疏水阀填料泄漏分析与改进

秦博杰， 韩光辉， 励 勇， 顾立强

(1. 上海交通大学 机械动力学院， 上海 200240； 2. 中核核电运行管理有限公司， 浙江海盐 314300；3. 宁波天生密封件有限公司， 浙江宁波 315302)

疏水阀填料泄漏分析与改进

秦博杰1， 韩光辉2， 励 勇3， 顾立强1

(1. 上海交通大学 机械动力学院， 上海 200240； 2. 中核核电运行管理有限公司， 浙江海盐 314300；3. 宁波天生密封件有限公司， 浙江宁波 315302)

某核电站常规岛疏水阀动作频繁，导致填料泄漏。从填料密封原理出发，通过设置模拟阀门动作，得出不同切口、不同密度的石墨密封环在高频往复试验下的不同性能，并根据结果研制了新型填料。新型填料经过近一年半的现场实践验证，填料泄漏故障次数显著下降。

疏水阀； 组合填料； V形石墨环； 密度梯度

核电站的常规岛系统的热力循环是蒸汽→凝结水→蒸汽的循环过程。在整个常规岛系统中有大量的蒸汽疏水管线，且由于压水堆蒸汽为饱和蒸汽，因此会产生大量的疏水，其疏水阀不可避免地将产生疏水动作，尤其是高温、高压的蒸汽管线。由于阀门管线设计及布置原因，其疏水量很大，大量的疏水产生了很多问题，如汽水两项流引起的设备腐蚀、阀门阀内件冲刷、阀门填料失效等。笔者就疏水阀频繁动作产生填料泄漏问题进行分析，并提出改进措施。

1 疏水阀填料泄漏缺陷

1.1 泄漏情况

常规岛疏水阀主要涉及低压给水加热器系统、给水除氧器系统、高压给水加热器系统、汽水分离再热器系统等，共计阀门95台。自机组投运以来，这些阀门一直存在填料漏水、漏汽缺陷。笔者将这些阀门根据工况、功能等进行归类分析后发现：给水除氧器系统、高压给水加热器系统、汽水分离再热器系统中，位于正常疏水及疏水袋疏水出现的故障最多。这两类阀门的工况比较恶劣：介质温度高、压力大，且需不停地调节或者开关，阀杆动作频繁，漏水、漏汽缺陷频发。

1.2 填料失效

导致填料失效的原因可以从三个方面考虑：

(1) 设计。轴(杆)支承条件差，杆、填料、填料函尺寸不正确，填料函深度不准确，轴(杆)表面粗糙度过大，轴(杆)与填料函不同心。

(2) 填料安装。填料安装过程中发生损坏，切割后的填料装配时切口不密封，填料环缝位于同一位置形成泄漏通道，填料预紧力不足。

(3) 填料性能。编织填料使用中发生体积损失、发硬变脆，填料耐热冲击性能不足，运转中杆腐蚀或填料磨损，由填料磨损、松弛、体积损失造成压盖载荷降低。

设计问题、填料安装问题可以通过提高机械加工精度、提高出厂技术要求及提升维修人员技能等方法解决。因此，提升填料性能问题是目前解决的方向[1]。

1.3 填料改进

填料密封是依靠密封材料的压缩性，通过填料压盖给填料一定的轴向力，使填料沿径向压缩并胀开，密封环的内、外两个面，分别与轴、填料函表面紧密贴合，产生径向力，最终达到阻止流体泄漏的目的[2]。

影响填料压缩性能的因素有材料、密度、截面形状等。为了考察不同因素对填料压缩性能的影响，笔者在填料密封、摩擦性能试验机对不同组合形式的填料进行了试验[3]。

2 填料密封的试验

2.1 填料密封试验

2.1.1 试验填料

组合填料的组成为2 个因科镍合金丝增强柔性石墨编织填料和3个柔性石墨环(见图1)。

1—平口石墨环；2—编织盘根；3—V形石墨环。

组合填料的密封主体有“平口”和 “V形” 2 种石墨环，在试验中均采用相同工艺、材质的同批次填料，石墨材料选取高标准的核级石墨。

2.1.2 试验装置

试验在阀杆填料密封、摩擦性能试验装置上进行，见图2。主要试验过程为：填料安装在填料函内，紧固螺栓压盖，驱动装置牵引阀杆进行往复运动以模拟阀门的动作。氦质谱检漏仪(型号：SFJ-211，分辨率：1×10-12Pa·m3/s)监控填料的泄漏率。数据采集控制系统监测阀杆往复运动的行程、速度，并根据牵引力及运行速度情况计算摩擦力。

1—氦气源；2—压力调节阀；3—放气接口；4—阀杆；5—填料函；6—压盖；7—往复位移传感器；8—轴向拉压力传感器；9—支撑环；10—柔性石墨环；11—编织盘根；12—轴向应力预紧螺栓；13—真空安全系统；14—氦质谱检漏仪；15—阀杆驱动装置；16—数据采集控制系统。

2.1.3 试验方法

试验时，将试验装置设定在一定的往复行程及线速度运行，对填料使用一定的紧固力矩。阀杆清洗并去除表面残留的石墨等污染物。填料按图1的组合方式进行安装，安装后将螺栓拧紧至设定的扭矩值，开机运行6个往复循环后再拧紧螺栓至扭矩值，重复3 次以确认拧紧力矩准确可靠。相同状态下每组试验执行3 次，取均值，可消除试验偶然性带来的误差。

2.2 试验

2.2.1 平口石墨环和V形石墨环对比

选取平口和 V形的组合填料进行试验，结果见图3、图4。从图3可以看出：试验初期，V形石墨环填料的泄漏率高于平口石墨环填料，随着循环次数的增加， V形石墨环填料的密封性略好于平口石墨环填料，差异不大。从图4可以看出：2种填料的摩擦力随循环次数的变化规律基本一致， 平口石墨环填料的摩擦力大于V形石墨环填料。

图3 V形与平口石墨环组合填料泄漏率与循环次数的关系

图4 V形与平口石墨环组合填料摩擦力与循环次数的关系

综上所述，平口石墨环的密封性能和摩擦学性能较V形石墨环要差，这是由于V形石墨环受到轴向力后，V形切口附近沿径向优先胀开，形成局部高应力环形区域，远离V形的密封面接触应力小，建立近似迷宫密封的效应。

2.2.2 不同密度的石墨环对比

分别用不同密度的石墨环进行试验，结果见图5、图6。

图5 石墨环密度与泄漏率的关系(循环次数)

图6 石墨环密度与摩擦力的关系(循环次数)

压缩填料在预紧过程中填料的平均密度逐渐上升，且沿轴向由压盖向内逐渐减小。因此，预紧前后的填料密度对轴向摩擦力和密封性能也有重要影响。

从图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。

从图6可以看出：具有相同密度的石墨组合填料，其摩擦力在前期(N<500)比密度梯度的填料要大，随后其摩擦力增加，摩擦力介于密度为1.4～1.5 g/cm3的石墨环组合填料之间的密封性最好。

2.3 试验结果

通过试验得出如下两方面的判断：

(1) 柔性石墨环的截面形状对密封性能、填料的摩擦力有显著影响。相比V形石墨环与平口石墨环，V形填料可以建立 “迷宫密封”，并形成局部高应力环形区域，因此V形石墨环的密封性能和摩擦性能优于平口石墨环。

(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组合填料，其密封性能和摩擦学性能均要更优秀。

因此对于动作频繁的疏水阀，采用V形具有密度梯度的填料是最佳选择。

3 结语

采用V形组合变密度填料(上下编织+V形变密度石墨环)替代原有的填料，选择在故障率非常高的3台典型疏水阀上试用，3年使用下来仅出现过两次泄漏，效果十分显著。

阀门填料的选择不能仅凭介质的温度、压力就盲目草率决断，还需要考虑阀门实际运行情况。V形组合填料非常适合用在高温高压、阀门动作频繁的工况，解决了某核电站常规岛疏水阀频繁动作导致的填料泄漏问题。

[1] 宋鹏云. 软填料密封机理分析[J]. 润滑与密封,2000(6): 64-66.

[2] 张向钊. 提高密封性能的新型密封填料[J]. 流体机械,1999(7): 30-31,37.

[3] 彭旭东,王玉明,黄兴,等. 密封技术的现状与发展趋势[J]. 液压气动与密封,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，工程师，主要从事核电厂静机设备技术管理工作。

E-mail: qinbj@cnnp.com.cn

TK623.7

A

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