海水系统PRATT蝶阀内漏原因分析与对策.doc

海水系统PRATT蝶阀内漏原因分析与对策吴奈勋（秦山第三核电有限公司，浙江海盐，314300）摘 要： 本文通过对秦山第三核电厂在调试和运行期间海水系统上PRATT蝶阀出现的内漏原因分析，阐述了该类阀门出现内漏问题的内部和外部因素，并针对性提出当前的预防、维修处理以及技术改进等措施、为提高此类阀门运行的可靠性提供一些建议和思路。关键词：密封面；内漏The Analysis And Resoluiton for Internal Leak of PRATT Butterfly Valves In Sea Water SystemWu Naixun(1Third Qinshan Nuclear Power Company，ZhengJiang province HanYan county,314300)Abstract: In this article,the root reasons which caused the sea water system. PRATT butterfly valves leaked during the commisionning and operation period have been analysised, and the factors which related to the internal leakage of this type valve has been described . In order to enhance the reliability for the sea water system. valves, the preventive maintenance jobs have been given by the author. Key words：seal surface；internal leak；1. 概述秦山第三核电厂海水系统主要包括71100（泵房公用系统）、71210（凝汽器循环水CCW系统）、71310（原水服务RSW系统），系统介质腐蚀性大（7250ppm/CL），泥沙含量大（泥沙含量13900ppm）、冲刷性强。海水系统上主要使用的阀门为蝶阀，操作方式分为电动、气动、手动三种，其中主要为HENRY PRATT公司生产的铸铁衬胶蝶阀占主要部分，包括电动蝶阀、手动蝶阀，PRATT蝶阀在两台机组海水系统上共有62台，其系统上使用分布情况见下表1。2. PRATT蝶阀的结构特点分析PRATT阀门为美国HENRY PRATT公司生产的CLASS150B级的非核级橡胶衬里铸铁阀体软密封蝶阀，秦山第三核电厂使用的该蝶阀的规格详见表1。图1是该类阀门的结构示意图。该类阀门结构设计为偏心式、密封形式为橡胶软密封，连接方式为法兰连接。阀体基体材料为铸铁，采用了整体内部橡胶衬里，衬胶层一直延伸到连接法兰端面。在阀杆安装孔和阀座密封圈安装槽等结合处都采取了加强衬胶密封处理。表1 PRATT蝶阀的分布情况Tab1 PRATT Butterfly Valves Distributed In The Sea Water Syestem机组分布系统尺寸规格数量（台）机组分布系统尺寸规格数量（台）171100N/AN/A271100N/AN/A71200108电动171200108电动190电动890电动87131054电动107131054电动1054手动454手动442电动842电动8总计62（台）图1阀门结构图Fig1 PRATT Valve Construction Drawing表2 阀门部件清单：Tab2 PRATT Valve Part List序号部件名称序号部件名称序号部件名称序号部件名称1阀体6填料组件12螺母18底端盖垫片2阀杆衬套7底部端盖13O型圈19O型圈3A阀板8底端盖帽14传动键20填料支撑圈3B阀板密封面9螺钉15推力轴杆21阀座密封圈4上阀杆10销钉16固定圈5下阀杆11锁紧垫片17销子阀板基体材料也为铸铁，其全部表面均设计有防腐衬胶。通径42以上的该类蝶阀阀板周边堆焊有约10mm厚的蒙耐尔合金材料作为阀板密封面，阀板密封面设计为锥面，斜角度数约有10。密封圈图2密封圈Fig2 Seal Ring阀座的橡胶密封圈横截面为空心三角型（见右图2），密封圈外表面为设计有多齿型密封，阀体的密封圈安装槽也设计成空心三角型，配合安装方式见上面的阀门结构图。密封圈安装到阀体安装槽内后，再通过向密封圈的空心腔内注入树脂胶后，将密封圈膨胀充大，待树脂胶固化后，密封圈将得到预计的强度和足够的弹性，以便保证可靠的密封。阀杆和阀板的连接传动销设计形状为锥型，驱动端的传动销有2根，非驱动端为1根。传动销的周向定位由其锥面，轴向定位由销头的螺母紧固。销子安装到位后，在锥销的大端面处的密封采用有O型密封圈，同时也在该阀板平面上设置了密封金属块并卡入密封圈的安装槽口，金属块的外端四周和阀板采用密封焊死，保证了销子入位可靠、不松动。销子的小端处采用了螺母紧固定位，同时也采用橡胶密封垫片和防止紧固螺母松动的止动垫片，确保螺母紧固到位可靠。阀杆上支撑圈填料层下支撑圈图3填料结构图Fig3 Packing Structure上下阀杆与阀体安装孔之间采用了间隙安装配合、滑动摩擦的方式，阀体安装孔内衬TEFLON软性材料，上下阀杆的周向定位是由阀杆安装孔的配合间隙来实现，而轴向定位和调整是由阀体下部的销子（图1中部件17）来完成的。阀杆和阀体安装孔配合区域和系统介质会直接接触，没有设计密封措施。填料结构采用的是可调节V形填料组件（见右边示意图3），中间三层填料层为主要密封层。随着填料压紧力的增加或者阀体内部压力增大，V形填料将得到压缩变形并和填料腔内壁以及阀杆表面更紧密的贴合，从而提高了填料的密封效果。该类填料组件安装到位后将超出填料涵端面约5mm，填料压盖通过金属压板再作用在填料组件上，由于该金属压板外径尺寸大于填料涵的外径，所以，该类填料的最大压缩和调整的余量为5mm。3. PRATT蝶阀内漏缺陷分析两台机组海水系统PRATT蝶阀从投运以来，曾多次发生了内漏的故障，根据多次的检查和处理的结果来看，造成内漏问题的原因主要有：3.1 设备部件受损引起内漏缺陷：3.1.1 阀座密封圈冲蚀、损伤（见图4） 在102和201大修期间，对该类阀门检查时发现该阀座密封圈的密封面上有很多的贯串性沟槽和凹坑。这些缺陷将导致密封圈即使在受压缩的情况下也无法得到有效的补偿，从而形成了内漏。3.1.2 阀板密封面冲蚀（见图5） 从图上可以看出阀板密封面上有严重缺损。阀板外MONEL合金层已有较深破口，阀门在关闭状态下，阀座密封圈无法给以有效填充补偿并形成有效的密封。以上阀板密封面和阀座密封圈的受损，主要原因是阀门关闭不到位（关闭不到位的原因可见后续的分析），造成阀板和阀座之间留有缝隙，同时搀杂泥沙的海水从该该缝隙之间高速通流，不断冲刷、腐蚀阀座密封圈和阀板密封面，并最终形成上述受损缺陷，导致阀门的内漏。3.1.3 阀板防腐层破损失效（见图6） 阀板外层设计涂有防腐涂层，PRATT蝶阀内衬防腐材料为橡胶类（准确材料无法得知），根据目前国内此类防腐涂层使用寿命看来，一般为10年左右。当前，我们只能在每次的检查期间对其进行评估、检查状态，判断是否可以继续使用。防腐层的破损可直接导致海水腐蚀、冲刷阀板基体并造成阀板破损。如2号机组3号RCW交换器RSW出口隔离阀2-7131-MV4121上，与转轴呈90度方面有一个扁平腐蚀孔洞，致使阀门无法隔离。图6所示为阀板防腐层局部破损而修补后的情况，防腐层破损主要是海水中的泥沙冲刷或者其它异物碰撞所致。图6阀板防腐层Fig6 Disc Coating防腐层修补阀板图5阀板Fig5 Disc阀板密封面图4阀座密封圈Fig4 Seat Ring密封圈密封条3.1.4 阀杆孔变形和销钉表面磨损（见图7和图8） 这种销孔变形以及表面磨损（主要原因见下述分析）产生的间隙将导致海水进入销孔加速腐蚀和磨损。销孔变形和销钉表面磨损将会导致他们之间的配合间隙增大，引起阀板在关闭状态下与阀座密封圈之间接触压紧力量不足，从而引起内漏。另外，当阀门处于全开位置时，在海水冲击下该种变形和磨损将导致阀板在运行中大动能的晃动，不断冲击蜗轮齿，导致蜗轮蜗杆齿侧间隙变大，齿侧间隙变大更进一步增大阀板晃动的动能，使销钉与销孔间磨蚀加剧。3.1.5 销钉断裂（见图9） 图示的销钉为102大修期间发现的1-7120-MV4102，该销钉已经断裂为3段，断面可以清楚看出有两个区域：光亮区和粗糙区（见图10）。销子的断裂将直接造成阀板失去控制，阀板可以在阀杆上随意转动，造成阀门开关无法关闭、失去控制。图8销钉Fig8 Taper Pins磨损变形图7阀杆Fig7 Stem阀杆销孔图10销断口面Fig10 Taper Pin Breaked图9销钉Fig9 Taper Pins断口销子表面磨损和断裂的原因分析：该类阀门正常工作期间处于常开的位置，由于该阀门为偏心轴蝶阀，所以阀板在开启的位置时，传动销将承受阀板偏心矩而造成的剪切力。另外，在系统海水的外力作用下，这种剪切力将并随着系统海水压力的波动而不停改变。阀板在也海水交变冲击下产生晃动趋势不但引起销子所受前切力的不断改变同时也使传动销和阀杆以及阀板配合孔面之间的产生相对摩擦，随着时间的延长这种相对摩擦至损并形成了上述缺陷。另外，销钉大端密封圈老化、破损以及紧固螺母的锁紧垫片松动等原因也将会导致销钉松动并造成销钉和配合孔之间加速磨损形成更大的磨损间隙。从图8上可以看出，磨损最严重的区域是阀板锥孔和销子锥面配合面的两端，这也是疲劳源的产生区域。所以，传动销的表面磨损形成了疲劳裂纹，并随着应力的循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，使销子的承受载荷的有效面积不断减小，并最终发生销子的突然断裂，从销子的实际断口情况来看，也符合疲劳断裂截面的特征。3.2 阀门调整不到位造成内漏：根据现场实际情况来看，阀门操作不到位的主要表现是阀位指示已到位，但阀门实际还没有关死。即，从电动头位置指示器上看已经达到了全关的位置，但阀板实际位置还没有达到全关。该种情况的原因主要是：电动头蜗轮连接内花键与阀杆齿套外花键配合不到。即，造成阀杆在没有完全转动到90的行程情况下，而蜗轮已经提前到位和限位螺钉接触顶死，而这种情况的原因主要有：3.2.1 阀门开关位置的调整基准选择有误。该类电动阀行程调整时要求要先将阀板关到位后再调整电动装置。即，以阀板实际位置为基准，使电动装置的位置指示与阀门实际状态一致，这样才能保证表面状态和实际状态相符。3.2.2 对阀板的实际位置判断有误。如果阀板没有完全关闭到位而被判断认为关闭到位了，如以这种情况为基准去调整位置开关，也会造成上述问题。这种判断失误的主要原因是对该类阀门的结构认识不够（正确判断的标准见下述）。4. PRATT蝶阀内漏故障处理对策通过上述分析，PRATT蝶阀内漏缺陷主要有阀门内部因素（内部部件件的破损）以及外部因素（调整不到位）造成的，针对上述的缺陷情况，可从以下几个方面对该类阀门的故障采取预防、维修等措施：4.1 制定检查措施和故障预防： 根据该类阀门的内漏问题情况分析，有必要在允许的时间窗口对该类阀门的各内部组件做详细的、全面检查，以便能得到及时发现问题、及时的处理，避免缺陷进一步扩大，检查内容主要包括：阀板密封面和阀座密封圈的检查，目视检查密封面是否有凹坑、划痕，检查阀杆定位销的紧固螺母是否松动、锁紧垫片是否变形、密封圈是否破损、定位销是否整体松动或者超声波检查是否断裂，目视检查阀板防腐层是否破损以及阀板是否能关闭到位等，特别要检查阀杆和阀板之间是否有相对的空行程（即：阀杆在传动一定角度后，阀板才跟着一起转动），如果有该种情况将说明销钉已经受到磨损了，需要及时更换。在日常的运行期间要制定巡检制度，不定期地观察并记录各个阀门的工作状态，检查阀杆运行时是否晃动的情况，并对这些缺陷及时评估，并根据可能的检修时间窗口做好处理前的缺陷跟踪。 4.2 内漏故障部件缺陷处理措施：注 胶图11密封圈注胶Fig11 Injected Colophony对该类阀门的缺陷维修措施的制定主要是根据缺陷的类型、出现问题的不同部件以及我厂现实情况下维修工艺的可实施性来进行分类处理：4.2.1 板密封面处理：对于阀板密封面的损坏可采取修复的方式，主要方法可通过在密封面上堆焊MONEL合金后再对堆焊层进行磨削处理使之与原密封面高度一致。该方法在OT101期间，对1-7131-MV4120密封面冲蚀缺陷进行了处理，并在OT102期间将该阀门进行了国产化更换，阀门拆下后观察，修理较为有效。4.2.2 阀杆和定位销的处理：该类部件磨损后修复需要重新堆焊、加工以及必要热处理等工艺手段，所以修复的周期长、经济性不高，一般都采取直接更换方式，还可节约现场工作时间，该种措施也是处理一般易损件的一贯原则。工作在OT201大修期间，对阀杆和定位销都实施过直接更换的工作，整个工作中实施比较顺利，既保证了质量又有效地缩短了现场工作时间。4.2.3 阀座密封圈的处理：该类蝶阀的阀座密封圈设计成可更换式的，其更换工作主要步骤和要求是：将旧的密封圈从阀座内拉出来，然后将阀座密封圈的安装槽清理干净，安装新的O型密封圈，然后再往密封圈内注入专用树脂胶（见右图11所示），使树脂胶充满整个密封圈和安装槽的空隙，待树脂胶固化后再将密封圈和安装槽口结合处进行密封处理（刷涂防腐树脂胶）。另外，该类阀门的阀座密封圈的更换由于需要注胶操作，所以无法在线处理，需要将阀门从系统上拆卸下来。对这类大口径的阀门来说，将大大增大了现场工作量。4.3 优化结构设计、国产化根据上述对现场海水系统PRATT蝶阀的使用情况来，在阀板防腐层破损，定位销磨损、断裂，阀杆销孔变形，阀座密封圈的更换等方面都存在这安全隐患，针对这种情况，可以从优化这些部件的结构设计，改造部件安装、连接方式等方法来提高这些部件的使用可靠性，主要包括：4.3.1 阀座O型密封圈的安装：可以将阀座密封圈的安装设计成组装的形式，即，密封圈可采用压板定位无需注胶。这种方式在三期其它系统上的蝶阀也有采用，如：安全壳隔离系统的7314-PV9/10/11/12（加拿大NEWMAN公司生产），在国内软密封圈蝶阀的阀座密封圈也普遍采用这种组装的方式，这种安装方法可在线更换密封圈，比较方便、节时。4.3.2 阀杆和阀板的连接传动方式：PRATT蝶阀阀杆和阀板的连接传动仅采用了销钉定位、传动，根据上述的分析销钉和阀杆销孔很容易磨损变形并导致内漏等缺陷。所以，可对该连接方式进行重新设计，主要思路是采用方榫传动加定位销定位的组合方式来完成由原销钉单独完成的工作，这样可以有效减少销子工作负担。4.3.3 阀门的材料选择：原阀门材料为碳钢加内衬橡胶防腐的方式，但由于我们的海水泥沙冲刷破坏力强，内衬胶层终将面临失效或提前失效的实际情况。为此，对阀门材料的选择上可以选择耐海水腐蚀的、耐冲刷的316不锈钢金属材料，并在阀体内部采取增加锌块和内部涂高分子环氧树脂手段来消除不锈钢材料带来的电位腐蚀问题，在阀门外部采用在连接螺栓上套装聚四氟乙烯绝缘套，从而更有效保护原来的碳钢母管。在102大修期间，该类阀门的结构优化、国产化工作已经初步实施，当时分别更换了1台54的电动隔离阀（1-7131-MV4103）和1台42的电动隔离阀（1-7131-MV4120），其技术改造后的使用效果到目前为止外观看来没有发现问题，要在103大修期间将计划做进一步的检查评估。当前，对于海水系统上这些阀门出现的缺陷，如果定为临时处理的，可以采用上述的维修或者部件更换的方式来完成消缺，满足一定时间内使用，而如果现场时间允许的话，则可优先考虑采用国产优化更换的方针。4.4 阀门调整不到位造成内漏措施：阀门关闭不到位的判断：该类阀门关闭不到位的判断标准主要是看阀门支架上的锁定销是否和阀杆上销孔对齐，即，定位销端头可以对中顶住阀杆上的销孔内。如果定位销和阀杆上的销孔不能对中，则说明阀门没有关闭到位。调整方法：根据蝶阀的传动机构的原理图对阀门进行以下调整：如右图12所示，先将电动头上