摘 要：针对日常运行期间阀门出现动作时间超标的故障，现场阀门解体后进行检查，发现盘根组件存在设计不合理的情况。通过对盘根组件密封机理和结构设计的研究分析，结合阀门盘根设计功能和结构特点，对阀门盘根组件存在的设计缺陷做了相应改进，从根本上解决了阀门动作时间超标的故障。
关键词 盘根；密封；盘根底环；间隔环；摩擦阻力
Improvement of Packing Design defect of VELAN pneumatic stop valve
Zou Fuyu 1，Zhang Guohao2，Zhou Du2
（1.China General Nuclear Power Group；2.China Nuclear Power Operation Co. ,Ltd. Shenzhen 518124，China）
Abstract ：In view of the failure of valve action time exceeding the standard during daily operation, the valve was disassembled and inspected on site. It was found that there was unreasonable design of packing assembly. Through the research and analysis of the sealing mechanism and structure design of the packing assembly, combined with the design function and structure characteristics of the valve packing, the corresponding improvement is made to the design defects of the valve packing assembly, which fundamentally solves the failure of the valve action time exceeding the standard.
Keywords：packing; sealing; packing bottom ring; spacer ring;frictional resistance;
0 引言
为防止阀杆处介质外漏，阀门一般采用盘根密封。有效密封的条件是根据使用工况，选取适当的盘根形式和盘根。盘根密封是径向接触式密封，它将盘根压盖的轴向力转变为盘根的径向力，从而产生径向密封效果。通过分析盘根密封时的径向压力分布情况，可用于分析盘根的密封。盘根预紧力与磨损量和泄漏量的的研究成果，对盘根安装紧固具有指导意义。
从现场维修活动中发现，部分阀门在盘根设计上存在不足，如盘根安装组合方式和安装数量不当，会对盘根密封性能及摩擦阻力产生较大影响，可能导致阀门动作异常的故障。本文将从阀门盘根故障缺陷分析出发，结合现场设备情况及现有技术研究成果，对设计不合理的情况进行技术改进。
1 故障现象
1.1 阀门解体前的检查情况
2016年8月11日，某核电厂运行人员执行定期试验，发现一台DN80的VELAN气动截止阀关闭时间超时，程序要求关闭时间小于10s，实际关闭时间为10.3s。随后再次进行开启关闭操作，阀门关闭时间为6.2s，满足程序要求。
2016年8月19日，机械维修人员在功率运行期间进入R厂房对阀门进行了检查，更换了减压阀，处理完成后再鉴定关闭时间为5.7s。
2016年10月6日，执行试验，阀门关闭时间9.7s，接近程序要求限值10s。
2016年12月2日，执行试验，阀门关闭时间9.05s。
2017年1月26日，执行试验，阀门关闭时间12.1s，超出程序要求。
2017年1月28日，机械维修人员在功率运行期间进入R厂房，现场更换了电磁阀滑阀，同时对阀门盘根处进行了润滑，主控配合开关阀门，开启时间2.75s，关闭时间5.7s，满足程序要求。
2017年2月至10月，阀门动作时间趋势跟踪情况如下：
2017年2月22日：关闭时间5.8s，开时间2.8s；
2017年3月22日：关闭时间5.7s，开时间2.65s；
2017年5月17日：关闭时间6s，开时间3s；
2017年6月21日：关闭时间6.5s，开时间3s；
2017年7月12日：关闭时间8s，开时间3s。
2017年10月，机组大修期间对阀门进行FRATOL试验，测试盘根摩擦力为140.9daN，结果正常。
大修后持续对阀门动作时间进行跟踪，跟踪期间为2017年12月至2019年2月。
2018年6月12日，进行阀门动作试验，首次阀门动作，关闭时间：9.999s，开启时间：2.80s；再次动作阀门，关闭时间：6.599s，开启时间：2.80s。
2018年9月17日，对阀门进行定期动作试验，首次关闭时间10.398s，第二次关闭时间5.999s，首次动作不满足程序要求。维修项目组针对阀门动作超时问题进行讨论评价，形成的结论如下：
1)结合历史情况阀门首次动作时，阀门关闭时间较长，第二次均能稳定在6s左右；
2)目前较大原因定位为阀门长时间未动作，盘根静摩擦力较大导致首次时间较长，另外自工程安装期间至今阀门盘根未进行更换，怀疑阀门盘根存在老化，性能下降；
3)机械维修人员准备在定期试验期间阀门动作超时的预案，同时准备好大修全面解体检查原因分析的预案；
4)经各专业评价，阀门可关闭功能不受影响，机械维修专业继续跟踪阀门定期动作试验情况。
2018年9月28日，机械维修人员在功率运行期间进入R厂房，对阀门执行检查处理，具体内容为：阀门供气压力4.0bar.g，正常；使用石墨润滑汁（俗称“黑水”）对阀门盘根进行了润滑；校验盘根螺栓力矩为36N.m，未松弛；检查供气管线无泄漏。现场检查处理后，联系主控配合操作阀门，阀门开启时间为2.6s，关闭时间为5.599s，阀门开关时间满足要求。此后至下次大修开始前持续对阀门动作时间进行跟踪。
1.2 阀门解体后的检查情况：
2019年2月，大修期间对阀门进行解体查找故障原因，解体后对盘根组件进行了检查测量，发现盘根备件、盘根现场安装情况与图纸要求均不一致，详细如下：
1)VELAN厂家供货的盘根备件组成为：上部3道盘根（1道编织+1道石墨+1道编织），中间为间隔环，下部7道盘根（1道编织+5道石墨+1道编织），无盘根底环，厂家供货盘根备件如下：
图1 VELAN厂家供货的盘根备件
2)现场盘根安装组成为：上部4道盘根（1道编织+2道石墨+1道编织），中间为间隔环，下部6道盘根（1道编织+4道石墨+1道编织），无盘根底环；
3)阀门图纸要求的安装组成为：上部2道编织盘根，中间为间隔环，下部6道盘根（1道编织+4道石墨+1道编织）。
从以上检查情况分析，存在如下问题：现场原始安装未按照阀门厂家图纸要求执行，下部盘根安装压缩后间隔环将无法对准引漏孔，盘根引漏功能失效，阀门盘根处存在介质外漏的；对于mm的阀杆直径，以上3种方式的盘根安装总高度均超出设计标准，将明显增大阀杆摩擦，对阀门动作时间产生直接影响；阀门厂家图纸中的上部盘根安装组合形式为2道编织盘根，不符合设计。
2 故障分析
2.1 原因分析：
对该阀门动作时间异常问题，从2016年首次发现至大修期间一直在进行原因查找和分析，如下表1将可能原因全部列出并进行对比分析：
表1 阀门动作时间异常原因分析
2.2 分析结论：
以上表1中的可能原因，都是在此阀门原因查找过程中做了逐一排查，阀门供气压力、原盘根力矩、电磁阀、阀体卡涩等内容都做了排除，直至解体后发现盘根组件设计不合理，存在盘根组合方式错误，盘根安装数量过多的情况，这是造成阀门动作时间超标的根本原因。另外，因盘根涵和各盘根组件配合高度不合适，间隔环无法对准盘根引漏空，盘根引漏功能失效，阀门存在介质外漏的风险。
3 设计改进
3.1 重新设计盘根数量及组合方式：
根据阀门设计惯例，最佳盘根高度为阀杆直径的1.5倍，1.2章节中的3种组合方式盘根安装高度过高（尺寸见3.2章节），设计不合理。盘根组合的高度（即盘根的数量）是容易被忽视和误解的。根据盘根密封机理研究内容，在低的流体压力下，所有的盘根环都对密封有影响，但过高的盘根不必要，因为泄漏量可以通过将盘根螺栓拧紧来控制，即泄漏量主要由间隙的径向长度而非轴向高度支配，且过高的盘根摩擦力更易被过分拧紧而容易产生。盘根密封结构中，径向压力和介质压力分布如下图2所示，盘根径向压力分布由外端向内端递减，而介质压力则由内端逐渐向外端递减。
阀门设计时石墨环盘根由两种石墨组成，盘根最上面一道和最下面一道是丝状编织石墨环，中间是片状层压或带状石墨环。中间石墨环的纹理和阀杆表面垂直，流体不易渗透，密封性好，是阀杆的主要密封件，但是其强度低易破碎；编织石墨环可以防止中间石墨盘根环挤出，增加中间石墨环的强度，也可以清除阀杆表面的石墨颗粒，防止阀杆腐蚀。VELAN阀厂家供货的盘根备件和此要求一致，但阀门图纸中的要求存在错误，图纸显示上部盘根仅有两道编织盘根，此种组合的盘根将无法保证上部盘根密封性能。为确保密封性能良好，正确的组合应为编织盘根+石墨盘根组合。
结合以上分析内容，将盘根数量及组合方式设计为：上部3道盘根（1道编织+1道石墨+1道编织），下部4道盘根（1道编织+2道石墨+1道编织）。此种设计既能满足盘根密封性能要求，也能满足盘根安装高度设计要求。
3.2 设计盘根底环：
因该阀门的介质具有放射性，其盘根设计为双层隔离式，将盘根分为上下两部分，下部盘根起主要密封作用，上部盘根起辅助密封作用，中间安装间隔环用于引漏，下部盘根泄漏的介质通过与间隔环对准的引漏孔排出，保证了盘根密封的可靠性。通常阀门在设计时会在盘根涵底部加装盘根底环（也称座圈、填料垫等），此设计可使盘根不受介质反复冲击作用，提高了盘根的使用寿命和可靠性。常见的双层隔离式盘根结构如图3所示：
对盘根组件各部分的尺寸进行检查，盘根以VELAN阀门厂家供货备件进行测量，相关数据如下：
1)上部盘根高度：6.1+6.9+6.4=19.4mm；
2)间隔环高度：33.1mm；
3)下部盘根高度：9.72*5+6.1*2=60.8mm；
4)盘根涵深度：120mm；
5)盘根压盖可压缩高度：28.4mm；
6)引漏管相对盘根涵底部高度：76-77mm。
按照VELAN阀门厂家供货的盘根备件组成安装，盘根压缩量以20%进行分析，盘根紧固后间隔环顶部距离引漏孔中心太近，可能无法正常引漏，增加了阀门外漏风险，安装前后示意图见如下图4、图5：
按照最新设计的盘根数量及组合方式，盘根压缩量以20%进行分析，设计一个高度合适的盘根底环安装在盘根涵底部，盘根紧固后间隔环中间位置可与引漏孔对准，且盘根压盖有足够的压缩余量，安装前后示意图见如下图6、图7：
盘根底环在设计时考虑了不引入阀杆摩擦且不应对阀杆造成拉伤的情况。在盘根底环下部将内径扩大至mm，与阀杆完全不接触，无引入摩擦阻力的可能。在盘根底环上部与盘根接触的部位，其内径变为mm，其外径均为mm，盘根内外径尺寸为：mm，此尺寸配合可以保证阀杆与盘根底环间隙大于盘根底环与盘根涵的间隙，盘根底环不会与阀杆发生干涉刮擦。盘根底环高度的设计保证盘根在压缩后，间隔环中间位置可与引漏孔对准，以保证引漏功能。
盘根底环的设计尺寸及加工实物见如下图8、图9：
3.3 核算盘根力矩：
盘根密封使用中，盘根与阀杆的磨损是影响密封效果以及密封有效寿命的重要因素，也是盘根密封性能的重要部分。盘根压盖螺栓预紧力可以使盘根变形产生轴向应力和径向应力，分别与阀杆、盘根涵表面紧密贴合，最终达到阻止介质泄漏的目的。螺栓预紧力小则盘根与阀杆接触面积小、径向应力小，摩擦损耗少；螺栓预紧力过大则会导致径向应力过大，与阀杆接触力大，盘根磨损量增大，会缩短盘根密封的使用寿命。因此，应合理选择预紧力，在保证盘根密封可靠无介质外漏的同时也尽量减小磨损，以便提高盘根密封的使用寿命和设备的可靠性。
新设计的盘根组件安装总高度较原设计有减小，原力矩36N.m已不再适用，按照阀门设计要求，使用阀门盘根力矩计算书对新设计的盘根组件安装力矩进行重新核算，建议盘根螺栓按照25N.m进行紧固。阀门盘根力矩计算书内容如表2所示：
表2 阀门盘根力矩计算书内容
4 结论
在核电站大修期间，对动作时间异常的VELAN气动截止阀进行了改进处理，改进后阀门动作时间满足程序要求，至今未再发生过动作时间超标的情况，阀门动作时间超标的问题得到彻底解决。此改进方案的收益如下：
1)减少了因阀门设计缺陷导致的纠正性维修次数（针对阀门动作时间超标缺陷，日常期间跟踪处理的工单数量近40张），节省了不必要的维修工作所产生的备件、工时等成本；
2)改进处理后设备运行状态更加可靠，维修人员无需进入R厂房检查处理阀门故障，减少了功率运行期间进入R厂房的次数（改进前为处理该缺陷，曾3次进入R厂房）及人员受照剂量；
3)该改进方案已在某核电站多个机组大修中推广应用，对8台同类阀门按照该方案实施了改进，改进后阀门状态良好。本文中的盘根设计缺陷改进方案为国内CPR1000机组同类VELAN阀门盘根改进提供了方法和经验。
参考文献
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［5］ （德）海因茨 K. 米勒，（英）伯纳德 S. 纳乌著，程传庆等译，流体密封技术—原理与应用[M]．北京：机械工业出版社，2006．
作者简介：
邹付余（1972.12-），男，中国广核集团有限公司核电管理部，主要从事核电维修管理工作；
赵国浩（1988.8-），男，中广核核电运营有限公司大修中心静止机械分部阳江项目队队长，主要从事管道、阀门维修及故障处理工作；
周犊（1979.6-），男，中广核核电运营有限公司大修中心静止机械分部主任工程师，主要从事管道、阀门维修及故障处理工作。