羅賢龍，李祥奎，于新娜

（福建福清核電有限公司，福建福清 350318）

0 引言

壓水堆核電汽輪機(jī)進(jìn)汽為飽和濕蒸汽，蒸汽參數(shù)較低，單位質(zhì)量蒸汽有效燴降較小，蒸汽流量較大。核電汽輪機(jī)機(jī)組的蒸汽流量幾乎相當(dāng)于相同功率等級火電機(jī)組的2倍[1]。核電汽輪機(jī)的高壓缸、汽水分離再熱器（MSR）及管道內(nèi)含有大量的蒸汽和水，在事故停機(jī)或甩負(fù)荷時(shí)，由于主汽閥后壓力降低，留在高壓缸、MSR及管道內(nèi)大量的水可能閃蒸成蒸汽。這些蒸汽將引起汽輪機(jī)超速，危及汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。為了防止這些蒸汽引起汽輪機(jī)超速，在MSR出口設(shè)置再熱閥。再熱閥在核電汽輪機(jī)組運(yùn)行中起著重要作用，一旦運(yùn)行中出現(xiàn)卡澀不能關(guān)閉的故障，將使汽輪機(jī)進(jìn)汽量調(diào)節(jié)失控，造成實(shí)際進(jìn)汽量與機(jī)組特定工況下的蒸汽需求量不匹配，機(jī)組事故停機(jī)或甩負(fù)荷過程中有可能發(fā)生汽輪機(jī)機(jī)組超速甚至引發(fā)飛車、軸系斷裂、汽輪機(jī)報(bào)廢等惡性安全事故，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

福清核電廠1#機(jī)組汽輪機(jī)采用的是東方汽輪機(jī)廠與法國Alstom公司合作生產(chǎn)的HN1089-6.43/280/269-H型半轉(zhuǎn)速（1500 r/min）沖動凝汽式汽輪機(jī)組，每臺機(jī)組包含1個(gè)高中壓合缸和2個(gè)低壓缸。機(jī)組裝備高壓進(jìn)汽閥包括截止閥和調(diào)節(jié)閥各4臺，再熱閥包括截止閥和調(diào)節(jié)閥各4臺。其中，再熱閥采用德國ADAMS公司生產(chǎn)的NSK核電用截止閥、DN1200/PN25型蝶閥，安裝于汽水分離再熱器和中壓缸之間的蒸汽管道上，用于關(guān)斷或控制進(jìn)入中壓缸的蒸汽、避免汽輪機(jī)超速。每臺再熱閥組由2臺蝶閥串聯(lián)組成（圖1）:一個(gè)閥門實(shí)現(xiàn)“開/關(guān)”功能，另一個(gè)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能，即包括1臺再熱主汽閥和1臺再熱調(diào)節(jié)閥。每臺汽輪機(jī)設(shè)置4臺再熱閥組。

圖1 再熱閥組

1 閥門控制原理及故障現(xiàn)象

福清核電廠1#機(jī)組再熱閥液壓控制系統(tǒng)為電動液壓油（Electro Hydraulic oil，EH油）控制。油動機(jī)主要有伺服閥、卸荷閥、位移傳感器（Linear Variable Differential Transformer，LVDT）、隔離閥、快關(guān)電磁閥等部分組成，采用單側(cè)進(jìn)油控制。即工作時(shí)通過油動機(jī)內(nèi)充入液壓油液壓缸內(nèi)活塞推動閥軸，抗燃油液壓力驅(qū)動油動機(jī)的開啟，關(guān)閥時(shí)卸去油壓，油動機(jī)彈簧力驅(qū)使閥門實(shí)現(xiàn)快速關(guān)閥。

伺服閥將閥位控制指令電信號放大后轉(zhuǎn)換成液壓信號，控制高壓進(jìn)油的通道。油動機(jī)活塞的上、下油腔分別與系統(tǒng)高壓進(jìn)油、回油相通。油動機(jī)活塞移動，經(jīng)齒條、齒輪帶動汽閥使之旋轉(zhuǎn)開啟或關(guān)閉，同時(shí)帶動線性位移傳感器，將油動機(jī)活塞的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成電信號，并作為反饋信號與閥位指令電信號相疊加。伺服閥回到中間位置時(shí)，可切斷油缸控制腔與系統(tǒng)進(jìn)油、回油通道，使油動機(jī)及汽閥操作軸停止移動和轉(zhuǎn)動并保持在穩(wěn)定的閥位開度位置?？礻P(guān)電磁閥得電后，控制卸荷閥動作，快速卸去油缸活塞下部的抗燃油，從而迅速關(guān)閉調(diào)節(jié)閥。

在1#機(jī)組調(diào)試期間對再熱閥進(jìn)行單體開、關(guān)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2#再熱調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)過程中該閥門開啟合格，但在關(guān)閉過程中發(fā)生卡澀，閥門卡在約90%開度時(shí)無法繼續(xù)自動關(guān)閉，現(xiàn)場采取卸載動力油等措施后，閥門依然無法關(guān)閉。隨后對2#再熱調(diào)節(jié)閥多次進(jìn)行開、關(guān)試驗(yàn)，前2次試驗(yàn)結(jié)果合格，但在第3次試驗(yàn)的關(guān)閉過程中，閥門在77%開度時(shí)再次發(fā)生卡澀，無法關(guān)閉。

之前，某核電廠滿負(fù)荷甩孤島試驗(yàn)期間曾經(jīng)發(fā)生跳機(jī)事件，原因?yàn)槠啓C(jī)再熱閥卡澀導(dǎo)致，蒸汽意外進(jìn)入中壓缸做功，產(chǎn)生額外軸向推力造成汽輪機(jī)軸向位移測量值超過停機(jī)保護(hù)閾值觸發(fā)跳機(jī)。汽輪機(jī)進(jìn)汽高、再熱調(diào)節(jié)閥按照邏輯設(shè)計(jì)應(yīng)在試驗(yàn)開始后首先快速關(guān)閉，調(diào)取試驗(yàn)記錄發(fā)現(xiàn)2#再熱調(diào)節(jié)閥關(guān)閉到81.85%開度時(shí)發(fā)生卡澀[2]。該核電廠汽輪機(jī)再熱閥與福清核電廠1#機(jī)為同廠家同型號的閥門。

2 原因排查分析

針對該類型蝶閥容易卡澀的異?，F(xiàn)象，廠內(nèi)技術(shù)人員協(xié)同廠家共同進(jìn)行調(diào)查分析。汽輪機(jī)閥門卡澀事件屢見不鮮，最常見的原因?yàn)楦邷匮趸ぴ斐砷y桿與軸承卡澀，使動、靜間隙消失而造成卡澀。但是由于是新機(jī)組，閥門動作次數(shù)有限，故而是這一原因?qū)е鹿收系目赡苄暂^低。儀控人員對控制信號及回路進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，LVDT檢查正常。結(jié)合故障現(xiàn)象，分析認(rèn)為造成該閥卡澀的原因可能有以下4個(gè)。

2.1 伺服閥卡澀

最初判斷可能由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間不長，EH油中顆粒度超標(biāo)，油中較大顆粒物進(jìn)入油動機(jī)的伺服閥滑閥閥芯活動通道內(nèi)，而伺服閥滑閥通道配合間隙極其細(xì)微，有可能導(dǎo)致伺服閥濾網(wǎng)堵塞或部套卡澀造成閥門拒動。檢修人員采取更換伺服閥、清洗濾網(wǎng)的措施，并進(jìn)行了多次試驗(yàn)，再熱閥仍有卡澀現(xiàn)象，卡澀問題未能得到有效解決。對EH油質(zhì)進(jìn)行化驗(yàn)，結(jié)果表明其顆粒度處在合格水平。結(jié)合高壓閥門無卡澀的情況出現(xiàn)，否定了油質(zhì)惡化導(dǎo)致閥門卡澀的因素。

2.2 油動機(jī)卡澀

執(zhí)行機(jī)構(gòu)油動機(jī)出現(xiàn)故障的主要表現(xiàn)為:彈簧筒內(nèi)彈簧座與筒體存在卡澀，內(nèi)部部件脫落、移位，導(dǎo)致油動機(jī)彈簧力不足，無法克服抗燃油壓力，造成調(diào)節(jié)閥關(guān)閉不到位。對卡澀的再熱閥油動機(jī)解體檢查（圖2），彈簧完好，活塞桿表面光滑及活塞環(huán)密封完好，無縱向溝槽及缺口等缺陷，排除了因活塞環(huán)密封磨損嚴(yán)重導(dǎo)致油泄漏進(jìn)而導(dǎo)致油動機(jī)開啟動作遲緩或拒動情況。在檢修中，將油動機(jī)活塞桿抽出，徹底沖洗清理油動機(jī)油腔室內(nèi)部。通過檢查，否定了油動機(jī)異常的因素。

圖2 活塞桿、活塞環(huán)檢查

通過前述試驗(yàn)和檢查，2#再熱調(diào)節(jié)閥的油動機(jī)、比例閥、控制線路以及油路的故障可能性已被排除。閥門卡澀的原因調(diào)查和分析重點(diǎn)集中在閥門本體。

2.3 止推環(huán)內(nèi)徑公差過小

現(xiàn)場對2#再熱調(diào)節(jié)閥進(jìn)行解體。非驅(qū)動端蓋與閥體之間通過螺栓連接，在拆卸非驅(qū)動端時(shí)在緊固螺栓松開兩扣之后，2#再熱調(diào)節(jié)閥開始緩慢關(guān)閉，最終完全關(guān)閉。進(jìn)一步拆卸端蓋后，發(fā)現(xiàn)端閥軸表面和止推環(huán)內(nèi)壁磨損嚴(yán)重、止推環(huán)外圈與端蓋磨損明顯，閥體與端蓋扣合部位被磨損金屬呈褶皺堆積狀，并存在粘著磨損現(xiàn)象（圖3）。拆卸其他3臺再熱調(diào)節(jié)閥的非驅(qū)動端，也存在類似磨損問題，只是磨損程度較輕，未造成機(jī)械卡澀問題。4臺再熱截止閥不存在類似非驅(qū)動端磨損問題。

圖3 再熱調(diào)節(jié)閥非驅(qū)動端磨損

聯(lián)合廠家技術(shù)人員共同分析后，再熱閥發(fā)生卡澀的根本原因?yàn)榉球?qū)動端止推環(huán)裝配間隙設(shè)計(jì)值偏小[3]，造成末端閥軸表面與止推環(huán)內(nèi)壁發(fā)生動、靜部件摩擦，在止推環(huán)內(nèi)壁與閥軸摩擦的同時(shí)止推環(huán)外壁與端蓋摩擦，總的摩擦力超過油動機(jī)的彈簧關(guān)閉力導(dǎo)致機(jī)械卡澀。

止推環(huán)安裝在閥門端蓋側(cè)（非驅(qū)動端），作用是防止閥軸軸向竄動。正常操作時(shí)，止推環(huán)內(nèi)環(huán)面與閥軸外環(huán)面未接觸，但由于兩環(huán)面之間的配合間隙過小，容易導(dǎo)致閥軸過高的摩擦力，使得閥門快關(guān)阻力變大，從而進(jìn)一步導(dǎo)致閥門快關(guān)時(shí)間過長。

2.4 開啟和關(guān)閉力矩的安全系數(shù)不足

同時(shí)，與廠家技術(shù)人員進(jìn)一步排查分析，再熱閥油動機(jī)采用單側(cè)進(jìn)油控制，即抗燃油液壓力驅(qū)動油動機(jī)的開啟，油動機(jī)彈簧力驅(qū)使閥門及油動機(jī)向關(guān)閉位置移動。由于閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)為油壓開啟、彈簧關(guān)閉型。在關(guān)閉情況下，油壓已泄為0 MPa（油壓對關(guān)閉不形成阻力），此時(shí)閥門關(guān)閉完全靠彈簧力關(guān)閉。也就是說，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧力需大于其他方面的阻力，閥門才能順利關(guān)閉。

重新計(jì)算了最大設(shè)計(jì)工況條件下執(zhí)行機(jī)構(gòu)的計(jì)算力矩值（表1）。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧力5225 kg，油缸直徑150 mm，油缸容積9.9 L。如果閥門關(guān)閉力矩為負(fù)值，則說明不需要外部關(guān)閉力矩閥門就可以自動關(guān)閉。

表1 最大設(shè)計(jì)工況條件下力矩

通過該次計(jì)算發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)開啟和關(guān)閉力矩的安全系數(shù)不足[4]，特別是DN1200 mm的NSK再熱調(diào)節(jié)蝶閥。根據(jù)重新計(jì)算的結(jié)果，增加開啟和關(guān)閉力矩的安全系數(shù)對于設(shè)備的安全運(yùn)行十分必要。

3 對策實(shí)施

通過以上分析，再熱閥組的油動機(jī)、比例閥、控制線路以及油路的故障可能性已被排除，可以得出止推環(huán)內(nèi)徑公差過小、油動機(jī)開啟和關(guān)閉力矩的安全系數(shù)不足等為導(dǎo)致再熱閥組卡澀的原因，所以需要從閥門的阻力和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動力2個(gè)方面著手解決此問題。

3.1 止推環(huán)優(yōu)化改造

原有止推環(huán)為2個(gè)半圓，由1個(gè)完整圓環(huán)切割而成，安裝在閥軸上的卡槽里，被端蓋壓緊，作用是防止閥軸軸向竄動。為了解決止推環(huán)的非正常磨損情況，提出了3種優(yōu)化改造方案。

3.1.1 改變止推環(huán)的尺寸

為了增大止推環(huán)內(nèi)徑公差減小摩擦的目的，更換新的止推環(huán)。更換后對閥門進(jìn)行快關(guān)試驗(yàn)，快關(guān)時(shí)間多次為1 s左右，超過了要求的0.5 s。所以，單純靠增大止推環(huán)內(nèi)徑間隙、打薄止推環(huán)厚度，無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4 止推環(huán)結(jié)構(gòu)

3.1.2 改變止推環(huán)的材料

按照標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 1982，現(xiàn)場選擇了銅材料進(jìn)行新止推環(huán)的試驗(yàn)。銅是一種抗磨損的柔性材料，用于軸螺母、螺旋式齒輪和軸承。ADAMS廠家在工作條件下對此種止推環(huán)進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)次數(shù)大概為400次的快關(guān)。新止推環(huán)內(nèi)外表面都沒有明顯的磨損痕跡。從試驗(yàn)結(jié)果來看，銅材料止推環(huán)能夠滿足該工況條件下的運(yùn)行。但是因?yàn)殂~材質(zhì)禁止應(yīng)用于核電蒸汽系統(tǒng)上[5]，最后放棄了該方案。

3.1.3 改變止推環(huán)的材料和結(jié)構(gòu)

這種改進(jìn)基于對止推環(huán)和端蓋的更改和替換，新設(shè)計(jì)的壓盤和止推環(huán)替代了原有的止推環(huán)（圖5）:壓盤通過1個(gè)螺栓和2只鍵固定在閥軸上；止推環(huán)和壓盤的接觸面均進(jìn)行了鍍硬處理，這種鍍硬處理同樣在閥軸上和軸承上應(yīng)用；在壓盤和端蓋之間增加了CFC（Carbon Reinforced Carbon，石墨增強(qiáng)）耐磨抗壓的墊片，以防止閥軸向端蓋側(cè)竄動。

基于這種設(shè)計(jì)，壓盤和新止推環(huán)受力面積比之前設(shè)計(jì)的止推環(huán)面積更大。同時(shí)，這種使用的材料也應(yīng)用于閥軸和軸承的設(shè)計(jì)。按照此方案改造后，對閥門進(jìn)行多次開關(guān)，可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 增大油動機(jī)彈簧力矩的安全系數(shù)

廠家通過重新計(jì)算了動態(tài)力矩，按照實(shí)際運(yùn)行工況條件計(jì)算出改進(jìn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部件所需參數(shù)（表2）。通過增加彈簧K值和活塞缸尺寸來達(dá)到增大彈簧力矩的安全系數(shù)，使其達(dá)到計(jì)算要求。為了滿足新的力矩系數(shù)要求，需要對油動機(jī)進(jìn)行改造，改造主要從2個(gè)方面進(jìn)行:①通過增加活塞缸的直徑，來獲得閥門開啟時(shí)更大的開啟力矩；②通過增加彈簧的K值，以獲得閥門關(guān)閉時(shí)更大的關(guān)閉力矩。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)計(jì)算方法如下[6]:

圖5 止推環(huán)優(yōu)化結(jié)構(gòu)三維圖

表2 最大設(shè)計(jì)工況條件下的力矩

對于靜態(tài)計(jì)算，以閥瓣開度45°時(shí)為參考點(diǎn)，閥瓣為任意一個(gè)角α的參考點(diǎn)改變其位置±45°，F(xiàn)的分量如下:F1=F/cosα，F(xiàn)2=F1sinα，轉(zhuǎn)矩 M=F1×b1=F/cosα×b/cosα=F×b/cos2α。在最大角度行程（即 α=45°）時(shí)，轉(zhuǎn)矩的最大值為 M=Fb/cos245°=2×Fb。因此，在整個(gè)沖程的恒力F作用下，角沖程結(jié)束時(shí)，理論轉(zhuǎn)矩值是停止沖轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)矩值的2倍。

其中，α為閥門開啟角度，°；M為閥門開啟力矩，N·m；F為閥門實(shí)際開啟力，即F=F2-F1，N；F1為油動機(jī)彈簧給閥門的關(guān)閉力，N；F2為油動機(jī)活塞給閥門的液壓力，N；b為閥門關(guān)閉時(shí)閥瓣重心到轉(zhuǎn)軸的力臂，m；b1為閥門開啟時(shí)閥瓣重心到轉(zhuǎn)軸的有效力臂，m；η為安全系數(shù)。

如上所述，在完全沒有摩擦的情況下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在0～90°時(shí)產(chǎn)生的扭矩2×Fb。為了得到真實(shí)的扭矩值，必須考慮由圓柱體中摩擦力決定的影響因素，如油缸的摩擦、彈簧座的摩擦力、閥桿襯套之間的摩擦。所以，實(shí)際扭矩值M=F×b×η。福清油動機(jī)的b為0.27 m，閥門關(guān)閉時(shí)彈簧推力為19 200 N，采用η為1.72，因此彈簧在等位處的扭矩為M=19.200×0.27×1.72=8916 N·m。

油動機(jī)活塞直徑為150 mm，工作壓力為12 MPa，油動機(jī)活塞產(chǎn)生的力為208 000 N。同樣，12 MPa時(shí)，閥門從關(guān)閉至打開的扭矩 M=（F2-F1）×b×η=87 310 N·m。其中，F(xiàn)1=19 200 N，F(xiàn)2=208 000 N，b=0.27，η=1.27。

增加彈簧K值和活塞缸尺寸來達(dá)到增大彈簧力矩的安全系數(shù)之后，重新計(jì)算執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的力矩系數(shù)（表3、圖6）。其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧力6248 kg，油缸直徑170 mm，油缸容積12.7 L。

按照改變止推環(huán)的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)、增大油動機(jī)彈簧力矩的安全系數(shù)2種改造技術(shù)方案，對福清核電現(xiàn)場的NSK型汽輪機(jī)再熱閥統(tǒng)一完成了技術(shù)改造。改造后對所有再熱閥門進(jìn)行打閘全關(guān)和快關(guān)時(shí)間試驗(yàn)，均小于0.5 s，符合設(shè)計(jì)要求（表4）。

表3 重新計(jì)算后執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需力矩系數(shù)

圖6 改造前后開啟和關(guān)閉力矩對比

表4 改造后再熱調(diào)節(jié)閥快關(guān)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

通過對再熱閥卡澀的現(xiàn)象調(diào)查分析，得出了非驅(qū)動端止推環(huán)裝配間隙設(shè)計(jì)偏小和油動機(jī)開啟和關(guān)閉力矩的安全系數(shù)不足的原因。通過對該核電廠汽輪機(jī)再熱閥門止推環(huán)及油動機(jī)的改造，消除了設(shè)備共性問題重發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，為該機(jī)組后續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。上面的NSK型核電汽輪機(jī)再熱調(diào)節(jié)閥門卡澀故障檢查和處理方法，對于已選用該型號閥門核電廠的調(diào)試和預(yù)防性檢修工作有借鑒價(jià)值。