穿地阀常见故障原因分析及处理措施

柴志荣，徐咏斌，王志敏

（中核苏阀科技实业股份有限公司，江苏苏州 215129）

0 引言

穿地阀属于核化工设备，分为放化安全级穿地阀（放化1级、放化2 级）和非放化安全级穿地阀。其中，放化1 级穿地阀是包容大量放射性物质且失效会导致事故工况的阀门，是用于防止事故工况或减轻事故工况的阀门；放化2 级穿地阀是包容少量放射性物质且失效会导致事故工况的阀门，是用于防止事故工况或减轻事故工况的阀门；有特殊要求的非安全级阀门是与安全相关的重要阀门，但其失效不会使相关人员所受辐照剂量超过规定限值。

穿地阀安装在由钢筋混泥土辐射屏蔽层有效隔开的上下两个区域之间，阀体位于屏蔽层下面放射性较高区域的设备室里，其两端通道与工艺管道对焊连接，实现放射性流体介质的包容与阻断。驱动装置位于屏蔽层上面放射性较低区域的检修间内，操作人员可进入放射性较低区域进行安全控制和操作。

穿地阀广泛应用于乏燃料后处理工艺系统中，过流介质大多带有放射性和化学性，失效将直接影响工艺系统的运行与安全。由于穿地阀结构复杂，故障因素众多，通过对穿地阀常见故障原因分析，采用合适的处理方法消除故障，确保乏燃料后处理工艺系统安全运行。

1 穿地阀常见故障

1.1 密封失效

穿地阀结构如图1 所示，其密封结构包括：阀体上密封面和阀盖密封面构成的中腔体盖密封结构，阀体下密封面与阀瓣密封面构成的通道密封结构以及阀杆波纹管密封结构。密封失效的表现形式主要有以下两种：

图1 穿地阀结构示意

（1）穿地阀外漏，表现为阀体引流孔/引流管有介质泄漏。中腔体盖密封失效或者阀杆波纹管密封失效，都会导致引流孔/引流管有介质向外泄漏。

（2）穿地阀内漏，表现为穿地阀关闭后，阀门出口端有介质泄漏，通道密封失效会导致内漏发生。

1.2 驱动失效

穿地阀根据驱动方式分为手动穿地阀和气动穿地阀。穿地阀主要由阀体、套管组件、压紧套组件、传动杆组件、压紧盖组件、执行机构（手动/气动）等组成。执行机构通过带动传动杆部件沿阀座轴线上下直行程移动关闭件（波纹管组件中的阀瓣）实现阀门的开启和关闭。在阀门开启和关闭过程中，驱动失效的表现形式主要有以下两种：

（1）通过手动装置操作穿地阀启闭时，手轮操作异常，甚至无法旋转手轮来实现阀门的启闭功能。

（2）通过气动装置操作穿地阀启闭时，气动装置出现不动作、动作过慢或动作颤抖等现象。

2 穿地阀常见故障原因分析

2.1 密封失效原因分析

2.1.1 密封面损伤引起的密封失效

（1）密封面机械损伤。人为操作不当会造成密封面机械损伤。若检修过程中拆装顺序错误，主要表现为拆除传动杆连接件之前已将压紧盖紧定螺钉拆除，或在安装传动杆连接件之前未将双盖紧定螺钉预紧。因此，在紧固传动杆连接件时会导致体盖密封面之间相对旋转，密封面产生划痕导致体盖密封失效。对于通道密封，密封面损坏主要是由于管道或阀腔内有残余铁渣等坚硬异物，当阀门需要关闭时，若这些坚硬异物夹杂在阀瓣密封面与阀座密封面之间，在执行装置驱动力的作用下挤压损伤密封面，从而导致密封失效。

（2）密封面热损伤。热损伤是指密封面因过热而引起热裂或永久变形，由于穿地阀通道密封有软密封结构，若在穿地阀与管道焊接时，未采取控温措施，或在阀门运行过程中，运行温度高于密封件材料的使用温度，都会导致密封面产生热损伤，从而引起密封失效。

2.1.2 密封力不足引起的密封失效

（1）紧定螺钉的顶紧力不够引起的外漏。穿地阀体盖密封的密封力由阀门上端压紧盖的4 个紧定螺钉（图1）的顶紧力提供，导致顶紧力不够有两个原因，一是紧定螺钉松弛引起的，由于穿地阀结构复杂，外形特殊，在运输和安装过程中可能导致紧定螺钉松弛，在试运行之前未进行紧定螺钉预紧力矩的检查，导致密封力不足，最终引起外漏；二是阀门超压运行引起的，根据密封机理可知，体盖密封力与介质静压力相关，体盖所需密封力随介质压力的增大而增大，当工况异常、出现管道系统超压时，会存在超过最大许用密封力的可能性，从而导致介质外漏。

（2）执行机构驱动力不够引起的内漏。穿地阀通道密封的密封力由执行机构提供，对于手动穿地阀来说，施加在手轮上的操作力不够会引起阀门内漏；对于气动穿地阀来说，由于气源压力不足、气缸和气路漏气等导致驱动力不够从而引起阀门内漏。

2.1.3 波纹管损伤引起的内漏

穿地阀波纹管一端焊接在阀杆上，另一端焊接在阀盖上，使阀腔内介质和外界之间形成一个金属波纹管屏障，一旦这道金属屏障破裂，会导致波纹管密封失效从而引起介质外漏。

（1）当阀腔或介质中有坚硬异物时，异物附着于波纹管表面，在穿地阀在开关过程中，波纹管波与波之间的坚硬异物因波纹管伸缩而挤压形成凹坑、穿孔等物理破坏，造成波纹管密封失效。

（2）当工况异常，使波纹管的运行压力超过波纹管设计压力极限值，瞬间的过载导致波纹管外圆弧处产生韧性断裂损坏，造成波纹管密封失效。

2.2 驱动失效原因分析

对于手动穿地阀，通过旋转手动装置手轮启闭阀门时，发现手轮操作异常，甚至无法旋转手轮实现阀门启闭，主要原因是穿地阀启闭传动件出现卡滞现象，由于穿地阀结构复杂，各传动运动件之间的连接分别采用了钢球连接、销连接、法兰连接以及哈夫连接，其中任何一个出现故障都有可能导致阀门启闭时卡阻，从而引起手轮转不动。

对于气动穿地阀，气源以及信号是阀门顺利运行的前提和基础。当气源未开或者无信号时，通过气动装置操作穿地阀启闭时，气动装置会出现不动作；当气源和信号正常，阀门运动件卡阻，气动装置同样会出现不动作，还有可能出现动作过慢或者动作颤抖等爬行现象；当气源压力过低、气缸漏气、进出口气路漏气或堵塞时，气动装置装由于驱动力不足产生不动作或爬行现象。

3 穿地阀常见故障处理措施

3.1 预防性措施

预防性措施是保证穿地阀安全运行的关键，可避免很多常见故障。穿地阀的安装质量直接影响其使用效果，预防性措施需严格按照安装技术要求和运行维修手册进行安装前的检查、安装时的防护，安装后的维护保养。

3.1.1 安装前

安装前对穿地阀进行全面检查，需确认阀门零部件完整，内腔干燥，配套文件齐全，还应检查连接螺栓和压紧盖顶紧螺钉是否松弛。

3.1.2 安装时

安装时必须对穿地阀做好防护，防止在转运和土建浇灌过程中混凝土、沙石、水等污物进入阀门内腔，以保护阀门零部件在施工中损伤，土建浇灌结束后，阀门与管道焊接之前对阀门做单体密封试验和动作性能试验，试验合格后再进行焊接，焊接后要及时清理阀内腔和管道，防止焊渣、杂物堵塞或划伤阀门密封面。

3.1.3 安装后

穿地阀门安装后参与系统吹扫时，吹扫压力不能高于穿地阀的设计压力；在穿地阀使用过程中，阀门的运行压力不能高于阀门的设计压力，并定期检查维护，检查气装易损件磨损情况、气缸和气路是否漏气、密封面磨损情况以及波纹管是否有损坏，出现故障应及时处理。

3.2 故障处理措施

3.2.1 密封失效

当发现阀体引流孔/引流管有介质泄漏，若是由于体盖密封力不足引起的，均匀增加压紧盖紧定螺钉预紧力矩，故障即可消除。如果增加紧定螺钉扭矩后仍不能起到密封作用，需抽芯检查密封面和波纹管情况，若是体盖密封面损伤，视情况清理和修复密封面或更换阀内组件。若是波纹管破裂，通过更换波纹管组件消除故障。

当穿地阀关闭后，阀门出口端有介质泄漏，若是通道密封力不足引起的，可适当加大手轮操作力，故障即可消除。如果加大手轮操作力后通道密封处仍不能实现密封，需抽芯检查阀体和阀瓣的密封面情况，若是阀体或阀瓣密封面损伤，视情况清理和修复密封面或更换阀内组件消除故障。

3.2.2 驱动失效

当用手动装置的手轮操作穿地阀启闭时，发现手轮操作力增大、甚至无法旋转手轮，首先拆除手动装置，检查手动装置驱动杆是否发生变形，如果驱动杆出现弯曲变形，则会导致驱动杆与阀杆螺母不同轴而引起卡死，需修复驱动杆使其与阀杆螺母同轴，即可消除故障。如果手动装置检查情况正常，则需进一步抽取阀内组件，检查传动杆和压紧套等零件是否正常，若出现变形，视情况修复或更换阀内组件。

当通过气动装置操作穿地阀启闭时，发现气动装置不动作、动作过慢或动作颤抖等故障，处理措施见表1。

表1 气动装置常见故障处理措施

3.3 注意事项

（1）穿地阀在拆解抽芯前，必须对阀门驱动装置周边做好清理及防护，避免粉尘异物进入阀腔内。

（2）对于放化安全级穿地阀和有特殊要求的非放化安全级穿地阀，其内部零件更换需借助专用的特殊容器和工具进行更换。

（3）对于不宜采用专用特殊容器进行更换的穿地阀，需要维修更换内部零件时，必须经过相关方批准，并做好辐射防护措施进行人工等方式更换。

4 结束语

穿地阀在核化工乏燃料后处理工艺系统中发挥着关键的作用，在使用过程中，如果出现故障不进行及时处理可能引发严重的安全事故，因此，当穿地阀出现故障后，针对故障进行原因分析，并采用合适的处理方法消除故障，避免发生安全事故。本文分析了穿地阀常见故障的成因，并提出相应的处理措施，以及在处理过程中需注意的事项，供从事核化工领域的运维及工程技术人员参考。