核電用大口徑閘閥關(guān)閉件發(fā)生熱粘連的可能性分析
介紹了核電站用閘閥在高溫條件下防止產(chǎn)生熱粘連的結構要素，及其防止產(chǎn)生熱粘連的理論分析。
1、概述
熱粘連是指配合件在溫度升高變化時(shí)，金屬表面膜被破壞，使之與產(chǎn)生新生面直接接觸，金屬處于回火狀態(tài)，降低了表面硬度，同時(shí)材料溫升過(guò)高后，以致該區域摩擦副對偶表面產(chǎn)生熔化，促使粘著(zhù)現象產(chǎn)生或加重，使機械正常的使用功能受到破壞，造成設備系統運行事故。大口徑閘閥是CAP1400 核電站項目管路系統的關(guān)鍵設備，其設計溫度為350℃、設計壓力17.2MPa、工作介質(zhì)為蒸汽和含硼水。閥門(mén)在系統中主要起著(zhù)接通和切斷介質(zhì)作用。為保證閥門(mén)使用性能安全可靠，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為根據閥門(mén)的結構特點(diǎn)對有可能產(chǎn)生熱粘連的部位進(jìn)行必要的可靠性分析。
2、結構分析
閥門(mén)由閥體、閥蓋、彈性閘板和閥座等零部件組成( 圖1) ，電動(dòng)裝置驅動(dòng)。在閥門(mén)的開(kāi)關(guān)過(guò)程中閘板與相應的配合件閥座和導向結構發(fā)生相對的摩擦運動(dòng)，所以閘板與其配合件在溫度變化、作用力變化的條件下具有發(fā)生粘連的條件。
(1) 閘板與閥座
閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，閘板與閥座保持緊密吻合達到密封以切斷介質(zhì)。閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，閘板在閥桿的作用下，將沿密封面的切線(xiàn)方向緩緩抬起逐步脫離閥座，以實(shí)現介質(zhì)流通。
圖1 閘閥
(2) 閘板與閥體
為實(shí)現閘板在閥體中垂直方向上下運動(dòng)，及減少閘板與閥座運動(dòng)副間相互摩擦而提高密封使用壽命，在閥體和閘板上設計有一對導向結構，閘板導向面上堆焊STL 硬質(zhì)合金。閥門(mén)的閘板在閥座密封面運行一段距離后與閥座密封面脫開(kāi)( 運行距離與設計確定的配合精度相關(guān)) ，閘板導軌槽與閥體導軌面接觸，閘板沿著(zhù)閥體導軌滑動(dòng)，閘板在閥體導軌的導引下完成開(kāi)啟關(guān)閉的功能。
在閘板與閥座及閘板與閥體導向接觸的運動(dòng)中，均發(fā)生了相對摩擦，如運動(dòng)件相應的材質(zhì)、作用力變化、高溫狀態(tài)和運動(dòng)速度等因素同時(shí)出現在某一個(gè)對應條件下時(shí)，就有可能出現接觸部位的粘連，從而導致閥門(mén)在運行中熱粘連現象的發(fā)生。
3、熱粘連分析
3.1、基本條件
相關(guān)規范要求，閥門(mén)具有彈性結構閘板的配對件溫差△T≥55.56℃及系統限制溫度T≥93.33℃時(shí)，需考慮熱粘連因素。由于設計選用的閥門(mén)結構為彈性閘板，系統工況最高使用溫度為177℃、設計溫度為350℃，超過(guò)了發(fā)生熱粘連的最高溫度，所以具有發(fā)生熱粘連條件的可能。
(1) 彈性結構閘板配對件的溫度場(chǎng)
由于彈性閘板具有可能發(fā)生熱粘連的結構特征，所以需對閥門(mén)在溫度變化時(shí)進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，以確認其配對部件( 即閥體與閘板) 的溫度差△T≤55. 56℃時(shí)，可排除熱粘連的產(chǎn)生。閥門(mén)使用系統的溫度范圍為38 ～350℃，采用模擬工況條件下的環(huán)境狀態(tài)，建立標準分析模型。對工況條件下的兩個(gè)極限溫度38℃和350℃及常溫狀態(tài)下配合部位的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析。閥門(mén)在關(guān)閉條件下，一側穩態(tài)溫度設定為350℃另一側設定為38℃。觀(guān)察分析，在溫度分界的密封副兩面在溫差范圍內沒(méi)有明顯大的差異，最大溫差30℃左右。據此分析即使在350℃極限溫差的條件下，彈性閘板配對件具有不產(chǎn)生熱粘連(△T≤55) 的條件。
(2) 最高使用溫度的溫度場(chǎng)
模擬管路系統溫度穩定運行在177℃ 的條件下，觀(guān)察閥座和閘板運動(dòng)副的位移變化。以常溫為位移分析基礎值，中法蘭X、Z 軸兩個(gè)方向為中心的位移基本呈對稱(chēng)分布( 圖2 和圖3) 。經(jīng)分析，在溫度變化最大的情況下，閥門(mén)的閘板和閥座是一對經(jīng)溫度影響位移變化最大的配合件。經(jīng)圖譜分析、在工況溫度為177℃時(shí)溫差產(chǎn)生的位移變化不明顯，所以?xún)H對350℃極限溫度差條件下進(jìn)行兩對運動(dòng)副的分析( 表1) 。
圖2 X 軸方向位移變化趨勢
圖3 Z 軸方向位移變化趨勢
表1 閘板與閥座在高溫狀態(tài)時(shí)的X 向位移
在介質(zhì)溫度350℃時(shí)，閘板與閥座位移值基本同步?jīng)]有明顯變化，在閘板下方差異為0.034mm，發(fā)生的細微變化數值顯示也基本同步。閘板與閥體導軌的X、Z 軸，當溫度升高到350℃時(shí)，在壓力- 溫度作用下，兩個(gè)方向位移幾乎同步( 表2) 。X 軸方向最大位移差值為0.075mm ，Z 軸方向最大位移差值為0.042mm。在該處結構設計時(shí)，給定配合間隙為2.0mm，實(shí)際的間隙量遠大于高溫下的最大值。經(jīng)過(guò)分析的兩個(gè)摩擦副部位，即使在最大溫差條件下仍然沒(méi)有因熱膨脹而導致的熱粘連現象。
表2 閘板與閥體導向在高溫狀態(tài)時(shí)X、Z 向位移
3.2、相關(guān)條件
配合件產(chǎn)生的熱粘連與材料性能、使用溫度、載荷及滑動(dòng)速度和潤滑條件等有關(guān)。
(1) 材料性能
材料性質(zhì)對粘連的發(fā)生有明顯的影響。金屬材料相近相同的晶格類(lèi)型及電化學(xué)性能相近的金屬互溶性好，發(fā)生粘連傾向大，容易產(chǎn)生磨損粘連。相同材料相互摩擦產(chǎn)生的磨損粘連較異種材料要大得多，脆性材料的抗粘連能力比塑性材料高。材料的屈服點(diǎn)或硬度越高，其抗粘連及磨損能力也越強。
閥門(mén)閘板和閥座密封面材料均采用STL 鈷基硬質(zhì)合金。鈷的晶體結構在417℃以下為密排六方晶體結構，密排六方結構比一般的面心立方結構抗粘連性能好，鈷基合金比鈷抗粘連性能更強。鈷基合金有很好的耐高溫( 在650 ～1100℃條件下具有較好的高溫強度) 、耐磨及抗氧化性能，是一般用于高溫、高壓、耐磨、耐腐蝕工況條件下常用的密封材料。閥門(mén)所用最高設計溫度為≤350℃，是抗磨損粘連特性的安全溫度段，摩擦副經(jīng)過(guò)類(lèi)似和高于該工況條件下的長(cháng)期使用，均沒(méi)有發(fā)生過(guò)粘連現象，所以密封副雖然采用的是同種材料，但是具備優(yōu)異的抗磨損粘連性能。另外，為減少閘板與閥體導軌摩擦副( 本體均為CF8M) 發(fā)生熱粘連傾向，在閘板導軌表面堆焊鈷基硬質(zhì)合金，與閥體CF8M 不銹鋼導軌形成兩種不同材料配對，由于相應的材料屈服點(diǎn)及硬度存在很大的差異( 即，CF8M 的硬度HB≤187 ，STL 的硬度HRC≥ 40) ，材料的互溶性很小，所以形成粘連的條件明顯降低。
(2) 使用溫度
金屬的硬度一般與溫度相關(guān)，溫度越高硬度越低。由于微凸體間發(fā)生粘連的可能性隨著(zhù)硬度降低而增加，因此在沒(méi)有其他因素的影響下，磨損粘連的產(chǎn)生隨著(zhù)溫度提高而增加。為減少和避免這一問(wèn)題，在材料上選擇了高溫耐磨性能好的鈷基合金材料。
(3) 載荷及滑動(dòng)速度
研究資料介紹，一定速度條件下，當表面壓力達到一定的臨界值時(shí)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運行就會(huì )發(fā)生粘連。一般情況下在密封副表面壓力作用下( 摩擦表面的法向載荷) ，磨損發(fā)生粘連和磨損率隨滑動(dòng)速度的變化而發(fā)生變化，其中低載荷且溫度較低時(shí)磨損較低，相對發(fā)生熱粘連的可能性就低，因此時(shí)摩擦面的表面膜沒(méi)有達到被破壞的程度。由于閥門(mén)摩擦副載荷較小遠低于相應的臨界值，同時(shí)溫度又較低且在平穩的低速下運動(dòng)( 大約運行速度υ < 0.5m/min) ，所以因為滑動(dòng)速度、表面載荷及相應溫度的關(guān)系，使摩擦副發(fā)生磨損粘連的條件不充分。
(4) 潤滑條件
潤滑對于有液態(tài)介質(zhì)的工況條件( 如液體等)比干摩擦運動(dòng)件產(chǎn)生粘連的可能性要大大減少。閥門(mén)工作系統介質(zhì)為含硼水或蒸汽，所以其工況條件有利于避免摩擦副發(fā)生磨損或粘連。
4、結語(yǔ)
經(jīng)分析，彈性閘板閘閥出現熱粘連的趨向很低。根據同類(lèi)閥門(mén)的長(cháng)期使用情況分析，在相應更加嚴苛的條件下閥門(mén)均沒(méi)有發(fā)生過(guò)熱粘連的實(shí)例，據此可確定，閥門(mén)避免產(chǎn)生熱粘連方面的性能可靠。
