手动截止阀阀杆驱动铜套断裂问题处理

2017-06-01刘少伟

设备管理与维修 2017年1期

关键词：铜套截止阀阀杆

刘少伟

（中核核电运行管理有限公司，浙江海盐314300）

手动截止阀阀杆驱动铜套断裂问题处理

刘少伟

（中核核电运行管理有限公司，浙江海盐314300）

某核电厂应急堆芯冷却系统（以下简称ECC系统）小口径手动截止阀曾多次发生因阀杆驱动铜套断裂导致运行人员无法操作阀门的故障。为了正确找出故障原因，通过对阀杆驱动铜套建立受力分析和三维模型，结合有限元分析软件进行受力计算，并利用不同材质的铜套进行检测和试验数据，分别得出不同扭矩，最终找出铜套断裂故障失效的根本原因，同时针对故障原因，论文最后从现场操作上提出了相应的优化措施，从设备管理角度上针对该类型阀门的预防性维修内容进行了优化，进而提高阀杆驱动铜套的可靠性。

手动截止阀；驱动铜套；有限元分析；优化措施

0 引言

某核电厂在一回路管系中广泛使用了进口的小口径（2英寸以下）Newman WC6065/15型手动截止阀，自机组2004年商运以来，随着运行堆年的增加，已经多次出现阀杆驱动铜套断裂导致运行人员无法操作的事件。

2007年执行ECC系统气动阀控制逻辑试验时，发现高压水箱疏水阀V22阀杆脱开，导致现场大量漏水。后检查发现系手动阀V22驱动铜套断裂阀门无法操作。2008年执行ECC系统相关试验时发现V124阀门无法操作，检查确认铜套损坏，该项缺陷机组运行期间无法处理,原阀采取临时夹具进行处理，处于关闭状态，阀门短时失去操作功能，临时安装二次隔离阀。阀杆驱动铜套是手动截止阀驱动装置的重要零件之一。工作时,操作人员通过旋转手轮带动阀杆驱动铜套转动，进而将驱动力传递给阀杆，带动阀芯组件上下运动，使阀门实现开启或关闭功能。阀杆驱动铜套主要由螺纹面和光滑面两部分组成。在阀门的开关过程中起传递轴向力和力矩的作用。出现阀杆驱动铜套断裂的截止阀核级手动锻造碳钢对焊截止阀（阀盖密封焊）。按设计要求，阀门在系统设计压力（进口侧）工况下，阀门的关闭力矩均较小，满足人员操作的需求。但在机组实际运行期间，出现了不少阀杆驱动铜套（见该阀门YOKE SLEEVE部件）断裂故障且出现阀杆驱动铜套断裂现象的阀门均为口径＜2英寸的核级小行程截止阀，而阀门所在管道内介质为气体、轻水或气、水混合对碳钢管道容易造成腐蚀产物，一旦出现驱动铜套断裂后，阀杆操作失控进而容易引起阀芯损坏阀门关闭不严而内漏出现（图1）。

1 阀门结构及力学分析

1.1 阀门结构

Newman手动截止阀从结构上讲为阀盖与阀体螺纹连接密封焊结构，该结构便于通过切割密封焊来实现对阀芯检查和维修。启闭件是盘形的阀瓣，密封面呈锥面型，阀芯沿阀座的中心线作直线运动。属于强制密封式阀门，所以在阀门关闭时，必须向阀瓣施加压力，以强制密封面不泄漏。当介质由阀瓣下方进入阀门时，操作力所需克服的阻力是阀杆和填料的摩擦力与由介质的压力所产生的推力关阀门的力比开阀门的力大，所以阀杆的直径要大，否则会发生阀杆顶弯的故障。这类型的阀门调节性能较差不适用于带颗粒、粘度较大、易结焦的介质。阀杆驱动铜套外观呈倒T形（图2），底座上按顺序依次放置止推轴承组件（图3）铜套内部为ASME ACME系列螺纹。整体材质为铝青铜与阀杆区别。其螺纹结构为左旋梯形内螺纹，转动时将手轮的扭力转化为阀杆的轴向力,螺纹部位产生表面挤压应力、根部剪应力和根部弯曲应力。当阀杆绕轴线回转运动时，其梯形螺纹与阀杆接触后传递摩擦力矩和轴向力。根据牛顿第三定律，驱动铜套同时受到相反方向的螺纹摩擦力矩和阀杆轴向力的作用，在阀门操作过程中会因转矩过大使铜套发生轴向滑移从而造成失效。为此，应保证螺纹接触面间过盈配合，在正常传递摩擦力矩和轴向力时，驱动铜套不发生位移或者塑性变形。同时应具有较小的摩擦力矩,能够承受设计规定的操作扭矩,并适应复杂工况下耐磨损、耐腐蚀和耐热等多种性能要求。

图1 根部断裂的驱动铜套

图2 驱动铜套

1.2 驱动铜套力学分析

根据上述阀杆驱动铜套结构形式和力的传递方式，可将驱动铜套与阀杆之间的运动简化为螺纹副之间的力学传动，建立驱动铜套的受力分析图。当驱动铜套与阀杆之间受到轴向力Fa时，转动驱动铜套，螺旋面之间将产生摩擦力。将螺旋副在螺纹中径d2处展开形成一倾角为ψ的直线绕在圆柱体上便形成一条螺旋线，而沿螺旋线做出具有相同剖面的连续凸起和沟槽就是螺纹（图4）。

图3 止推轴承组件

图4 螺纹连接参数

驱动铜套为ASME ACME螺纹，查阅手册可知其螺纹规格为3/8英寸-16ACME-2G-LH，外径3/8英寸（9.53 mm），中径0.3333英寸（8.46 mm），螺距P=0.625英寸（1.587 mm），其受力模型见图5，参数含义见表1。

图5 驱动铜套受力模型

在阀门关闭过程中，因阀杆驱动铜套收到锁紧螺母约束，其在收到手轮驱动力发生转动时，推动阀杆向下运动。分析螺旋副之间的摩擦：驱动螺母顺时针旋转，阀杆收到向下的作用力Fn，同时驱动螺母收到向上的反作用力Fn′，人员操作手轮时相当于施加某一力矩使铜套逆着轴向力Fa相当于滑块上加一水平推力F使滑块沿斜面等速上滑。滑块滑动时摩擦阻力位Ff，此时Ff=fFn方向沿斜面垂直向下，螺纹升角为ψ，摩擦系数为f。此时总的反作用力FR=Fn+Fa，其与Fa之间的夹角为ψ+ρ，且ρ=arctanf。由平衡条件可知F，FR，Fa组成力学封闭三角形（图5），可知，F=Fatan（ψ+ρ）。假设此时对驱动铜套施加外接力矩为M，可推算出水平推力F=M/d2，从2个F计算公式可得出轴向力Fa= M/d2tan（ψ+ρ），其中，对于梯形螺纹查阅实用阀门设计手册，具有良好润滑条件下的螺纹摩擦系数f取值0.15，则摩擦升角ρ为acrtan0.15，假设铜套施加力矩值M为10 N·m和56 N·m进行力学计算可得出轴向力Fa=M1000/8.46tan[（arctan1.587/ π8.46）+（arctan0.15）]，则Fa分别为5555.6 N和31 111 N。对于螺纹连接传动来说，应力不得超过其材料的屈服极限σs的80%。否则将导致螺纹拉伸受力过载，很可能出现脆弱部位的断裂，即本文中出现的驱动铜套断裂现象。

表1 参数含义

2 断裂驱动铜套原因分析

2.1 铜套根部外貌分析

目视观察，4个样品的断口基本一致（图6），断口处并无明显的塑性变形痕迹，脆性断裂特征较明显。该铜套沿圆柱与圆盘之间的外根部断成两截，断口上大部分区域向内有大约10°～30°的向下凹陷，有若干棘轮状的棱，有一个向下较缓或说较平的凸起总体呈起伏状（图7）。其中铜套基座的上表面有一圈放射环状压痕，且深度较为明显，进一步对断口处进行高倍显微镜下微观分析。

图6 断裂的阀门驱动铜套

用扫描电镜观察了失效铜套的断口微观形貌。铜套圆盘部分和圆柱部分包括外圆根部附近断口形貌均为韧窝，即微观断裂方式均为韧性的孔坑聚集型（图8）。从微观图可以看出断裂呈现以沿晶断裂为主要特征的断裂形式，显示典型的冰糖状断口形貌，表现出明显的脆性断裂特征。

2.2 铜套基座及阀芯外貌分析

手动截止阀设计时铜套基座上表面依次安装有平垫片、滚针轴承、平垫片，基座下表面有一平垫片。铜套基座上表面的环状放射条纹系轴承下垫片安装缺失，手动操作阀门时滚针轴承在重载下直接压在铜套圆盘上表面导致的，这会导致铜套转动不灵，承受较大的扭转载荷。同时对碳钢阀体的阀座密封面和阀芯进行检查，阀座接触处出现一圈环形腐蚀的凹凸不平印迹，这应该主要是长期使用过程中介质与阀体产生电偶腐蚀和缝隙腐蚀导致的。而在阀芯接触面处出现明显的向上卷边，系收到过大的阀杆向下作用力与阀座互相挤压导致。该阀座密封面上腐蚀特别是局部的腐蚀坑产生膨胀锈蚀产物，直接导致密封面的不平整，操作人员在正常关闭阀门时阀芯密封副失效，常常处于关不紧状态，势必通过加大力矩方式，使阀芯和密封面进一步挤压，这才出现了硬度较小的阀芯上载密封面处出现卷边，进一步恶化了阀门的状态。同时过量关紧阀门一旦超过铜套的屈服强度就会导致铜套过载而出现断裂。

图7 失效的铜套内剖面宏观照片

图8 断裂铜套微观分析

2.3 化学成分及金相分析

采用电感耦合等离子光谱发生仪对驱动铜套基体化学成分进行分析。驱动铜套合金属于复杂铝青铜，黄铜中添加铝元素，提高铜强度同时使其塑性更好，耐蚀性提高。样本显微组织为在以铜为基的α相基体上分布着κ相，α相为面心立方晶体结构，κ相为体心立方晶体结构的Ni-Fe-Al相。铜套的显微组织细密，晶粒细小，没有观察到明显的夹杂物，二者分布均匀，无有害缺陷（图9），具体数据见表2。从化学成分和铜套选择区域的能谱分析结果可以看出驱动铜套基体化学成分符合ASTM B150成分要求，符合铝青铜合金元素的组成。

2.4 有限元仿真分析

本节中通过对驱动铜套实物尺寸测绘，在Ansys软件中对阀杆驱动铜套创建三维模型，材质填充设定为国产铝青铜QAL9-4（与文中断裂铜套ASTM B150 63200性能近似），划分网格，固定面设为铜套基座面并施加一定载荷寻找铜套中的薄弱环节。对铜套受力形变进行直观数据对比。

通过测绘驱动铜套，发现铜套基座根部位置设置了圆弧倒角，外圆根部圆弧半径0.25 mm。根据元件工作情况简化工况为：在图10中A平面施加固定约束，在元件内壁上沿轴向施加固定力载荷。从有限元分析可以看出材料为QAL9-4铝青铜时，在受到9956 N的力时，最大应力280 MPa达到铝青铜材料的屈服极限275 MPa（图11），此时铜套将开始发生塑性变形直至断裂出现，应力最大值出现在元件根部相应区域。

图9 铜套显微组织分析结果

表2 驱动铜套化学成分（wt%）

图10 驱动铜套模型

图11 材料为QAI9-4铝青铜

为了增加对比效果，将材料分别设置为45#钢和奥氏体不锈钢施加同样的载荷进行有限元分析，得出最大应力分别为298 MPa（图12）和297 MPa（图13），低于上述两材料的屈服极限，材料不会发生塑性变形。

基于上述分析，从三维模型中修改驱动铜套根部倒角尺寸，由原来的R0.25修改为R0.4后，在受力9936 N时，最大应力为263 MPa，低于铝青铜材料的屈服强度（图14）。

从不同材料的阀杆驱动铜套三维仿真软件模拟受力分析可以得出以下结论。

（1）相同材料，在驱动铜套元件根部作倒圆角优化后，应力降低6%，且随着倒角的增加，元件根部应力也会呈逐渐降低趋势。

（2）3种材料中45#钢根部应力最大，但因其屈服强度最高，因此相同工况下显得最为“结实”，不易在外力作用下发生塑性变形。

从铜套的受力分析可以看出，虽然在人员施加扭力时铜套受剪切应力的作用，但是该力对于铜套发生塑性变形断裂的贡献并不大，主要还是源于轴向的拉伸变形。

基于试验数据的分析，可以认为铜套的失效原因是在拉伸应力和扭转应力的综合作用下发生的机械断裂。阀门内较高的、有一定波动的水压导致铜套的圆柱和圆盘间根部的应力集中处承受较高的波动性拉应力；关紧阀门时较大的力，阀门不锈钢堵头的腐蚀漏水可导致操作者施加过大的力，如使用F扳手，更容易在该根部产生较大的拉应力。另一方面，使用F扳手产生的过大载荷会导致铜套圆盘上表面与滚针轴承及其之间的垫片状轴承止推板三者之间压力太大，失去相互滑动的灵活性，导致较大的扭转应力；当出现垫片状轴承止推板缺失时，也会导致铜套不能自由地滑动旋转，承受较大的扭转应力。

3 优化对策

3.1 优化铜套设计

根据阀门结构特性，驱动轴套既要承受阀杆的作用力，又要作为与阀杆啮合传动的关键零件。因此，它既要有足够的强度和韧性，又要有良好的减摩性。该铜套的设计本身是作为阀门有意的一个薄弱点，通过其断裂失效的方式来将过大的轴向力进行释放，避免对于难检修更换部件如阀杆、阀芯、阀座带来难以修复的损伤。

（1）增加铜套基座根部过度角。采取优化设计（加大圆角过渡）理论上可以减小根部应力。但随着倒角的增大，相应的原止推轴承和垫片安装也需要改变，否则因为根部圆弧过渡段的存在导致止推轴承组件无法安装到位于基座上表面完全贴合，该间隙的存在直接影响锁紧螺母的安装和阀门手轮的操作。

（2）更换铜套材料。在不改变原零件的设计尺寸下，可以改变阀杆驱动套的材料，通过选用屈服强度高的材料可以达到提高驱动套抵抗扭断能力，如ASM A320/A320或ASM A193/A194等不锈钢材质，但是作为阀门传动元件的驱动套在选用材料时，还要考虑良好的抗蚀性和减摩性。其与阀杆之间为螺纹传动，要求摩擦系数小，不生锈和避免咬死现象。由于工作条件和结构上的原因，驱动套经常处于半摩擦或干摩擦状态，因此在选用材料时应有良好的自润滑性。普通的钢铁合金在潮湿环境容易锈蚀，即便是喷涂防腐漆料或者采用喷塑处理，作为一种使用频率非常高的零件，在轴向力的作用下，保护层很快就会磨损脱落，所以钢铁材料不符合条件。球墨铸铁不易生锈，有一定的耐腐蚀性，而且球墨铸铁价格相对低一些，不过铸铁材料具有易断裂的通性，同时上述铁基材料的驱动套与阀杆材料接近，很容易产生咬死而损害阀杆螺纹出现试验中阀杆弯曲而驱动套并未断裂的情况，所以并不适合。

当截止阀在操作或密封时，该铜套承受大的变应力，特别是频繁的启闭更是如此，这将使受载时铜套变径处因应力突变，成为断裂的危险截面，发生断裂。该种情况的出现也是处于对阀杆和阀芯组件的保护，在出现过载时驱动轴套首先失去作用，避免连续施加力量至阀杆和阀芯而对这些组件带来损坏。从维修角度来考虑驱动轴套在阀门部件中属于易检查和更换的部件，而阀芯和阀杆的更换需要切割密封焊等离线要求。因此铜以及铜合金是作为阀杆螺母材料的最佳选择。

3.2 优化预防性维修策略

（1）消除或减弱人为因素影响。对于小口径（2英寸以下）手动截止阀，从程序上规定严格禁止人员操作时增加加力杆。由于上述碳钢阀门本身的材质和所在管道内腐蚀产物，容易导致内壁铁渣等异物产生，在阀芯和阀座面上堆积影响密封面的完整性引起阀门在关闭时常常会出现管后滴漏，进而促使操作人员增加阀门关闭的操作力量引起驱动轴套过载断裂。

（2）增加小口径手动截止阀对阀杆驱动轴套的定期检查预防性维修项目内容。由于阀杆驱动轴套属于阀门启闭过程中易损坏的传动部件，其状态的好坏直接影响到阀门的功能性，而对驱动轴套的检查相对于阀门解体来说更容易实现，不涉及到密封焊的打磨切割等动火作业，且定期的检查能够及时记录部件的状态，事前维修的方式能够减少手动阀驱动部件损坏的几率，提高设备的可靠性。

综上所述因此，目前最经济、最有效的手段是在人因和预维策略上进行适当调整，这种方式既能实现对阀门状态的掌控，又能减少上述缺陷的产生。同时避免了对阀门驱动轴套部件不必要的改造和试验，解决问题的同时又节约了成本。