疏水閥填料泄漏分析與改進

秦博杰， 韓光輝， 勵 勇， 顧立強

(1. 上海交通大學 機械動力學院， 上海 200240； 2. 中核核電運行管理有限公司， 浙江海鹽 314300；3. 寧波天生密封件有限公司， 浙江寧波 315302)

疏水閥填料泄漏分析與改進

秦博杰1， 韓光輝2， 勵 勇3， 顧立強1

(1. 上海交通大學 機械動力學院， 上海 200240； 2. 中核核電運行管理有限公司， 浙江海鹽 314300；3. 寧波天生密封件有限公司， 浙江寧波 315302)

某核電站常規島疏水閥動作頻繁，導致填料泄漏。從填料密封原理出發，通過設置模擬閥門動作，得出不同切口、不同密度的石墨密封環在高頻往復試驗下的不同性能，并根據結果研制了新型填料。新型填料經過近一年半的現場實踐驗證，填料泄漏故障次數顯著下降。

疏水閥； 組合填料； V形石墨環； 密度梯度

核電站的常規島系統的熱力循環是蒸汽→凝結水→蒸汽的循環過程。在整個常規島系統中有大量的蒸汽疏水管線，且由于壓水堆蒸汽為飽和蒸汽，因此會產生大量的疏水，其疏水閥不可避免地將產生疏水動作，尤其是高溫、高壓的蒸汽管線。由于閥門管線設計及布置原因，其疏水量很大，大量的疏水產生了很多問題，如汽水兩項流引起的設備腐蝕、閥門閥內件沖刷、閥門填料失效等。筆者就疏水閥頻繁動作產生填料泄漏問題進行分析，并提出改進措施。

1 疏水閥填料泄漏缺陷

1.1 泄漏情況

常規島疏水閥主要涉及低壓給水加熱器系統、給水除氧器系統、高壓給水加熱器系統、汽水分離再熱器系統等，共計閥門95臺。自機組投運以來，這些閥門一直存在填料漏水、漏汽缺陷。筆者將這些閥門根據工況、功能等進行歸類分析后發現：給水除氧器系統、高壓給水加熱器系統、汽水分離再熱器系統中，位于正常疏水及疏水袋疏水出現的故障最多。這兩類閥門的工況比較惡劣：介質溫度高、壓力大，且需不停地調節或者開關，閥桿動作頻繁，漏水、漏汽缺陷頻發。

1.2 填料失效

導致填料失效的原因可以從三個方面考慮：

(1) 設計。軸(桿)支承條件差，桿、填料、填料函尺寸不正確，填料函深度不準確，軸(桿)表面粗糙度過大，軸(桿)與填料函不同心。

(2) 填料安裝。填料安裝過程中發生損壞，切割后的填料裝配時切口不密封，填料環縫位于同一位置形成泄漏通道，填料預緊力不足。

(3) 填料性能。編織填料使用中發生體積損失、發硬變脆，填料耐熱沖擊性能不足，運轉中桿腐蝕或填料磨損，由填料磨損、松弛、體積損失造成壓蓋載荷降低。

設計問題、填料安裝問題可以通過提高機械加工精度、提高出廠技術要求及提升維修人員技能等方法解決。因此，提升填料性能問題是目前解決的方向[1]。

1.3 填料改進

填料密封是依靠密封材料的壓縮性，通過填料壓蓋給填料一定的軸向力，使填料沿徑向壓縮并脹開，密封環的內、外兩個面，分別與軸、填料函表面緊密貼合，產生徑向力，最終達到阻止流體泄漏的目的[2]。

影響填料壓縮性能的因素有材料、密度、截面形狀等。為了考察不同因素對填料壓縮性能的影響，筆者在填料密封、摩擦性能試驗機對不同組合形式的填料進行了試驗[3]。

2 填料密封的試驗

2.1 填料密封試驗

2.1.1 試驗填料

組合填料的組成為2 個因科鎳合金絲增強柔性石墨編織填料和3個柔性石墨環(見圖1)。

1—平口石墨環；2—編織盤根；3—V形石墨環。

組合填料的密封主體有“平口”和 “V形” 2 種石墨環，在試驗中均采用相同工藝、材質的同批次填料，石墨材料選取高標準的核級石墨。

2.1.2 試驗裝置

試驗在閥桿填料密封、摩擦性能試驗裝置上進行，見圖2。主要試驗過程為：填料安裝在填料函內，緊固螺栓壓蓋，驅動裝置牽引閥桿進行往復運動以模擬閥門的動作。氦質譜檢漏儀(型號：SFJ-211，分辨率：1×10-12Pa·m3/s)監控填料的泄漏率。數據采集控制系統監測閥桿往復運動的行程、速度，并根據牽引力及運行速度情況計算摩擦力。

1—氦氣源；2—壓力調節閥；3—放氣接口；4—閥桿；5—填料函；6—壓蓋；7—往復位移傳感器；8—軸向拉壓力傳感器；9—支撐環；10—柔性石墨環；11—編織盤根；12—軸向應力預緊螺栓；13—真空安全系統；14—氦質譜檢漏儀；15—閥桿驅動裝置；16—數據采集控制系統。

2.1.3 試驗方法

試驗時，將試驗裝置設定在一定的往復行程及線速度運行，對填料使用一定的緊固力矩。閥桿清洗并去除表面殘留的石墨等污染物。填料按圖1的組合方式進行安裝，安裝后將螺栓擰緊至設定的扭矩值，開機運行6個往復循環后再擰緊螺栓至扭矩值，重復3 次以確認擰緊力矩準確可靠。相同狀態下每組試驗執行3 次，取均值，可消除試驗偶然性帶來的誤差。

2.2 試驗

2.2.1 平口石墨環和V形石墨環對比

選取平口和 V形的組合填料進行試驗，結果見圖3、圖4。從圖3可以看出：試驗初期，V形石墨環填料的泄漏率高于平口石墨環填料，隨著循環次數的增加， V形石墨環填料的密封性略好于平口石墨環填料，差異不大。從圖4可以看出：2種填料的摩擦力隨循環次數的變化規律基本一致， 平口石墨環填料的摩擦力大于V形石墨環填料。

圖3 V形與平口石墨環組合填料泄漏率與循環次數的關系

圖4 V形與平口石墨環組合填料摩擦力與循環次數的關系

綜上所述，平口石墨環的密封性能和摩擦學性能較V形石墨環要差，這是由于V形石墨環受到軸向力后，V形切口附近沿徑向優先脹開，形成局部高應力環形區域，遠離V形的密封面接觸應力小，建立近似迷宮密封的效應。

2.2.2 不同密度的石墨環對比

分別用不同密度的石墨環進行試驗，結果見圖5、圖6。

圖5 石墨環密度與泄漏率的關系(循環次數)

圖6 石墨環密度與摩擦力的關系(循環次數)

壓縮填料在預緊過程中填料的平均密度逐漸上升，且沿軸向由壓蓋向內逐漸減小。因此，預緊前后的填料密度對軸向摩擦力和密封性能也有重要影響。

從圖5可以看出：相比相同密度的石墨填料，有密度梯度的密封性能好。

從圖6可以看出：具有相同密度的石墨組合填料，其摩擦力在前期(N<500)比密度梯度的填料要大，隨后其摩擦力增加，摩擦力介于密度為1.4～1.5 g/cm3的石墨環組合填料之間的密封性最好。

2.3 試驗結果

通過試驗得出如下兩方面的判斷：

(1) 柔性石墨環的截面形狀對密封性能、填料的摩擦力有顯著影響。相比V形石墨環與平口石墨環，V形填料可以建立 “迷宮密封”，并形成局部高應力環形區域，因此V形石墨環的密封性能和摩擦性能優于平口石墨環。

(2) 柔性石墨的密度也是填料密封性能和摩擦性能重要因素之一。具有密度梯度的填料相比等密度的組合填料，其密封性能和摩擦學性能均要更優秀。

因此對于動作頻繁的疏水閥，采用V形具有密度梯度的填料是最佳選擇。

3 結語

采用V形組合變密度填料(上下編織+V形變密度石墨環)替代原有的填料，選擇在故障率非常高的3臺典型疏水閥上試用，3年使用下來僅出現過兩次泄漏，效果十分顯著。

閥門填料的選擇不能僅憑介質的溫度、壓力就盲目草率決斷，還需要考慮閥門實際運行情況。V形組合填料非常適合用在高溫高壓、閥門動作頻繁的工況，解決了某核電站常規島疏水閥頻繁動作導致的填料泄漏問題。

[1] 宋鵬云. 軟填料密封機理分析[J]. 潤滑與密封,2000(6): 64-66.

[2] 張向釗. 提高密封性能的新型密封填料[J]. 流體機械,1999(7): 30-31,37.

[3] 彭旭東,王玉明,黃興,等. 密封技術的現狀與發展趨勢[J]. 液壓氣動與密封,2009,29(4): 4-11.

Analysis and Treatment on Packing Leakage of a Steam Trap Valve

Qin Bojie1, Han Guanghui2, Li Yong3, Gu Liqiang1

(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China;2 CNNP Nuclear Power Operations Management Co., Ltd., Haiyan 314300, Zhejiang Province, China;3. Ningbo Tiansheng Sealing Packing Co., Ltd., Ningbo 315302, Zhejiang Province, China)

To solve the leakage problems existing in a steam trap valve on conventional island of a certain nuclear power plant due to frequent actions of the valve, high-frequency reciprocating tests were conducted based on the principle of packing sealing, and subsequently different properties of the graphite seal ring with different incisions and densities were obtained by simulating the actions of the valve, after which a new type of packing was developed. The frequency of packing leakage has been significantly decreased after the new packing is applied for one and half years.

steam trap valve; combined packing; V-shaped graphite ring; density gradient

2015-09-29；

2016-05-16

秦博杰(1984—)，男，工程師，主要從事核電廠靜機設備技術管理工作。

E-mail: qinbj@cnnp.com.cn

TK623.7

A

1671-086X(2017)01-0030-03