关于核级气动调节阀填料密封的讨论

【摘 要】研究了调节阀填料的密封机理，比较了国内外核级气动调节阀的填料密封测试标准，讨论了核级调节阀的填料密封力对填料密封能力、填料使用寿命、调节阀静态和动态调节性能、以及调节阀抗震性能的影响。【关键词】核级 气动调节阀 石墨填料 填料密封测试压力即流体流动阻力不是无穷大，消除（或减轻）其中任一因素均可阻止（或减少）泄漏。2）流体通过填料密封的泄漏有三条途径，即通过填料与填料函静止件界面的泄漏、通过填料本身泄漏以及通过填料与阀杆的泄漏。对于绝大多数流体介质，泄漏主要是通过填料运动界面泄漏（见图1）。3）流体介质通过填料与阀杆界面的泄漏机理有很多形式，常见的有间隙泄漏机理、多孔隙泄漏机理、粘附泄漏机理。软填料密封设计理论认为，对填料密封施加的必须使填料与密封表面之间产生的接触应力能封堵一、前言众所周知，填料密封试验是核级阀门一项重要的试验，其用于验证填料密封能力，以确保它回路中放射性物质不会从填料处外泄。国内外涉及阀门的填料测试标准很多，如ISO 5208、 ASME B.16.34、API—598、MSS SP—61、GB/T 26480、GB/T4213、NB/T20010.9以及NB/T20078等，以上标准中对阀门填料测试压力的要求各不相同，有的要求不小于1.1倍冷态工作压力，有的要求不小于设计压力或1.1倍设计压力，同时试验时间差异性很大。本文的目的是探寻适合核级气动调节的填料测试参数。二、调节阀阀杆填料密封机理分析依据宋鹏云《软填料密封机理分析》和王松竹《软填料密封机理浅析》两篇关于软密封填料论文，总结出阀杆填料密封机理如下：1） 造成填料泄漏的原因：一是密封两侧存在压力差，或沿泄漏方向有相对运动；二是存在着泄漏通道，图1 阀门填料泄漏通道示意50通用机械

www.tyjx2002.com 2019年 第3期电力通用机械GM in Electric Power被密封流体的压力作用，同时软填料因受力变形后能较易填塞密封界面上的微观泄漏通道，能解决（或减小）因间隙泄漏机理和多孔泄漏机理而产生的泄漏；通过降低被密封轴的表面粗糙度，能解决能解决（或减小）因粘附泄漏机理而产生的泄漏。3）禁止使用石棉纤维填料；禁止在填料中添加聚四氟乙烯（PTFE）。2.核级调节阀门涉填料的要求1）调节阀的调节性能要求，参考NB/T 20078—2012《压水堆核电厂安全级气动调节鉴定规程》见下表。阀门调节性能要求项目带定位器阀门不带定位器阀门三、阀门的填料密封标准比较在ISO—5208—2008《Industrial valves-pressure testing of metallic valves》、ASME B16.34—2009《Valves-Flanged, Thread, and Welding End》、API—598—2009《Valve Inspection and Testing》、GB/T 26480—2011 《阀门的检验和试验》以及GB/T 4213—2008《气动调节阀》中均要求填料测试压力不得小于1.1倍的阀门在20～38℃时的允许最大工作压力，试验维持压力时间较短，大都为60s，具体参数详见陆培文编制的《实用阀门设计手册》第3版第十章阀门的检验和试验。而在GB/T 10869—2008《电站调节阀》、NB/T 20010.9—2010《压水堆核电厂阀门 第9部分：产品出厂检查与试验》和 NB/T 20078—2012《压水堆核电厂安全级气动调节鉴定规程》则要求填料测试压力不得小于设计压力/1.25倍的工作压力/技术规格书要求，试验维持压力时间较长，要求不少于5min或10min。众所周知，不同的标准有着不同的试验考虑和适用范围，以ISO 5208、ASME B16.34为代表的通用标准，其应用范围很广，所有的阀门都可以参考使用，其仅需考虑到阀门的填料泄漏的风险，而GB/T 10869 和NB/T系列为专用标准，其仅适用调节阀或核电阀门，其不仅考虑到阀门的填料泄漏要求，而且要考虑调节要求，同时需要考虑到核级阀门的一些要求，如核级石墨填料的成分要求和阀门的抗震性要求。四、核级石墨填料的要求及核级调节阀门涉填料的要求1.核级石墨填料的要求1）填料需要使用纯石墨，石墨纯度不得小于97%，另外填料不得含有裸露金属丝。2）与一回路介质接触的填料材料，可析出氟化物和氯化物不得大于50ppm（1ppm=10－4%，下同），可析出硫不得大于150ppm。基本误差试验（%）±2±8回差试验（%）2不要求死区试验（%）0.85始终点偏差试验（%）±2±52）要求执行器的最小驱动力与阀门所需的最大开关力之间的裕量不得小于20%。3）要求阀门及其附件的一阶固有频率不得小于33Hz。如不能达到，需要根据安装现场情况，增加支撑。因如果填料摩擦力增大，为了保证控制阀的调节性能，只能选择更大驱动力的执行器，导致阀组件的一阶固有频率频率会降低到33Hz。五、石墨填料的验证试验以上两类不同标准的差异，在高磅级阀门的测试参数上差异很大。笔者单位正好有一台涉及到此问题的核级气动调节阀，Class 2075磅级，NPS 3的核级气动调节阀，设计压力为3 100 psi（1psi=0.068MPa，下同），38℃时的允许工作压力为4 980 psi。在核电一期的设计规范中，技术规格书要求测试压力为设计压力（3100 psi），持续压力时间不得少于10min，而在二期的设计规范中，设计院依据GB/T 4213—2008 《气动调节阀》的要求，将测试压力提高到1.1倍的38℃时的允许工作压力（5 478 psi），维持压力时间仍为10 min。因填料试验压力参数大幅提升，不确定一期的核级填料是否能够满足新要求，另外设计院推荐可试用国内著名的密封件有限公司提供的核级石墨填料，所以对现有的填料和国内厂家提供的两套填料进行了填料的验证试验。对于验证试验的项目，需要考虑到石墨填料必须在规定的设计事故后保证填料密封泄漏为零，而整个阀组件（阀门、执行器及附件）需要经历热老化、辐照老化、磨损老化、振动老化以及抗震试验，而以上试验项目中，对填料密封性能有影响的包括磨损老化试验、通用机械

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51GM in Electric Power电力通用机械振动老化和抗震试验，但鉴于振动老化和抗震试验成本高、试验准备周期长，故仅考虑磨损老化试验。核级石墨填料的鉴定寿命为12年，而核级气动控制阀要求60年完成30 000次全行程循环。因磨损老化的鉴定次数为6 000次，考虑到10%的设计裕量，为6 600次，其中包括1 500次试验温度不低于320℃的高温磨损老化试验。试验的接受标准包括：填料密封试验、阀门调节性能要求。一期使用的核级石墨填料，由公司核级供应商AP Services LLC提供。在磨损老化之前的填料泄漏基准试验前，当填料测试压力约5 000 psi时，填料与阀杆交界面发生泄漏（见图2）。故试验失败。泄漏处

图2 APServices LLC填料试验泄漏国内厂家提供的填料，在磨损老化试验之前的填料密封试验中，能够在1.1倍的38℃时的允许工作压力（5 478 psi）保持10min零泄漏，调节性能也能够满足带定位器阀门的要求，但在冷态磨损老化试验进行到800次时，阀门动作出现明显的顿挫感，填料处发出很大的噪声，阀杆处有少量碎沫出现，2 000多次后，观察填料与阀杆密封处有明显的填料碎沫出现（见图3），5 100次冷态磨损老化试验后，在填料测试压力升到5 000psi时，填料与阀杆处有水和石墨碎沫冒出（见图4），国内厂家提供的核级石墨填料验证试验失败。图3 国内厂家核级石墨填料2000次磨损老化后52通用机械

www.tyjx2002.com 2019年 第3期（a）填料测试前已清除碎末 （b）测试压力升至5 000psi时

图4 国内厂家核级石墨填料5 100次磨损老化后六、核级调节阀的填料密封的讨论及结论对于核级调节阀的填料密封，不仅需要考虑其填料密封性能，还需要考虑到其使用寿命、阀门调节性能及抗震性能，在选择填料密封试验压力时，不能用对于普通开关阀的考虑，一味地追求其密封性能，而牺牲其他性能。对于核级调节阀需综合考虑，过高的密封要求直接带来填料的使用寿命降低，阀门调节性能不能满足要求，从技术角度上，只能通过选择驱动力更大的执行机构，更大的执行器机构则直接导致阀门的重心上移，阀门抗震性能降低，一阶固有频率降低，其很大程度上会降到客户规定的33Hz以下，依据客户规格书的要求，需要根据阀门应用现场支撑布置来选择合适的阀门支撑，确保其一阶固有频率大于33Hz，但在很多时候，现场根本不具备支撑条件，所以选择更大驱动力的执行器根本无从谈起。基于填料试验及已完成的阀组件（选择填料密封试验压力为3 100 psi）的抗震试验结果，同时考虑到核级调节阀的填料使用寿命、调节性能以及抗震性能。向设计院提交了试验结果证明，阐述了我们对核级调节阀填料试验的观点，最终设计院认为选择核级调节阀填料密封测试压力为设计压力是综合考虑后最佳方案。参考文献[1]宋鹏云．软填料密封机理分析[J]. 润滑与密封， 2000（6）：64-66．[2]王松竹．软填料密封机理浅析[J]. 中国西部科技，2010，3（9）：30-31．[3]陆培文．实用阀门设计手册[M]. 3版．北京：机械工业出版社，2012．[4]全国轱辘压力容器标准化技术委员会．电站调节阀：GB/T 10869—2008[S]. 北京：中国标准出版社，2008． GM in City Construction & Water Industry城建/水工业通用机械液压动力绞车北京北排水务设计研究院有限公司 （100044） 冯雪菲 张 环 陈桃生

【摘 要】北京排水集团使用的污水管道内废物运输的绞车，都是人力绞车。人力绞车改造后增加液压动力驱动绞盘，大大降低了工人的劳动强度，减少了作业人员，提高了劳动效率。【关键词】人力绞车 液压驱动 液压站1）在原有的人力绞车的基础上，经过安装液压马达驱动减速器的结构，将人力绞车改造成液压动力绞车。2）测试液压动力绞车的使用性能：液压马达及减速器选择的合理性、液压动力轿车的效率。3）与原有人力动力绞车进行相关数据比较，总结一、前言绞车是工业生产的一种常见机械。目前北京排水集团污水管道内废物清理运输所使用的绞车是人力绞车。它主要靠工人驱动绞盘工作，劳动强度大，需要作业人员多，劳动效率低。基于人力绞车以上缺点，它已经不适应企业发展的需要。绞车使用最多的行业是矿山采掘和运输场合。液压动力绞车在矿山采掘和运输场合已经成为重要辅助设备得到了广泛的应用。这说明现在工业比较主流的绞车是液压动力绞车。所以研发的液压动力绞车也是借鉴矿山采掘和运输行业所使用的液压动力绞车的设计原理。将人力绞车改造成液压动力绞车后，液压动力绞车的优缺点。（2）技术路线 人力绞车→液压动力绞车→测试液压动力绞车使用性能→计算工作效率。三、研究过程及成果1.计算及设备选择将人力绞车改造成液压动力绞车就是将人力绞车人工驱动绞盘的部分进行改造，其他部分仍然保持使用原有人力绞车的相关组成部件及机械机构。即保留原有的卷筒结构及卷筒上使用的运输钢丝。改造部分需要拆掉原有的人力驱动绞盘机构，换成二、研究内容和技术路线（1）研究的内容液压驱动机构，液压驱动机构包括液压动力马达、减速机、液压换向阀及液压动力站。[5] 核工业标准化研究所. 压水堆核电厂阀门 第9部分：产品出厂检查与试验：NB/T 20010.9—2010[S]. 北京：原子能出版社，2010．[6] 核工业标准化研究所．压水堆核电厂安全级气动调节阀鉴定规程：NB/T 20078—2012[S]. 北京：原子能出版社，2012． （收稿日期：2018/12/20）通用机械

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