jù)閥門設(shè)計(jì)慣例，最佳盤根高度為閥桿直徑的1.5倍，1.2章節(jié)中的3種組合方式盤根安裝高度過高（尺寸見3.2章節(jié)），設(shè)計(jì)不合理。盤根組合的高度（即盤根的數(shù)量）是容易被忽視和誤解的。根據(jù)盤根密封機(jī)理研究內(nèi)容，在低的流體壓力下，所有的盤根環(huán)都對密封有影響，但過高的盤根不必要，因?yàn)樾孤┝靠梢酝ㄟ^將盤根螺栓擰緊來控制，即泄漏量主要由間隙的徑向長度而非軸向高度支配，且過高的盤根摩擦力更易被過分?jǐn)Q緊而容易產(chǎn)生。盤根密封結(jié)構(gòu)中，徑向壓力和介質(zhì)壓力分布如下圖2所示，盤根徑向壓力分布由外端向內(nèi)端遞減，而介質(zhì)壓力則由內(nèi)端逐漸向外端遞減。閥門設(shè)計(jì)時(shí)石墨環(huán)盤根由兩種石墨組成，盤根最上面一道和最下面一道是絲狀編織石墨環(huán)，中間是片狀層壓或帶狀石墨環(huán)。中間石墨環(huán)的紋理和閥桿表面垂直，流體不易滲透，密封性好，是閥桿的主要密封件，但是其強(qiáng)度低易破碎；編織石墨環(huán)可以防止中間石墨盤根環(huán)擠出，增加中間石墨環(huán)的強(qiáng)度，也可以清除閥桿表面的石墨顆粒，防止閥桿腐蝕°VELAN閥廠家供貨的盤根備件和此要求一致，但閥門圖紙中的要求存在錯誤，圖紙顯示上部盤根僅有兩道編織盤根，此種組合的盤根將無法保證上部盤根密封性能。為確保密封性能良好，正確的組合應(yīng)為編織盤根+石墨盤根組合。結(jié)合以上分析內(nèi)容，將盤根數(shù)量及組合方式設(shè)計(jì)為：上部3道盤根（1道編織+1道石墨+1道編織），下部4道盤根（1道編織+2道石墨+1道編織）。此種設(shè)計(jì)既能滿足盤根密封性能要求，也能滿足盤根安裝高度設(shè)計(jì)要求。3.2設(shè)計(jì)盤根底環(huán)：因該閥門的介質(zhì)具有放射性，其盤根設(shè)計(jì)為雙層隔離式，將盤根分為上下兩部分，下部盤根起主要密封作用，上部盤根起輔助密封作用，中間安裝間隔環(huán)用于引漏，下部盤根泄漏的介質(zhì)通過與間隔環(huán)對準(zhǔn)的引漏孔排出，保證了盤根密封的可靠性。通常閥門在設(shè)計(jì)時(shí)會在盤根涵底部加裝盤根底環(huán)（也稱座圈、填料墊等），此設(shè)計(jì)可使盤根不受介質(zhì)反復(fù)沖擊作用，提高了盤根的使用壽命和可靠性。常見的雙層隔離式盤根結(jié)構(gòu)如圖3所示：對盤根組件各部分的尺寸進(jìn)行檢查，盤根以VELAN閥門廠家供貨備件進(jìn)行測量，相關(guān)數(shù)據(jù)如下：1） 上部盤根高度：6.1+6.9+6.4=19.4mm；2） 間隔環(huán)高度：33.1mm；3） 下部盤根高度：9.72*5+6.1*2=60.8mm；4） 盤根涵深度：120mm；5） 盤根壓蓋可壓縮高度：28.4mm；6） 引漏管相對盤根涵底部高度：76-77mm。按照VELAN閥門廠家供貨的盤根備件組成安裝，盤根壓縮量以20%進(jìn)行分析，盤根緊固后間隔環(huán)頂部距離引漏孔中心太近，可能無法正常引漏，增加了閥門外漏風(fēng)險(xiǎn)，安裝前后示意圖見如下圖4、圖5：按照最新設(shè)計(jì)的盤根數(shù)量及組合方式，盤根壓縮量以20%進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一個(gè)高度合適的盤根底環(huán)安裝在盤根涵底部，盤根緊固后間隔環(huán)中間位置可與引漏孔對準(zhǔn)，且盤根壓蓋有足夠的壓縮余量，安裝前后示意圖見如下圖6、圖7：盤根底環(huán)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了不引入閥桿摩擦且不應(yīng)對閥桿造成拉傷的情況。在盤根底環(huán)下部將內(nèi)徑擴(kuò)大至mm，與閥桿完全不接觸，無引入摩擦阻力的可能。在盤根底環(huán)上部與盤根接觸的部位，其內(nèi)徑變?yōu)閙m，其外徑均為mm，盤根內(nèi)外徑尺寸為：mm，此尺寸配合可以保證閥桿與盤根底環(huán)間隙大于盤根底環(huán)與盤根涵的間隙，盤根底環(huán)不會與閥桿發(fā)生干涉刮擦。盤根底環(huán)高度的設(shè)計(jì)保證盤根在壓縮后，間隔環(huán)中間位置可與引漏孔對準(zhǔn)，以保證引漏功能。盤根底環(huán)的設(shè)計(jì)尺寸及加工實(shí)物見如下圖8、圖9：3.3核算盤根力矩：盤根密封使用中，盤根與閥桿的磨損是影響密封效果以及密封有效壽命的重要因素，也是盤根密封性能的重要部分。盤根壓蓋螺栓預(yù)緊力可以使盤根變形產(chǎn)生軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，分別與閥桿、盤根涵表面緊密貼合，最終達(dá)到阻止介質(zhì)泄漏的目的。螺栓預(yù)緊力小則盤根與閥桿接觸面積小、徑向應(yīng)力小，摩擦損耗少；螺栓預(yù)緊力過大則會導(dǎo)致徑向應(yīng)力過大，與閥桿接觸力大，盤根磨損量增大，會縮短盤根密封的使用壽命。因此，應(yīng)合理選擇預(yù)緊力，在保證盤根密封可靠無介質(zhì)外漏的同時(shí)也盡量減小磨損，以便提高盤根密封的使用壽命和設(shè)備的可靠性。新設(shè)計(jì)的盤根組件安裝總高度較原設(shè)計(jì)有減小，原力矩36N.m已不再適用，按照閥門設(shè)計(jì)要求，使用閥門盤根力矩計(jì)算書對新設(shè)計(jì)的盤根組件安裝力矩進(jìn)行重新核算，建議盤根螺栓按照25N.m進(jìn)行緊固。閥門盤根力矩計(jì)算書內(nèi)容如表2所示：表2閥門盤根力矩計(jì)算書內(nèi)容4結(jié)論在核電站大修期間，對動作時(shí)間異常的VELAN氣動截止閥進(jìn)行了改進(jìn)處理，改進(jìn)后閥門動作時(shí)間滿足程序要求，至今未再發(fā)生過動作時(shí)間超標(biāo)的情況，閥門動作時(shí)間超標(biāo)的問題得到徹底解決。此改進(jìn)方案的收益如下：1） 減少了因閥門設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的糾正性維修次數(shù)（針對閥門動作時(shí)間超標(biāo)缺陷，日常期間跟蹤處理的工單數(shù)量近40張），節(jié)省了不必要的維修工作所產(chǎn)生的備件、工時(shí)等成本；2） 改進(jìn)處理后設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)更加可靠，維修人員無需進(jìn)入R廠房檢查處理閥門故障，減少了功