氣動調節閥失效分析及處理

郭鈞霆 張瀟宇 羅楊

福建福清核電有限公司 福建福清 350318

1 氣動調節閥簡介

氣動調節閥是以壓縮空氣作為動力源，以氣缸為執行器，4-20mA的電信號作為驅動信號，并借助于閥門定位器、轉換器、電磁閥、保位閥等附件去驅動閥門，使閥門呈快開、線性或等百分流量等特性做調節動作。氣動調節閥可以連續且精確地調節流量，因而常被用來控制調節介質的流量、壓力和溫度等，是核電廠保障機組穩定經濟運行的重要的組成部分。

氣動調節閥基本工作原理（如下圖1）：氣源經一個三通的接口分成三路，一路經減壓過濾器減壓后作為電氣轉換裝置的供氣氣源；一路經減壓過濾器減壓后作為定位器的供氣氣源；一路經減壓閥減壓后作為放大器的供氣氣源。4-20mA的電信號經電氣轉換裝置轉化為氣信號，再由定位器對閥門行程進行反饋調節輸出一定的氣壓，最后通過放大器實現對執行機構的供氣，從而達到控制閥門開度實現系統調節的作用[1]。

圖1 工作原理

2 氣動調節閥的失效分析及維修方法

生產現場中氣動調節閥常見的主要失效形式分為：閥門拒動、閥門震蕩、閥門泄露及設計選型偏差等。

2.1 閥門拒動的失效分析及維修方法

氣動調節閥控制信號給出后閥門動作遲緩或閥門未動作即為閥門拒動，氣動調節閥由壓縮氣體作為動力源，驅動閥桿閥芯動作最終確定閥門的狀態，因此閥門未動作的根本原因分析時中最重要的一環就是檢查是否有符合標準的氣源進入執行機構內。

（2）無氣源或者氣源壓力不足

無氣源或者氣源壓力不足：閥門動力不足則會造成閥門無法動作或動作遲緩，原因判斷及排查處理步驟如下：

①控制信號未傳至電氣轉換器：檢查控制信號接線是否松動，如松動則重新連接。

②儀控附件堵塞、損壞：將進氣減壓閥壓力調低，依次拆卸減壓閥、電氣轉換器、定位器、放大器下游接口并接入壓力表，檢查氣體壓力是否合格，逐步定位堵塞、損壞部件[2]。

（2）氣源合格。有符合標準氣源：執行機構若有合格氣源進入而閥門拒動，則需要考慮氣體泄漏或執行機構、閥體傳動部分阻力較大的影響，原因判斷及排查處理步驟如下：

①檢查執行機構是否有氣體泄漏，使用檢漏液檢查執行機構上下腔連接部位是否有泄漏，如有則按照標準力矩進行緊固，無效則解體更換膜片；檢查排氣口在閥門未動作時是否有氣體，如有則解體檢查更換膜片或O型圈；計算泄壓時間，如泄壓閥故障或堵塞會造成執行機構排氣不及時從而使閥門動作遲緩。

②閥門全關后脫開聯軸器，動作閥門觀察執行機構推桿動作情況，若正常則為閥體故障，若不正常則為執行機構故障或BENCHSET設置不合理。

③氣動執行機構阻力較大，在檢修中常見的阻力主要發生在推桿與執行機構底部間隙處，推桿變形或毛刺均會造成推桿與執行機構直接接觸產生較大的摩擦阻力使閥門拒動，推桿變形使用V形鐵進行推桿矯保證彎曲度達標，毛刺則需要進行機加工修復或打磨處理，氣缸式執行機構則需要考慮氣缸裝配歪斜及O型圈變形脫出的原因，需要階梯進行O型圈跟換并重新裝配氣缸。

④閥體阻力較大，氣動調節閥閥體阻力集中體現在填料處，在檢修經常出現的閥桿變形及填料力矩過大均會導致填料摩擦力較大影響閥門正常動作，需要檢查閥桿并跟換填料按照標準力矩進行緊固。

⑤BENCHSET較大或較小，會造成閥門開啟或關閉時間較長或者行程達不到要求，需要脫開聯軸器施加彈簧力上限稍大（正作用）/下限稍小（反作用）的氣壓，減小/增大至上限/下限觀察閥門開始移動的氣壓，如偏大或偏下均需調整彈簧力調整螺母使氣壓達到上限/下限時閥門開始移動。

2.2 閥門震蕩的失效分析及維修方法

閥門震蕩是指閥門收到一定開度的控制信號但閥門實際卻無法達到并穩定在理想開度，會造成系統參數無法保持穩定從而影響機組正常安全穩定運行。

造成閥門震蕩的原因主要有以下幾點：

（1）氣源壓力波動較大，如氣源壓力的波動范圍已經無法達到的供氣壓力要求則會造成閥門執行機構氣壓無法調節至需要的壓力，使閥門無法達到穩定的要求開度，此時需要調整氣源管網壓力保證氣源壓力在氣動調節閥需要的范圍內。

（2）定位器故障是最主要最常見的閥門震蕩原因，而檢修中發生最多的定位器參數不合適造成，對于控制區常用的機械式定位器需要對零點和線性進行調整，對于常規島常用的智能定位器需要使用專用的通訊器進行定位器校驗；除此之外，機械式定位器常見的故障還有反饋軸、凸輪、轉軸臂松動脫落均造成反饋的氣壓無法正確穩定，從而造成定位器輸出氣壓錯誤，影響閥門達到正確穩定的開度[3]。

（3）閥門阻力較大也會造成閥門震蕩使閥門調節性能變差，具體參見（2）節。

2.3 閥門泄露的失效分析及維修方法

（1）閥門外漏。氣動調節閥外漏主要發生在填料處，會造成帶有放射性系統介質直接流出，增加環境劑量，填料密封失效造成外漏的主要原因有：

①填料使用未按設備生產設計維護要求進行定期更換，處于使用壽期末期或超過壽期造成填料密封失效，此時需要對填料進行更換處理，對于特殊的角行程氣動調節閥可以將閥桿置于到密封狀態臨時進行降低泄漏處理。

②填料安裝方式不當，力矩不足造成泄漏，對于福清核電常用的氣動調節閥大多為帶引漏環及底環上下雙層填料設計，在安裝時注意安裝引漏環下部的填料后需要進行預壓緊你，使壓縮載荷為最終載荷的30%，然后再安裝上層填料進行力矩緊固。其中填料壓蓋螺栓參考力矩可進行如下計算：

式中：D1-墊片起密封作用的內徑，mm；D2-墊片起密封作用的外徑，mm；M-填料密封比壓，MPa；P-設計壓力，MPa；d-螺栓名義直徑，mm；K-螺母系數，對于潤滑狀況一般的螺栓，取K=0.2；n-螺栓數量。安全系數1.2-1.5，螺栓力矩為：1.2T-1.5T，單位N·M。

2017年1月9日福清1號機組發生的1號穩壓器噴淋閥填料泄漏事件，造成一回路泄漏率大于200L/h，嚴重影響機組安全運行，后確定為填料長期未更換超過使用壽期造成；2016年福清3號機組發生穩壓器噴淋閥填料泄漏，根據計算發現標準力矩為75-90N·M，經校核實際力矩不足，最后經熱態緊固力矩最終消除泄漏缺陷。

（2）閥門內漏。氣動調節閥內漏往往造成系統介質非預期的流向下游，造成下游或者上游系統調節參數（如壓力、溫度、流量等）改變，嚴重影響核電廠安全運行。造成閥門內漏的主要原因有兩點：

閥門未關閉，處于微啟狀態；閥門未關閉的檢查首先要從供氣開始，判斷供氣壓力是否達到標準，檢查行程是否足夠，如果行程不足可能的原因是由于BENCHSET設置過大或過小，需要重新調整BENCHST至標準值，推桿與閥桿間隙過小使閥門未達到全行程，需要增大聯軸器間隙使閥門達到全行程。

密封面缺陷造成內漏；在運行階段如果氣動調節閥長期在小開度下運行，會造成密封面吹損、氣蝕形成貫穿性缺陷造成介質泄露，密封面夾雜固體雜質也會使閥門無法關嚴甚至會造成密封面損傷，這些密封面損傷需要對密封面進行機加研磨修復。

判斷閥門內漏原因是未關閉還是密封面損壞需要通過計算氣動調節閥此時的Cv值得出閥門開度來判斷，如計算得出的閥門開度極小則很大可能是密封面損壞或BENCHSET設置不合理造成，如開度較大則原因較大可能為行程不足造成閥門未全關。

在福清核電發生過不同機組的同一型號的閥門顯示全關狀態下不同原因的內漏情況，102大修后1RCV259VP閥門內漏引起1RPE001BA液位非預期上漲，引起軸封水流量變化，經過計算液位上漲速率得出閥門泄露量為600L/h，得出閥門Kv值及Cv值，根據圖紙Cv值與開度對照曲線發現閥門實際開度約為2%，判斷為閥門行程不足造成泄露，處理時根據閥門實際動作情況發現聯軸器處推桿與閥桿間隙過小，通過檢查行程調整間隙后閥門泄露情況消失；3RCV259VP閥門內漏引起一回路泄露增大了6L/h，經過計算閥門開度極小判斷為密封面缺陷造成內漏。閥門泄漏量與閥門開度公式如下：

Cv=1.167Kv，單位gal/min；

式中：流量系數Kv指在5-40℃的水在100KPa下每小時流過閥門的立方米數，單位m3/h；流量系數Cv指40-60℉的水在1PSI（磅/平方英寸）的壓降下，每分鐘流過閥門的（美）加侖數，單位gal/min。

根據閥門Cv—TRAVE對照曲線可得出閥門理論開度。

2.4 設計選型偏差造成的失效

由于設計院給的設計參數（閥體的材質、填料的形式、調節閥的流開與流閉、流量特性的選擇及使用時的開度等）與現場實際需求不符而出現故障。

若閥們經常在開度相對較低的情況下運行，可采用改變調節閥流量特性的方法增大閥門Cv值。如把快開特性改成直線特性、直線特性改成等百分比特性、等百分比特性改成雙曲線特性，可以在調節閥流量不變的情況下增大閥門的開度，從而可以避免調節閥在小開度下工作，有效地防止調節閥振動。

調節閥流通能力Cv值選得過大，使得閥門經常在小開度下工作，介質對閥芯閥座的沖刷及流量特性均受很大影響，使調節閥振蕩甚至引起密封面吹損。

在福清GCT125/127VL減溫水旁路調節閥，設計未考慮閥后壓腔無法快速建立的情況有調機風險的情況，造成閥門選型不當Cv值過小，最后通過改變閥籠流量特性增大Cv值解決了此問題。

3 氣動調節閥的日常保養維護

為了降低調節閥出現故障的概率，日常對其進行的維護保養工作也尤為重要，針對以上氣動調節閥易發生失效的原因，羅列出下面幾項措施：

（1）定位器、減壓閥定期排污（油、水），檢查反饋桿是否松動與脫落并定期進行潤滑保養。

（2）檢查附件各壓力表是否損壞，氣源壓力是否符合調節閥銘牌上的額定值。

（3）檢查調節閥膜頭是否漏氣，氣源管是否破裂、漏氣，檢查調節閥上下膜蓋排氣孔是否堵塞。

（4）檢查調節閥的填料、中法蘭是否有泄漏。

（5）檢查進線口是否密封，各螺栓連接件部分是否銹蝕，是否需要防腐。

（6）檢查調節閥的手輪是否處于自動位置，未處于自動位置的是否屬于限位，是否有記錄。

（7）定期對氣動調節閥進行在線診斷，保證其各項性能良好。

（8）定期對氣動調節閥進行解體檢查，對膜片、填料等進行更換。

4 結語

做好調節閥日常巡檢和維護保養工作，可大幅度提高調節閥使用的穩定性，當出現故障時，根據上述總結描述逐步進行原因分析、查找失效原因、制定解決方案等一系列工作，對氣動調節閥維修來說具有重要借鑒意義，更是為核電機組穩定安全運行保駕護航。