核电站用非核级电动截止阀阀杆扭曲分析与改进
介绍了CPR1000核电站小修期间发生的电动截止阀阀杆扭曲过程和现况，分析了电动截止阀阀杆扭曲的原因，并对阀门参数及结构型式进行调整和改进，解决了电动截止阀阀杆扭曲问题。
1、概述
在某CPR1000核电站小修期间发现4 台非核级电动截止阀阀杆扭曲，直接导致阀门无法操作，丧失了在管线中关断及导通介质的功能，从而导致相应系统失去部分功能，对核电站正常运行产生一定影响。为便于阀杆扭曲原因分析和避免造成更大损失，及时对阀门前期运行情况进行了解，并对阀门进行拆解。4台阀门在运行过程中均存在卡塞、填料泄漏的现象，扭曲事件发生后将阀门拆解，发现阀杆光杆部分均出现不同程度的磨损。这4 台电动截止阀的型号分别为J961Y160-32/40P (3 台) 及J961Y150-50/65P(1 台) ，阀门进出口的连接方式均为焊接连接，且电动装置与阀杆均为四方式连接结构。
2、原因分析
电动截止阀的结构一般包括电动执行机构、阀体、阀盖、阀杆、阀瓣和填料等部件。其中电动执行机构通过一定的连接方式与阀杆上端连接，并传递力矩以并带动阀杆做上下运动，由于阀杆下端与阀瓣连接，带动了阀瓣上下运动，从而实现阀门启闭功能。结合电动截止阀结构特点以及4 台阀门拆解后观察到的实际状况，经分析认为导致阀杆扭曲故障的可能原因有几点。
2.1、阀杆材质
阀门的阀杆设计材质均为12Cr13，阀杆的原材料应符合标准要求。经化学成分分析及力学性能试验，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为阀杆化学成分和力学性能均满足标准要求。
表1 化学成分Wt%
表2 力学性能N/mm2
2.2、阀门结构
目前国内成熟电动截止阀的结构设计按电动装置与阀杆连接方式划分，主要有夹板式、销钉式、平键式或四方式。
(1) 由于其位置布置关系，夹板式主要用于口径为DN65 以上的阀门。
(2) 销钉式和平键式一般用于DN50 以下口径阀门，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为销钉式的销轴较小，且其位置在阀门支架上，布置的空间也不大，存在剪切破坏的风险。
(3) 四方式与传统手动截止阀的结构类似，阀杆与阀杆螺母直接配合，电动装置带动阀杆螺母旋转，使阀杆作升降且旋转动作。其优点是结构紧凑，缺点是由于受阀杆与阀盖安装间隙机加工的精度以及同轴度等原因的影响，为保证阀盖密封性能需压紧填料，因此填料会受阀杆升降和旋转的双重作用，导致填料与阀杆摩擦力较大。并且，在阀瓣出现卡阻的情况下，阀杆和阀瓣之间可能存在相对转动，并由此可能造成阀杆、阀瓣T 形槽配合部位出现磨损。四方式结构是广泛应用于电动截止阀的成熟连接结构设计(图1) 。
图1 电动截止阀
2.3、电动装置
电动截止阀均配套国外IQ 系列电动装置。阀门在设计计算后参照力矩值选择合适的电动装置，其额定力矩依次为81N·m(IQ12) 、108N·m(IQ18) 。阀门计算力矩为35N·m，选择额定力矩为81N·m 的电动装置，如果设定过大电动装置输出力矩，则可能会造成阀杆四方根部受力过大，致使阀杆扭曲、甚至断裂。
在阀门制造及使用过程中，电动装置力矩设置过大，可能发生填料压盖紧固力矩过大的情况。
(1) 产品出厂时填料压盖紧固力矩过大。在进行阀体强度试验时，为保证中腔的压力(公称压力的1.5 倍) ，需要用较大的力矩压紧填料压盖。但在阀门上密封试验时，则需把填料压盖紧固螺栓的力矩下调以验证阀门上密封。但往往是阀体强度试验后就直接开始实施上密封试验，而未按工艺要求下调填料力矩，导致阀门最终出厂时填料力矩过大，因此需要调整电动装置输出力矩才能开启。
(2) 阀门外漏后上调填料力矩。运行过程中，旋转升降结构容易导致阀门填料处轻微外漏。出现外漏时，通常采取加大填料压盖活节螺栓力矩的方式保证密封。加大紧固力矩会增加阀杆与填料的摩擦力，由于四方结构阀杆在上下运动时，同时沿轴向旋转，阀杆与填料将反复摩擦，造成阀杆光杆处磨损。阀杆磨损又加剧填料处的泄漏，最终必须不断加大电动装置输出力矩以启闭阀门。
2.4、原因确定
阀门分解后，发现除了阀杆四方根处扭曲外，4台阀门的阀杆光杆部分也存在不同程度磨损，同时阀杆与阀瓣T 形槽配合部位出现轻微磨损(图2) 。初步判断，阀杆四方处扭曲的根本原因为受力过大，其主要原因为阀门结构设计不合理，导致阀杆在做升降运动时同时旋转，增大阀杆与调料摩擦力。另外，产品出厂时填料压盖力矩设置过紧或现场调整力矩不合理，导致电动装置输出力矩增大。
图2 四方式连接结构
3、结果验证
根据分析结果及时制定了纠正措施，并取得相应效果。
3.1、量化力矩值
与供应商澄清电动装置力矩值，并固化指导性文件，现场在运行过程中严格执行。
(1) J961Y160-DN32/40填料紧固力矩允许调整范围为13.3～17.5N·m，电动装置调定力矩允许调整范围为32.4～48.6N·m( 额定力矩81N·m的40% ～60%) 。
(2) J961Y160-DN50/65填料紧固力矩允许调整范围为15.4～20.3N·m，电装调定力矩允许调整范围为70.2～81N·m( 额定力矩108N·m 的65% ～75%) 。
3.2、优化结构
(1) 调整电动装置与阀杆的连接方式，新的结构将采用导向键连接(图4) ，阀杆只升降不旋转。仅需将阀门上部支架、阀杆、阀杆螺母等进行改造或更换，支架上部接盘处增加注润滑油嘴，该改造可以在线实施。
(2) 新结构的阀门送到第3 方泵阀产品质量监督检验中心进行1500次带压寿命试验，结果合格。
(3) 在同型号阀门的运行维护手册、图纸中重新核实并明确填料压盖螺栓拧紧力矩值及范围，并增加对电动装置力矩设置、调整范围的详细描述。
3.3、排查及处理
(1) 对不同核电站项目同类阀门进行全面排查，共排查出14 台问题阀门。型号分别为J961Y150-32/40P、J961Y150-50/65P、J961Y50-40/50P，阀杆与电动装置连接结构均为四方式。
(2) 针对以上类型阀门全部实施优化改进，规范文件，优化阀门结构。
3.4、处理结果
阀杆扭曲事件按上述措施处理后，目前该核电站有多台机组已商运或具备商运条件，改造后的同型号阀门使用效果良好。并且其他型号的阀门出现类似问题时，借鉴同样处理方式进行结构改造后，均使用良好。
图3 导向键式连接结构
4、结语
对于CPR1000核电站电动截止阀，建议电动装置与阀杆连接采用导向键的结构，使阀杆只升降不旋转。该结论为实践中的经验，可参考相应分析方法处理项目上阀门相应问题，设计及制造同类型阀门。
