核電用大口徑閘閥關(guān)閉件發(fā)生熱粘連的可能性分析

　　介紹了核電站用閘閥在高溫條件下防止產(chǎn)生熱粘連的結(jié)構(gòu)要素，及其防止產(chǎn)生熱粘連的理論分析。

1、概述

　　熱粘連是指配合件在溫度升高變化時(shí)，金屬表面膜被破壞，使之與產(chǎn)生新生面直接接觸，金屬處于回火狀態(tài)，降低了表面硬度，同時(shí)材料溫升過(guò)高后，以致該區(qū)域摩擦副對(duì)偶表面產(chǎn)生熔化，促使粘著現(xiàn)象產(chǎn)生或加重，使機(jī)械正常的使用功能受到破壞，造成設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行事故。大口徑閘閥是CAP1400 核電站項(xiàng)目管路系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計(jì)溫度為350℃、設(shè)計(jì)壓力17.2MPa、工作介質(zhì)為蒸汽和含硼水。閥門在系統(tǒng)中主要起著接通和切斷介質(zhì)作用。為保證閥門使用性能安全可靠，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為根據(jù)閥門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)有可能產(chǎn)生熱粘連的部位進(jìn)行必要的可靠性分析。

2、結(jié)構(gòu)分析

　　閥門由閥體、閥蓋、彈性閘板和閥座等零部件組成( 圖1) ，電動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。在閥門的開(kāi)關(guān)過(guò)程中閘板與相應(yīng)的配合件閥座和導(dǎo)向結(jié)構(gòu)發(fā)生相對(duì)的摩擦運(yùn)動(dòng)，所以閘板與其配合件在溫度變化、作用力變化的條件下具有發(fā)生粘連的條件。

　　(1) 閘板與閥座

　　閥門關(guān)閉時(shí)，閘板與閥座保持緊密吻合達(dá)到密封以切斷介質(zhì)。閥門開(kāi)啟時(shí)，閘板在閥桿的作用下，將沿密封面的切線方向緩緩抬起逐步脫離閥座，以實(shí)現(xiàn)介質(zhì)流通。

圖1 閘閥

　　(2) 閘板與閥體

　　為實(shí)現(xiàn)閘板在閥體中垂直方向上下運(yùn)動(dòng)，及減少閘板與閥座運(yùn)動(dòng)副間相互摩擦而提高密封使用壽命，在閥體和閘板上設(shè)計(jì)有一對(duì)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，閘板導(dǎo)向面上堆焊STL 硬質(zhì)合金。閥門的閘板在閥座密封面運(yùn)行一段距離后與閥座密封面脫開(kāi)( 運(yùn)行距離與設(shè)計(jì)確定的配合精度相關(guān)) ，閘板導(dǎo)軌槽與閥體導(dǎo)軌面接觸，閘板沿著閥體導(dǎo)軌滑動(dòng)，閘板在閥體導(dǎo)軌的導(dǎo)引下完成開(kāi)啟關(guān)閉的功能。

　　在閘板與閥座及閘板與閥體導(dǎo)向接觸的運(yùn)動(dòng)中，均發(fā)生了相對(duì)摩擦，如運(yùn)動(dòng)件相應(yīng)的材質(zhì)、作用力變化、高溫狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)速度等因素同時(shí)出現(xiàn)在某一個(gè)對(duì)應(yīng)條件下時(shí)，就有可能出現(xiàn)接觸部位的粘連，從而導(dǎo)致閥門在運(yùn)行中熱粘連現(xiàn)象的發(fā)生。

3、熱粘連分析

　　3.1、基本條件

　　相關(guān)規(guī)范要求，閥門具有彈性結(jié)構(gòu)閘板的配對(duì)件溫差△T≥55.56℃及系統(tǒng)限制溫度T≥93.33℃時(shí)，需考慮熱粘連因素。由于設(shè)計(jì)選用的閥門結(jié)構(gòu)為彈性閘板，系統(tǒng)工況最高使用溫度為177℃、設(shè)計(jì)溫度為350℃，超過(guò)了發(fā)生熱粘連的最高溫度，所以具有發(fā)生熱粘連條件的可能。

　　(1) 彈性結(jié)構(gòu)閘板配對(duì)件的溫度場(chǎng)

　　由于彈性閘板具有可能發(fā)生熱粘連的結(jié)構(gòu)特征，所以需對(duì)閥門在溫度變化時(shí)進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，以確認(rèn)其配對(duì)部件( 即閥體與閘板) 的溫度差△T≤55. 56℃時(shí)，可排除熱粘連的產(chǎn)生。閥門使用系統(tǒng)的溫度范圍為38 ～350℃，采用模擬工況條件下的環(huán)境狀態(tài)，建立標(biāo)準(zhǔn)分析模型。對(duì)工況條件下的兩個(gè)極限溫度38℃和350℃及常溫狀態(tài)下配合部位的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析。閥門在關(guān)閉條件下，一側(cè)穩(wěn)態(tài)溫度設(shè)定為350℃另一側(cè)設(shè)定為38℃。觀察分析，在溫度分界的密封副兩面在溫差范圍內(nèi)沒(méi)有明顯大的差異，最大溫差30℃左右。據(jù)此分析即使在350℃極限溫差的條件下，彈性閘板配對(duì)件具有不產(chǎn)生熱粘連(△T≤55) 的條件。

　　(2) 最高使用溫度的溫度場(chǎng)

　　模擬管路系統(tǒng)溫度穩(wěn)定運(yùn)行在177℃ 的條件下，觀察閥座和閘板運(yùn)動(dòng)副的位移變化。以常溫為位移分析基礎(chǔ)值，中法蘭X、Z 軸兩個(gè)方向?yàn)橹行牡奈灰苹�本呈�?duì)稱分布( 圖2 和圖3) 。經(jīng)分析，在溫度變化最大的情況下，閥門的閘板和閥座是一對(duì)經(jīng)溫度影響位移變化最大的配合件。經(jīng)圖譜分析、在工況溫度為177℃時(shí)溫差產(chǎn)生的位移變化不明顯，所以僅對(duì)350℃極限溫度差條件下進(jìn)行兩對(duì)運(yùn)動(dòng)副的分析( 表1) 。

圖2 X 軸方向位移變化趨勢(shì)

圖3 Z 軸方向位移變化趨勢(shì)

表1 閘板與閥座在高溫狀態(tài)時(shí)的X 向位移

　　在介質(zhì)溫度350℃時(shí)，閘板與閥座位移值基本同步?jīng)]有明顯變化，在閘板下方差異為0.034mm，發(fā)生的細(xì)微變化數(shù)值顯示也基本同步。閘板與閥體導(dǎo)軌的X、Z 軸，當(dāng)溫度升高到350℃時(shí)，在壓力- 溫度作用下，兩個(gè)方向位移幾乎同步( 表2) 。X 軸方向最大位移差值為0.075mm ，Z 軸方向最大位移差值為0.042mm。在該處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，給定配合間隙為2.0mm，實(shí)際的間隙量遠(yuǎn)大于高溫下的最大值。經(jīng)過(guò)分析的兩個(gè)摩擦副部位，即使在最大溫差條件下仍然沒(méi)有因熱膨脹而導(dǎo)致的熱粘連現(xiàn)象。

表2 閘板與閥體導(dǎo)向在高溫狀態(tài)時(shí)X、Z 向位移

　　3.2、相關(guān)條件

　　配合件產(chǎn)生的熱粘連與材料性能、使用溫度、載荷及滑動(dòng)速度和潤(rùn)滑條件等有關(guān)。

　　(1) 材料性能

　　材料性質(zhì)對(duì)粘連的發(fā)生有明顯的影響。金屬材料相近相同的晶格類型及電化學(xué)性能相近的金屬互溶性好，發(fā)生粘連傾向大，容易產(chǎn)生磨損粘連。相同材料相互摩擦產(chǎn)生的磨損粘連較異種材料要大得多，脆性材料的抗粘連能力比塑性材料高。材料的屈服點(diǎn)或硬度越高，其抗粘連及磨損能力也越強(qiáng)。

　　閥門閘板和閥座密封面材料均采用STL 鈷基硬質(zhì)合金。鈷的晶體結(jié)構(gòu)在417℃以下為密排六方晶體結(jié)構(gòu)，密排六方結(jié)構(gòu)比一般的面心立方結(jié)構(gòu)抗粘連性能好，鈷基合金比鈷抗粘連性能更強(qiáng)。鈷基合金有很好的耐高溫( 在650 ～1100℃條件下具有較好的高溫強(qiáng)度) 、耐磨及抗氧化性能，是一般用于高溫、高壓、耐磨、耐腐蝕工況條件下常用的密封材料。閥門所用最高設(shè)計(jì)溫度為≤350℃，是抗磨損粘連特性的安全溫度段，摩擦副經(jīng)過(guò)類似和高于該工況條件下的長(zhǎng)期使用，均沒(méi)有發(fā)生過(guò)粘連現(xiàn)象，所以密封副雖然采用的是同種材料，但是具備優(yōu)異的抗磨損粘連性能。另外，為減少閘板與閥體導(dǎo)軌摩擦副( 本體均為CF8M) 發(fā)生熱粘連傾向，在閘板導(dǎo)軌表面堆焊鈷基硬質(zhì)合金，與閥體CF8M 不銹鋼導(dǎo)軌形成兩種不同材料配對(duì)，由于相應(yīng)的材料屈服點(diǎn)及硬度存在很大的差異( 即，CF8M 的硬度HB≤187 ，STL 的硬度HRC≥ 40) ，材料的互溶性很小，所以形成粘連的條件明顯降低。

　　(2) 使用溫度

　　金屬的硬度一般與溫度相關(guān)，溫度越高硬度越低。由于微凸體間發(fā)生粘連的可能性隨著硬度降低而增加，因此在沒(méi)有其他因素的影響下，磨損粘連的產(chǎn)生隨著溫度提高而增加。為減少和避免這一問(wèn)題，在材料上選擇了高溫耐磨性能好的鈷基合金材料。

　　(3) 載荷及滑動(dòng)速度

　　研究資料介紹，一定速度條件下，當(dāng)表面壓力達(dá)到一定的臨界值時(shí)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)行就會(huì)發(fā)生粘連。一般情況下在密封副表面壓力作用下( 摩擦表面的法向載荷) ，磨損發(fā)生粘連和磨損率隨滑動(dòng)速度的變化而發(fā)生變化，其中低載荷且溫度較低時(shí)磨損較低，相對(duì)發(fā)生熱粘連的可能性就低，因此時(shí)摩擦面的表面膜沒(méi)有達(dá)到被破壞的程度。由于閥門摩擦副載荷較小遠(yuǎn)低于相應(yīng)的臨界值，同時(shí)溫度又較低且在平穩(wěn)的低速下運(yùn)動(dòng)( 大約運(yùn)行速度υ < 0.5m/min) ，所以因?yàn)榛瑒?dòng)速度、表面載荷及相應(yīng)溫度的關(guān)系，使摩擦副發(fā)生磨損粘連的條件不充分。

　　(4) 潤(rùn)滑條件

　　潤(rùn)滑對(duì)于有液態(tài)介質(zhì)的工況條件( 如液體等)比干摩擦運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生粘連的可能性要大大減少。閥門工作系統(tǒng)介質(zhì)為含硼水或蒸汽，所以其工況條件有利于避免摩擦副發(fā)生磨損或粘連。

4、結(jié)語(yǔ)

　　經(jīng)分析，彈性閘板閘閥出現(xiàn)熱粘連的趨向很低。根據(jù)同類閥門的長(zhǎng)期使用情況分析，在相應(yīng)更加嚴(yán)苛的條件下閥門均沒(méi)有發(fā)生過(guò)熱粘連的實(shí)例，據(jù)此可確定，閥門避免產(chǎn)生熱粘連方面的性能可靠。