主蒸汽隔离阀无法开启的分析

徐力 陈朝晖 钱青锋

【摘  要】国内CRP1000机组主蒸汽隔离阀在实际使用中，经常遇到阀门无法开启的情况。本文通过理论分析计算，得出阀门开启需要的最大力，得出主蒸汽隔离阀无法开启是阀门的自有特性，是阀门设计的正常运行时的空气压力无法达到开阀时所需的空气压力导致的。通过临时提高空气压力的方式，使得阀门开启。本文的计算分析过程，可为同类型阀门的计算及标准制定提供借鉴。

【关键词】主蒸汽隔离阀;开阀力;油压;空气压力

1.设备基本原理

核电厂的主蒸汽隔离阀位于主蒸汽管道上，用于主蒸汽管线的隔离。国内CPR1000机组的主蒸汽隔离阀由FLOWSERVE公司生产，由阀门本体和驱动器两部分组成。阀门本体采用DN800平行式楔形双闸板阀。两片闸板由一个间隔环分开，连接到阀杆端部。阀杆与阀盖间用盘根密封。驱动器采用A-290型号气/液蓄能式驱动器。驱动器内部腔室被活塞分为上下两部分，上部是一个半球形的高压氮气缸，下部为高压油缸。主蒸汽隔离阀上游空气经过空气调节阀调节后，作为空气油泵动作的动力。空气油泵动作输出的高压油作用在活塞下部，克服作用在活塞上部的氮气作用力、驱动器活塞组件及闸板组件重力、摩擦力的总和，使得阀门开启。电磁阀控制泄油阀动作，将高压油排放到油箱内，阀门在氮气作用力、驱动器活塞组件及闸板组件重力共同作用下，实现阀门的关闭。

实际使用中，经常发生主蒸汽隔离阀无法正常开启的情况，检查各系统及组件均正常，参数设置也均在设计标准范围内。所以，有必要对阀门开阀力进行详细的计算，来找出阀门无法开启的准确原因。

2.理论计算

2.1阀门的计算参数

如表1所示，本文用到的阀门的主要的参数，如表1所示：

注：理想环境温度：0℃～40℃，小于0℃和超过40℃且≤316℃时，驱动器和阀门仍然能够正常运行，但需要考虑缩短阀门维护周期及组件的更换周期。闸板与阀座的滑动摩擦系数μ可能会受阀门运行时间、闸板研磨精度、制造精度等因素的影响，为了计算方便，本文后面计算过程中，假定μ值保持0.3不变。

2.2氮气作用力FNax

高压氮气缸充氮公式，阀门全关状态时如公式1：

如表1所示，阀门在全关状态，在最高环境温度40℃下，高压氮气缸压力P1，那么根据式（1）可得出P1=130.53bar。按照设备设计标准，氮气理论值与实际值差值满足±7bar的要求，所以此时氮气压力最高值为Pmax=137.53bar。

作用面受力公式如下：

参考表1，活塞上部面积为67012.0 mm2，由公式（2）可得出，此时活塞受到的氮气的作用力为：FNmax ≈921.62KN。

2.3闸板摩擦力Fmc

受压面所受静摩擦力公式如下：

根据表1，阀门上游压力取最大值86bar，阀门下游压力按照大气压1 bar计算，得闸板前后压差为85bar;阀座面积198712.6mm2;摩擦系数0.3。由公式（3），可得出，阀门关闭时，闸板受到的静摩擦力约为Fmc=506.72KN。

2.4阀杆与盘根摩擦力Fr

根据厂家给出的经验公式，阀门盘根单位面积摩擦力：

如表1，盘根内部压力取最大值86bar，盘根外部压力按照大气压1 bar计算，盘根内外压差85 bar。由公式（4），可得出阀门盘根单位面积摩擦力fu≈7.71bar。阀杆与盘根摩擦力公式如下：

根据表1，盘根阀杆直径76.2mm，单个盘根高度12.7mm，根据公式（6）得阀杆与单根盘根接触面积约为3038.70mm2。盘根数量8根，得阀杆与盘根接触总面积Sr≈24309.6 mm2。根据公式（5）得出阀杆与盘根摩擦力Fr≈18.74KN。

2.5闸板组件及驱动器活塞组件自重作用力FG

闸板组件及驱动器活塞组件自重约538KG，换算为重力作用力FG≈5.27KN。

2.6阀门内部介质向上的顶升力FT

介质作用在闸板组件上的向上的作用力的面積与阀杆的横截面积基本相同，此处按照阀杆横截面积计算。如表1所示，内部介质最大压力86bar，阀杆横截面积4560.4mm2，根据公式（2），得出FT≈39.22KN。

2.7阀门开启所需最大油压Pmmax

阀门在关闭状态需要开启，在最高环境温度40℃下，油压作用在活塞下部面积上的力（Fmmax）与阀门内部介质向上的顶升力（FT）之和，需要大于氮气作用力（FNmax）、闸板摩擦力（Fmc）、阀杆与盘根摩擦力（Fr）、闸板组件及驱动器活塞组件自重作用力（FG）之和。即：Fmmax+ FT>FNmax+ Fmc+ Fr+ FG。由上文计算结果，Fmmax>1413.11KN。根据表1所示，活塞下部面积为60804.8mm2，根据公式（2）计算得出，Pmmax> 232.40bar。

2.8小结

根据上述计算得出，环境温度在40℃，阀门上游压力86bar情况下，主蒸汽隔离阀需要至少232.40bar的油压才能开启。

高压油通过空气油泵的动作来提供。空气油泵的输入空气与油压输出设计比约为1：60，可以推导出，输入空气的压力约等于3.87bar。输入空气的压力由空气调节阀调节。即，空气调节阀需要将上游空气调整到>3.87bar，主蒸汽隔离阀才能正常开启。空气压力设计标准为3.4bar～4.0bar，所以经常发生主蒸汽隔离阀无法正常开启的情况。

实际工作中，现场环境温度常常出现大于40℃的情况，所以需要更高的开阀油压。空气油泵的输入空气与油压输出比也达不到理想的1：60，故需要更高的空气压力。这时候需要的空气压力往往大于最大空气压力设计值4.0bar。

空气压力是根据阀门保持在开启状态稳定运行的工况设计的，过高的空气压力势必导致油压的升高。过高的油压对设备及系统也会造成更高的风险。所以，并不能根据开阀需要修改空气压力标准。这就需要将空气压力临时调大，等阀门开启后重新调整到标准范围内。

3.结论

根据上述计算及分析，我们得出主蒸汽隔离阀无法正常开启是阀门的自有特性，是阀门设计的正常运行时的空气压力无法达到开阀所需的空气压力导致的。实际工作中，主蒸汽隔离阀开阀时，需要维修人员进行协助，遇到阀门无法开启的情形，临时调高空气压力，等阀门开启后将空气压力重新调整到标准范围内即可。

参考文献

[1]广东核电培训中心.900MW压水堆核电站系统与设备[M] .北京：原子能出版社，2007.

[2]成大先.机械手册[M] .5版.北京：化学工业出版社，2007.