一种新型安全阀阀瓣结构的分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中广核工程有限公司 作者:李洪武

  介绍了一种国外新型弹簧式安全阀的使用情况,分析了核电安全阀维护和检修的要求和经验,并给出了安全阀阀瓣维护的改进与建议。

1、概述

  随着核电机组容量的增大,高温高压给水和蒸汽介质对机组的安全运行提出了更高的要求。弹簧式安全阀作为机组安全运行的关键保障设备在国内大型电站机组应用日益广泛,其稳定和可靠的运行性能直接关系到机组运行的安全和效率。

2、工况系统

  目前,CPR1000 核电机组使用的高端弹簧式安全阀大部分需要进口,使用的系统主要有VVP( 主蒸汽系统) 、RCV( 化学和容积控制系统) 、RRI( 设备冷却水系统) 、RIS( 安全注入系统) 和REN( 核取样系统) 等系统。弹簧式安全阀在国内大型电站机组应用日益广泛,在国内电站使用过程中,其稳定、可靠的运行性能得到进一步验证和认可。对弹簧式安全阀的基本要求是应满足一定的介质排放量,在正常工作压力下保持密封性能,在设定的整定压力下正常起跳,满足一定的回座比。

3、阀座结构

  在核电机组使用的弹簧式安全阀阀座结构见图1。阀瓣作为弹簧式安全阀的主要密封零件,其阀瓣设计采用了柔性结构。

阀座结构

图1 阀座结构

  3.1、使用情况

  弹簧式安全阀设定的整定压力一般通过调整弹簧的压缩量进行调节,弹簧压缩量越大则整定压力越高,弹簧压缩量越小则整定压力越低。弹簧压紧力通过阀杆向下直接传递到阀瓣上,使得阀瓣密封面与喷嘴密封面相互平面贴合压紧并形成足够大的密封预紧力。

  对于普通平面结构的阀瓣( 图2) ,在喷嘴密封面平整、光洁条件下,当介质运行压力升高到安全阀设定的整定压力96% 时安全阀会出现预泄现象。弹簧式安全阀的预泄现象在一定程度上有助于阀门起跳。因此,将安全阀设定的整定压力与介质最大运行压力的差值定为5%以上。

普通平面阀瓣 

图2 普通平面阀瓣

  为进一步提高安全阀的密封性能,将普通平面阀瓣结构改进为柔性阀瓣结构( 图3) 。改进的阀瓣在其密封面背侧加工一道环形凹槽,使得阀瓣密封面具有一定的弹性。该结构将介质压力导入阀瓣密封面背侧的环形凹槽内并作用在与阀瓣密封面相对的环形斜面上。由于环形斜面是内侧较薄、外侧较厚结构,随着介质运行压力升高并接近至96% 整定压力时,阀瓣密封面被介质压力向下推压产生微小变形,此时阀瓣密封面外侧轻微抬起,凹槽张口轻微增大,而阀瓣密封面内侧依然与喷嘴密封面保持平面贴合,且两者密封面的接触宽度随着介质压力的不断升高也在逐渐轻微变小,在一定程度上增加了安全阀的密封比压,从而可将安全阀产生预泄的压力值提升而能够保持安全阀的密封性能。在喷嘴密封面平整、光洁条件下,安全阀的预泄点压力推迟甚至可以达到设定的整定压力98%。

柔性阀瓣

图3 柔性阀瓣

  在保证安全阀设定的整定压力准确的前提下,柔性阀瓣结构可以使安全阀在运行压力达到设定的96% ~98%整定压力时仍然可以无泄漏,而且在设定的整定压力范围内起跳准确,回座性能稳定。柔性阀瓣结构不但提高了电站机组的弹簧式安全阀运行密封性能,而且也提高了保持密封性的运行压力值。

  3.2、结构分析

  柔性阀瓣结构有利于安全阀的密封性能,但其阀瓣密封面内侧较薄、外侧较厚的结构也使得其使用寿命受到一定的影响。根据安全阀的密封性能及准确起跳的特性,一般多采取每年定期解体检修并对阀瓣和喷嘴密封面进行研磨抛光的措施进行维护。但多次或过度研磨阀瓣密封面将导致阀瓣密封面内侧较薄部分边沿成为厚度更薄的环形刃口,大大降低了该部位的结构强度。该环形刃口在高温高压介质作用下,尤其在安全阀预泄或起跳阶段,因强度降低因素容易在该部位产生开裂或涨裂( 图4) ,已发生过因阀瓣密封面开裂问题而导致安全阀回座后出现泄漏现象,严重的开裂或涨裂问题将直接导致电站机组停机,影响了电站机组的安全经济运行。

阀瓣密封面开裂

图4 阀瓣密封面开裂

  3.3、阀瓣维护

  基于阀瓣安全使用要求,给出了不同型号弹簧式安全阀的阀瓣密封面研磨后的关键极限尺寸( 如图5 中尺寸C) ,并建议当阀瓣密封面研磨后的厚度尺寸不足该极限尺寸要求时,应该使用备品进行更换。关键极限尺寸可参考产品的具体数据。

阀瓣密封面研磨后关键极限尺寸C

(a) 普通平面阀瓣结构(b) 柔性阀瓣结构

图5 阀瓣密封面研磨后关键极限尺寸C

4、结语

  安全阀是保障机组安全运行的关键设备,了解和掌握安全阀的设计结构、密封原理及检修要求,获得必要的安全阀快速检修要求和经验,用于保证弹簧式安全阀在电站使用过程中,其稳定、可靠的运行性能。

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