膨胀水箱浮球阀选型和故障分析

吴新华

（中广核核电运营有限公司，广东 深圳518000）

作为一种自动控制阀门，浮球阀的功能是允许适量的水进入水箱，当达到了浮球阀关闭水位时，浮球阀能够正确关闭。浮球阀的规范，有英国标准BS 1212。但在国内，浮球阀却未形成统一的标准，相应的阀门质量也是参差不齐。由于阀门较简单，再加上标准的缺乏，设计人员也普遍对浮球阀不够重视，造成了浮球阀在实际使用中出现故障的情况较多。

1 浮球阀的设计考虑和分类

设计浮球阀时应该考虑以下因素：提供低压头损失下的高流量（低的进口压力下可运行）、设计出可以减小汽蚀和噪声的阀座、减小摩擦阻力和关闭力、保证浮子/杠杆对阀内组件的可靠控制。目前普遍的浮球阀设计成：先导型或标准型；小孔或者大孔型；长杠杆/小浮球或者是短杠杆/大浮球；浮球悬挂或者安装在杠杆上等。从本质上可以将浮球阀分成三种基本类型[1]：

（1）BS1212 1-4 部分（如下图1 所示）

（2）平衡型 （如下图2 所示）

（3）延迟动作型 （如下图3 所示）

图1 BS1212-1 型浮球阀

图2 平衡型浮球阀

图3 延迟动作型浮球阀[2]

在英国，应用于卫生间或者民用建筑水箱上最常见的是BS1212 型，口径为15mm。因不能防止回流，第1 部分型的阀门不能应用于卫生间，除非安装逆止阀。与平衡型相比，BS1212 浮球阀在同样的入口压力下流量更小，并且水头损失也更大。短时间使用是合适的，然而随着入口压力的降低，有稳定水量需求的水箱，更加倾向于选择压头要求更低和流量更大的平衡型阀门。

延迟动作型阀门最主要的特点是10bar 关闭、可调整的浮球阀关闭水位（以下简称TWL）、长寿命阀座、小操作力以及有轻微延迟的正向的快速开关动作。与BS1212 内的阀门相比，Keraflo 延迟动作浮子阀的尺寸和特殊浮子的动作空间更大，也就更加受限于水箱内的就位。它们压头损失更大，流量相对较小。另外，它们的流量随尺寸变化。给定流量要求，选择最适合的阀门尺寸，就必须要精确知道阀门入口的运行压力。最基本的特征是从全开度到达到最高水位时全关非常快，当水位稍低于TWL 时，阀门迅速全开。最大的优点是接收水箱能一直保持或接近全水位的同时，减少了浮球阀的磨损和开关负荷。

2 浮球阀的常见问题和解决办法

2.1 阀门无法关严

这是最常见的问题，引起这种失效的原因包括：

a.阀座上有异物。

b.密封面磨损。

c.浮球/杠杆机构没有足够大的力，能够在系统压力下关闭阀门。

a 和b 的纠正措施比较明显（清理和更换），但对于c，如果选择了级别不够的阀门，则应复核水箱补水管道的最大压力，并根据此选择一个恰当级别的浮球阀。选择加长杆或更换大浮球可能解决这一问题；浮球也有可能损坏，不能提供足够大的向上的关闭力。注意检查当在系统压力下关闭时，浮球不应该浸入超过一半。

2.2 阀门不能在预计的TWL 关闭

这种情况需要调整浮球臂。某些特殊设计的阀门提供了这种功能，但对常规的BS1212 和平衡型阀门而言，调整浮球臂则必须要注意。将杠杆向下弯，则阀门的设计杠杆比例减小，导致了阀门关闭力减小。对大多数情况而言，调整并不复杂，而且关闭力足够。如果观察到浮球向下设定过量，或者说浮球一直受到出水喷溅的影响而导致阀门全开，这样就需要考虑换一个直径更大的浮球。

2.3 阀门反复开关或发出敲击噪声

当浮球/杠杆机构没有绝对有效控制阀门组件时，阀门反复开关出现了，可能是在最终关闭时出现了水力变化导致的。敲击声的频率是5-15 赫兹。当水箱一直有微小的用水时，浮球阀响应这一变化而缝隙打开。如果出现了这种现象不检查，阀门密封面和杠杆会很快变坏，管道接头也很可能被水锤破坏。

解决办法：

a.安装一个压力级别更高的浮球阀。

b.对于BS1212 阀门，可以选择小孔浮球阀。

c.选择一个大浮球或长杠杆的浮球阀，以便增大关闭力。

2.4 补水时噪声大

如果流速过大，浮球阀和管道内会发出高噪声。给水管和浮球阀通常在选型时应该基于流速不大于2m/s。随着流速增大，噪声水平也会增大，设备也会增加磨损和疲劳。浮球阀在流速大于3m/s 的情况下运行，不仅会产生高的烦人噪声水平，更需要频繁的维修。

2.5 共振

这种现象会发生在阀门的固有频率与水箱内的水波频率相同时。这种频率比前面讨论的要低，很可能是1-2 赫兹,但阀门内部组件运动幅度更大。这会导致大且剧烈的管道内流速变化，并且引起严重的压力波动。如果不检查，这会导致管道断裂。每1m/s 的瞬时流速变化会在管道内引起10bar 的压力波动。容器内的水面波动也会产生问题。解决办法是打破阀门和水波之间的共振，需要不断尝试和纠正。

可能的办法有：

a.在出水口和浮球之间引入挡板，减少浮球附近的水面波动

b.在水箱上安装围挡，防止水波的反射影响浮球动作。

3 大亚湾基地内的浮球阀情况

为了能够得到合理的寿命和减小发出的噪声，在选择浮球阀不应该越级。一般来说，基于名义的入口孔径的流速为2-3m/s，额定的关闭压力为6 或10bar。安装了设计限制之外的阀门，会增加出现诸如无法关闭、阀座过早磨损、高噪声、水锤或者阀门反复开关（影响阀门寿命）等故障。在大亚湾核电站的常规岛设计中，有较多使用了浮球阀，而岭澳核电站常规岛时沿用了大亚湾的设计。表1 为岭澳核电站系统设计手册中的水箱数据[2，3，4]：

表1 水箱数据表

表2 Keraflo 公司K 型浮子阀流量数据表[5]

通过对比可以发现，水箱SER001BA 与GST001BA 相比，浮球阀口径相同，入口压力稍低，但补水量却相差较大，不符合相似定律。从水箱的水装量来看，最大的水装量配套了最小的补水浮球阀，这也不合理。大亚湾核电站是在二十多年前设计的，数据已经无法从原设计方处核对，但对照Keraflo 公司K 型浮子阀（见表2）和日本兼工业的浮球阀流量数据表（见图4），仍可以推算出系统运行时所需的流量。

图4 兼工业FW 型浮球阀流量数据表[6]

从表2 和图4 可以看出，Keraflo 公司DN40 的浮球阀，在入口压力为4.5bar 下流量为9.3m3/h，在入口压力为5.5bar 下的流量为10.3m3/h。兼工业的浮球阀流量分别为18m3/h 和20m3/h。DN50 的浮球阀在5.5bar 入口压力下的流量则分别为25m3/h、34m3/h。对比之下可以看出，系统设计手册中的最大补水量数据比所选择浮球阀的流量要小很多。岭澳核电二号机组DN50 的浮球阀，在5.5bar 入口压力下的实测流量为24m3/h，超出了设计手册的60%。这种越级的设计，导致浮球阀SRI003VD 每年都会出现关不严等故障。

4 改进建议

大亚湾基地内的核电厂基本上都是小水箱配大流量的浮球阀，而正确的做法是水箱容积和浮球阀的流量应相匹配。SER001BA 中的浮球阀，受水面波动的影响较大，一旦浮球探测到水位下降，则浮球阀立即开启补水。浮球阀频繁的启动，导致了阀门密封面损坏。阀门不能关严，水箱一直在补水而溢流。SRI001BA 中的浮球阀，由于阀门口径过大，在水位下降时开启，之后几秒钟内水位因补水到达关闭水位，阀门关闭。因此而在SRI 系统管道内产生了水锤，阀门密封件无法承受水锤压力而损坏。进而阀门内漏，水箱溢流。系统中的水装量，会随着温度的变化而膨胀或收缩，需要水箱接收或者补充。一般50mm 以内的水位下降，对水箱的功能来说没有任何影响，但浮球阀会因此而开启。频发的启闭引发了阀门的损坏，非常有必要减少阀门的开关负荷，选用能在微小的水位变化时不会动作的浮球阀。Keraflo 浮子阀可以在阀门关闭之后，几分钟内仍有很小的水量流出。水箱溢流管口比最高关闭水位高约50mm。这样的设计一方面不会溢流，另一方面可以解决因水的不可压缩性而产生的水锤危害。Keraflo 浮子阀用的是旋塞式陶瓷阀芯，在水箱中可使用25 年以上。鉴于延迟动作型浮子阀的优越性，对照Keraflo 浮子阀手册，结合浮子阀的材质要求，选型建议如下：

（1）对于SER001BA，可以选用K 型DN25 的浮子阀，在4.5bar 的入口压力下，流量为6m3/h。

（2）对于GST001BA，可以选用Ks 型DN20 的浮子阀，在5.5bar 的入口压力下，流量为3.4m3/h。

（3）对于SRI001BA，可以选用K 型DN25 的浮子阀，在5.5bar 的入口压力下，流量为6.8m3/h。

阀门口径的改动，可以通过自制管板法兰适配。其中水箱SER001BA 的浮球阀，已在2014 年改造为K 型DN25 的浮子阀。改造之前的浮球阀，大约每隔6 个月就会有故障需更换。改造之后的浮子阀，投运6 年来一直运行良好，至今未出现故障。其他阀门正在改造中。

5 结论

通过对浮球阀的故障原因分类，并比对使用中的阀门故障现象，得出了浮球阀因流量过大、无延迟功能受水位扰动频繁开启而导致故障频发的结论。结合水箱的补水量需求、浮球阀的流量及动作特性，给出了选用合适流量的延迟动作型浮子阀建议。建议已经被部分采纳，且已实施，效果良好。