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Schubert & Salzer滑窗式调节阀内漏原因分析及处理

发表时间：2020/7/15 来源：《电力设备》2020年第5期作者：王欣欣黄赣锋张林卓

[导读] 摘要：辅助蒸汽生产系统锅炉给水调节阀多次发生内漏缺陷，影响了系统可用性。

        （福建福清核电有限公司福建省福清市 350318）
        摘要：辅助蒸汽生产系统锅炉给水调节阀多次发生内漏缺陷，影响了系统可用性。描述了滑窗式调节阀结构特点，分析了密封面缺陷产生的直接原因和，介绍了阀门内漏排查步骤。针对导致密封面损坏的根本原因，提出了相应的处理措施。通过更换阀门牵引弹簧、增大系统介质过滤能力、优化运行规程和优化阀门维修工艺等措施的实施，降低了阀门内漏风险，提升了系统和设备运行可靠性。
        关键字：滑窗式调节阀；内漏；原因分析；处理
        1.前言
        辅助蒸汽生产系统锅炉给水调节阀0XCA001/002VL曾多次出现内漏缺陷，导致锅炉液位上涨，影响了电锅炉热备用性能。本文针对阀门内漏故障进行了原因分析，并给出了处理措施。
        2.系统和设备简介
        2.1辅助蒸汽生产系统简介
        辅助蒸汽生产系统（XCA）是核电站辅助蒸汽分配系统（SVA）的汽源之一。正常运行期间辅助蒸汽由蒸汽转换器系统（STR）提供，辅助蒸汽生产系统的功能是在蒸汽转换器不能满足辅助蒸汽分配系统需求时，提供足够的辅助蒸汽。
        XCA系统主要由两台辅助锅炉（0XCA001/002CH）及其辅助设备组成。正常运行条件下，经过除氧的高温给水经三台锅炉给水泵（两用一备）泵送至辅助锅炉，在锅炉内蒸发后产生足够的蒸汽，蒸汽经汽水分离后进入下游用户。锅炉给水阀（0XCA001/002VL）用于调节进入锅炉的给水量。

        图1 0XCA001/002VL阀门
        2.2自动给水阀（0XCA001/002VL）简介
        锅炉给水阀（0XCA001/002VL）采用Schubert & Salzer生产的气动滑窗式调节阀，也称滑动闸门控制阀（sliding gate valve）。阀门设计采用直通流路，能够减少能量损失。
        阀门通过电气转换器控制阀门开度。通过PLC给阀门一个开度指令，由电气转换器执行，将4-20mA的电信号转换成20-100kPa的气压信号，以此来控制阀门开度。阀门正常的供气压力范围为4-6bar。0XCA001/002VL阀门见图1。
        一片起固定和密封作用的阀板(2)垂直安装在阀体(1)内，阀板上设计有多个窗孔；另一片具有相同窗孔构造的阀板(3)可垂直于流体方向相对于固定阀板运动，利用两片阀板窗孔位置的交错变化改变流通面积，从而实现对介质的流量调节功能。
        3.阀门内漏原因分析与排查
        2015年9月，0XCA001VL内漏导致锅炉水位在10分钟内上涨了0.5cm，估算阀门内漏量为3L/min。经过分析，以下原因可能会导致阀门内漏。
        3.1故障原因分析
        1）阀门供气压力不足或者执行机构损坏。
        阀门供气压力不足，则无法克服弹簧力使阀门关闭；如果执行机构部件损坏或者内漏，也会导致阀门没有足够的关闭力，最终导致阀门无法关严。
        2）阀门行程不足。
        如果阀门显示开度指示与实际开度不一致，阀门显示为关闭而实际未关闭，会导致阀门内漏。此外，如果阀门行程不足，气动执行机构未充分驱动阀杆，也会导致阀门内漏。
        3）阀门内部存在异物卡涩。
        阀门内部存在异物卡涩，则会导致阀门无法关严，会导致阀门内漏；如果阀门密封面间存在异物，会导致密封面不严密，阀门也会存在内漏现象。
        4）密封面损坏。
        密封面损坏会导致密封面不严密，无法阻挡介质通过，导致阀门内漏。
        5）固定阀板密封垫损坏。
        根据阀门结构分析，如果阀座密封垫片损坏，介质会沿下图红线路径泄漏，最终体现为阀门内漏。下图2显示了阀门内漏路径。

        图2 沿固定阀板密封垫片泄漏路径示意图
        6）阀板牵引弹簧损坏。
        牵引弹簧（下图3序号B）用于连接滑动阀板保持环和固定阀板，当阀门关闭时，牵引弹簧起到使阀板紧密贴合的作用，减少泄漏。如果弹簧损坏，阀门关闭状态下密封比压不足，很有可能会引起阀门内漏。

        图3 阀板牵引弹簧示意图
        3.2故障排查
        针对以上原因，经过如下排查，确认了阀门内漏的直接原因。
        1）对阀门进行了多次气动操作，阀门动作正常；对气动头进行了解体并更换了膜片，检查了其他零部件，未发现异常，排除气压或执行机构原因。
        2）操作阀门动作，比对阀门就地开度与触摸屏开度一致；检查并调整了阀门联轴器安装间隙，内漏缺陷仍未消除，排除了阀门行程不足的原因。
        3）对阀门进行了解体，未发现阀门有异物卡涩，固定阀板密封垫无明显破损。
        4）对阀门进行了解体检查，发现阀门密封面磨损严重，见下图4。此外，还发现牵引弹簧有明显松弛现象。

        图4 阀板解体时密封面处理状况
        根据以上排查结果，可以判断阀门密封面损坏、弹簧松弛是内漏的直接原因。
        4.阀门密封面损坏原因分析
        结合阀门工作原理、结构特点、运行状况以及解体检查情况分析，分析造成密封面磨损的可能原因有：
        4.1流体冲蚀
        在一定的速度下,流体中的夹杂的细微颗粒冲击至密封面,会使密封面造成局部损坏；高速流体直接冲刷密封面,会使密封面造成局部损坏；流体中的汽泡爆破冲击密封面,也会使密封面造成局部损坏。
        阀门窗口位置进行检查，可发现明显流体冲蚀痕迹。密封面被流体冲刷后无法实现密封功能，造成阀门内漏。流体冲蚀也可以从车削后的密封面上可以直观看出，窗口位置明显有冲蚀痕迹。

        图5 密封面处理前（左图）、后（右图）阀板密封面冲蚀痕迹
        4.2异物磨损
        阀门密封面存在上下方向线状拉伤，说明密封面间存在微小硬质异物颗粒。当阀板相对上下运动时，阀板间夹杂的硬质对造成密封面磨损，阀门内漏。在压差作用下，阀瓣紧贴阀座相对运动，进一步加深了磨损的程度。

        图6 密封面异物磨损痕迹
        4.3介质腐蚀
        从拆解后的阀板上可以直观看出，窗口冲蚀位置明显发生了黑色腐蚀现象，见下图7。
        设计上，要求锅炉在10分钟内能够实现从热备用（锅炉内部压力0.35MPa）状态下转至正常运行（锅炉内部压力1.2MPa）状态。调节阀前后隔离阀为手动阀，操作较为费时，因而运行操作手册中规定将调节阀0XCA001/002VL作为承压边界，在锅炉处于热备用状态下时，调节阀关闭，其前后隔离阀打开。
        锅炉处于热备用状态、以调节阀作为承压边界时，有两种情况：
        1）阀门上游给水泵运行，上游管道有压力（1.3MPa）。这种情况下，阀板在压差作用下相互贴紧，理论上密封性能更佳。
        2）阀门上游给水泵停运，上游管道无压力。这种情况下锅炉内部介质会汇集到阀门密封面处，甚至通过密封面返流。
        锅炉内部水添加了Na3PO4，以增强内部介质电导率，便于产生蒸汽。锅炉水呈碱性（通常为pH12-14），阀瓣的材质为碳钢，相关研究表明，碳钢在碱性容易中的腐蚀速率比在中性溶液中的大[2]。流体冲刷作用会增加密封面腐蚀风险。此外，密封面介质的浓度差会产生电位差，也会造成电化学腐蚀。

        图7 密封面腐蚀痕迹
        5.调节阀内漏故障处理
        根据以上分析，造成调节阀内漏的原因主要有几个方面，根据实际情况可采取以下措施减少阀门内漏。
        1）更换牵引弹簧。
        阀门经过多次动作后，牵引弹簧产生会疲劳，失去弹力，阀门关闭状态下无法保证阀板紧密贴合。采用弹性更强的、强度更大的弹簧，能够降低阀门内漏风险。
        2）增大阀门上游过滤器过滤能力。
        锅炉给水最终来源于常规岛除盐水分配系统（SER），适当增大除盐水过滤器、锅炉给水泵入口过滤器、调节阀上游过滤器滤网的过滤精度，减少颗粒物对阀门密封面的冲刷，能够降低阀门内漏风险。
        3）优化运行规程。
        优化运行规程，锅炉处于热备用时修改为由调节阀下游闸阀作为隔离边界，可以断绝锅炉水返流造成的密封面介质腐蚀，降低密封面损伤风险。
        4）优化阀门维修工艺。
        滑窗式调节阀的密封面较大，不易保证研磨质量，偏磨或者局部高点未处理，均会导致密封效果不佳。此外，由于阀门损伤范围相对较大，损伤程度较深，通常采取车削的办法处理密封面。
        为了降低车削成本，延长阀瓣使用寿命，在损伤面不大、损伤程度不深的情况下，可以采取增加受力盘的方式。这样做主要是为了考虑减少偏磨。具体的作法见下图7。

        图7 阀板研磨示意图
        6.结论
        通过对滑窗式调节阀内漏原因分析与排查，结合阀门解体情况，确认了导致阀门内漏的原因。
        1）根据阀门密封面检查情况判断，阀门内漏的直接原因为阀门密封面损坏和牵引弹簧损坏。
        2）根据密封面的损坏情况判断，阀门内漏的根本原因为阀门存在流体冲蚀、密封面异物磨损及介质腐蚀。
        阀门出现内漏后，不仅需要对密封面进行检查处理，还需要进一步分析更深层次的原因并采取适当的措施。根据滑窗式调节阀的阀门结构和系统运行特性，采取更换阀门牵引弹簧、增大系统介质过滤能力、优化运行规程和优化阀门维修工艺等一系列措施，能够消除阀门缺陷，降低阀门故障率，提高设备和系统可靠性。
        参考文献
        [1]实力国际，Equipment Operation and Maintenance Manual Control Valves，Rev.A
        [2]谷宁，碳钢在中碱性介质中的腐蚀行为，河北省科学院学报，2001年，第18卷第2期：99-101