1. 概述
在核电站运行中, 在主蒸汽管路上都设置有主蒸汽快速隔离阀, 当蒸汽发生器传热管出现破裂事故, 将会导致一回路的放射性介质泄露到二回路中或者发生地震时, 主蒸汽快速隔离阀能够快速关闭 (关闭时间不超过5秒) , 将故障蒸汽发生器与主蒸汽集管隔离, 进而保证机组的正常运行。
主蒸汽快速隔离阀由阀芯、上腔室、下腔室、弹簧, 三个电磁先导阀MV1、MV2及MV3等部件组成。主蒸汽快速隔离阀的电磁先导阀, 用于控制主蒸汽快速隔离阀使其实现快速关闭、慢速关闭、保持开启和保持关闭的功能, 是保证机组安全稳定运行的重要设备。
2. 电磁先导阀的工作原理
电磁先导阀依靠电磁头的电磁吸力、弹簧作用力、阀杆阀芯自身重力共同作用控制其开启和关闭, 由于电磁先导阀的阀杆阀芯重力较轻, 在作用过程中可忽略。在电磁先导阀的电磁头没有通电的情况下, 依靠弹簧的作用力作用在阀杆上, 进而通过阀杆将阀芯紧压在先导阀的阀座上并保持密封, 此时先导阀处于关闭状态。而当电磁头通电后, 电磁铁产生了电磁吸力克服了弹簧产生的作用力, 进而将阀杆提起, 这样阀芯就脱离阀座, 系统介质开始排放, 先导阀开启。其中的阀杆和阀芯是通过销钉和调节螺钉连接, 调节螺钉与阀杆采用的是螺纹连接, 调节螺钉的头部为球状, 能够顶住阀芯的内部, 阀杆与阀芯的连接是活动的, 因此阀芯具有一定的活动度。阀杆与电磁杆之间通过拧在一起连接, 阀杆的密封采用的是波纹管密封技术。
3. 电磁先导阀泄漏
在某核电厂中, 主蒸汽阀组在调试完毕运行一段时间后, 几个通道的主蒸汽快速隔离阀的电磁先导阀普遍出现了泄漏的现象, 并且随着运行时间的延长, 先导阀泄漏的量持续增大, 引起安装在先导阀疏水管线上的温度传感器产生高温报警。电磁先导阀的普遍泄漏并且在泄漏量足够大时, 泄漏的主蒸汽不能通过排放管线及时的被全部排入大气, 这样蒸汽会在主阀的上腔室内建立压力腔, 当主阀上腔的压力达到12.5bar时, 将会导致主阀的强制关闭, 机组被迫停机, 所以先导阀的泄漏对机组的温度运行构成了潜在风险, 因为我们急需解决先导阀的泄漏故障。
4. 泄漏原因分析
a) 首先可能是在主蒸汽阀组的试验期间, 由蒸汽中携带的杂质微粒进入了电磁先导阀并且不断积累在电磁先导阀的阀座上, 在这情况下阀门的任何调节处理都无法避免泄漏的发生, 并且不论任何结构设计的电磁先导阀在这种情况下都会发生泄漏。
b) 电磁先导阀最初设计的阀座衬套的内径为13.0毫米, 电磁先导阀的阀芯底座内径为13.7毫米, 由于阀芯的径向移动会导致它们的配合之间有一定的偏移, 可能会造成电磁先导的阀芯底座不能完全压盖在阀座衬套上, 这样会导致阀门不能完全密封, 从而导致电磁先导阀的泄漏。
c) 在原电磁先导阀的设计中, 可移动部件中的导向杆长度设计稍短, 这样在运动中部分情况下会导致阀杆和阀芯受到径向作用力, 影响到先导阀的密封性, 进而导致电磁先导阀的泄漏。
5. 改进措施
根据阀门的结构设计以及上述列出的可能原因, 对电磁先导阀进行结构上的改进, 改进措施如下:
a) 上移弹簧
将阀门中的弹簧向上移至阀杆的顶部固定, 弹簧移至顶部固定可避免弹簧随阀杆移动从而由弹簧产生的对阀杆的径向力。其中改进后的弹簧的弹力与原阀门中设计相同。
b) 电磁杆与先导阀杆之间连接的更改
在原阀门的设计中, 电磁阀杆与先导阀杆通过将两个部件拧在一起相互连接, 两个部件之间没有灵活性, 改进之后采用柔性联轴器将两个部件进行连接, 这样这避免对先导阀杆产生径向力。
c) 增加阀门导向杆的长度
相比于原阀门的设计, 增加了导向杆的长度, 这样了保证先导阀杆始终与阀门能够完全垂直, 避免产生径向力。
d) 更改阀芯底部与阀杆之间的间隙
在原阀门的设计当中, 由于阀芯底座与阀杆之间有较大间隙, 当电磁先导阀打开时, 阀芯将相对于阀杆有一定倾斜。当阀芯重新安放时, 它将在阀座衬套上滑动以为了与阀座衬套上的位置对齐。这可能导致先导阀泄漏。在新的改进设计中, 这个间隙减小了。
e) 减小阀座衬套内径
为了改善阀芯和阀座衬套之间的接触, 阀座衬套的内径从13.0毫米减小到12.3毫米。较小的阀座孔将略微减少流向上活塞腔 (UPC) 的流量, 但对主蒸汽隔离阀关闭时间的影响可以忽略不计。
f) 阀杆密封
原电磁先导阀阀杆密封是采用波纹管进行密封。波纹管相对较硬, 需要一定的力来拉伸或压缩波纹管。由于波纹管组件的制造过程, 不能非常精确地承受该力。当电磁先导阀关闭时, 该力会增大或减小座位力。为了消除这种影响, 波纹管将由一个由Greene Tweed制造的GT密封件代替。该密封件具有很强的耐化学腐蚀性能, 能够适应广泛的温度范围, 并且具有低的压缩变形量, 其抗爆性能也十分优异。因此采用GT密封件进行填充密封时不会产生压缩变形, 因此不会变形触碰到阀杆从而给阀杆带来摩擦作用力。
为了确认所提出的改进适合于改善电磁先导阀的密封性, 对新的阀门进行了蒸汽循环试验。主蒸汽快速隔离阀所处的正常系统压力为6.27MPa即62.7bar, 因此我们采用压力为63bar的饱和蒸汽对新电磁先导阀进行了300次开启和关闭循环试验, 在试验测试期间阀门的密封性一直保持良好, 没有泄露现象的发生;在该试验完成之后又采用了压力为70bar的压缩空气对电磁先导阀进行密封性试验, 在此试验期间, 阀门同样未出现泄漏, 保证了其密封性。
6. 总结
新型先导阀是在原先导阀的结构上进行优化, 增加了阀杆导向杆的长度, 将弹簧移至顶部, 取消了波纹管组件, 阀门的整体结构未改变。增加导向杆的长度能对阀芯产生更好的导向, 将弹簧移至顶部并取消波纹管可以消除弹簧在波纹管上产生的径向作用力, 使阀芯不至于偏斜, 优化后的阀门的结构性能优于原设计, 性能上更为可靠, 并且对工业安全及核安全的影响小于原设计。
改造的目标是优化先导阀的结构, 降低先导阀产生泄漏的几率, 提高设备的可靠性。通过对该电磁先导阀故障部件的检查和分析, 对其结构做了改进, 优化后的新型电磁先导阀, 已进行了现场的安装使用, 验证其使用效果良好, 未再次发生蒸汽泄漏故障, 保证了机组的安全运行。
摘要：本文通过介绍主蒸汽快速隔离阀电磁先导阀的工作原理, 分析了电磁先导阀泄漏的原因, 进而提出了相应的结构改进设计, 最终解决了电磁先导阀的泄漏故障。
关键词：电磁先导阀,泄漏,原因,改进
参考文献
[1] 周兴强.电磁先导阀阀芯故障的分析及处理[J].阀门, 2008, (1) :41-43
[2] 倪宇峰.主蒸汽快关隔离阀的发展及在田湾核电站的应用[J].通用机械, 2007, (8) :22-24