电磁先导阀阀芯故障的分析及处理
文章编号 : 100225855 (2008) 0120041203
作者简介 : 周兴强 (1972 - ) , 男 , 江苏南通人 , 工程师 , 主要从事田湾核电站机械设备 (主要为管阀方面) 的维修工作。
电磁先导阀阀芯故障的分析及处理
周兴强
(江苏核电有限公司 , 江苏 连云港 222042)
摘要 介绍了电磁先导阀的工作原理 , 分析了电磁先导阀阀芯磨损的原因 , 论述了零部件结
构改进方法。
关键词 电磁先导阀 ; 阀芯振动 ; 磨损 ; 故障
中图分类号 : TH134 文献标识码 : A
Trouble analysis and handling for solenoid pilot valve disc
ZHOU Xing2qiang
(Jiangsu Nuclear Power Corporation , Lianyungang 222042 , China )
Abstract : This paper present the working principle of the solenoid pilot valves for main steam relief
isolation valves of Tianwan Nuclear Power Plant , the research on root cause for solenoid pilot valve
disc damage due to the vibration were carried out and the conclusion of the failure were reached. The
countermeasures were decided and the modification were performed accordingly.
Key words : solenoid pilot valve ; disc vibration ; abrade ; failure
1 概述
田湾核电站主蒸汽系统的主蒸汽隔离阀前设有
主蒸汽大气释放系统 , 以防止二回路主蒸汽系统超
压 , 避免主蒸汽安全阀的动作。主蒸汽大气释放系
统中安装了先导式介质自驱动快速动作隔离阀 , 其
先导阀为电磁先导阀 , 该阀在机组热态试验及功率
调试运行期间出现了阀芯磨损的故障 , 导致机组被
迫停机进行缺陷处理 , 对整个试验的进程产生了严
重影响。通过对故障部件的检查和分析 , 对其结构
做了改进 , 使试验正常进行。
2 隔离阀工作原理
先导式大气释放隔离阀 (图 1) 由一个带活塞
腔的主阀和联通活塞腔的两个互为备用的电磁先导
阀组成。系统介质通过节流孔 A 进入隔离阀上腔 ,
在电磁先导阀关闭的情况下 , 上腔压力等于系统压
力 , 上腔压力作用在活塞上产生向下的力压紧阀
芯 , 从而使阀芯与阀座密封面精密贴合 , 阀门保持
关闭。
当先导阀电磁头通电时 , 电磁头产生的提
升力打开先导阀 , 将隔离阀上腔的介质排放掉 , 由
于先导阀排放介质的速度大于从节流孔进介质的速
度 , 上腔压力下降 , 下腔的作用力使阀芯快速打
开。需要大气释放隔离阀保持开启状态时 , 电磁先
导阀需要持续开启并将通过节流孔 A 进入上腔的
系统介质排放掉。
11MV 电磁先导阀 21UPC 阀芯活塞上腔 31 弹簧 41L PC 下腔
51 阀芯 61 阀芯导向套 71 阀体
图 1 大气释放隔离阀
3 电磁先导阀工作原理
在电磁先导阀 (图 2) 电磁头不通电的情况下
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(电磁头无输出力) , 弹簧的作用力作用在阀杆上 ,
阀杆将阀芯压紧在阀座上并保持密封。当电磁头通
电产生提升力 , 克服弹簧的力 , 将阀杆提起 , 阀芯
脱离阀座 , 系统介质排放。阀杆和阀芯由销钉和调
节螺钉连接 (图 3) , 调节螺钉与阀杆采用螺纹连
接 , 调节螺钉头部为球状 , 顶住阀芯内部 , 阀杆与
阀芯通过销钉组成活动连接 , 因此阀芯有一定的活
动度。调节螺钉能补偿阀芯阀座密封面的磨损 , 阀
芯有一定的活动度能补偿阀芯阀座密封面的不平行
度 , 起到良好的密封作用。电磁阀的行程由阀杆的
倒密封与阀杆导向套之间的距离控制。导向套和阀
芯 材 料 为 Inconel X750 , 调 节 螺 钉 材 料 为
X35CrMo17 , 阀杆材料为 Inconel 718 , 销钉材料为
X17CrNiA11717。
11 阀位指示器 21 电磁头 31 轭架 41 弹簧
51 阀杆阀芯组件 61 阀体 71 阀座
图 2 电磁先导阀
4 试运行
在一号机组进入热态试验及功率调试运行期
间 , 由于二回路凝汽器缺陷导致真空无法建立 , 主
蒸汽系统被隔离 , 使热态下蒸汽发生器产生的蒸汽
无法向凝汽器排放 , 一回路无法保持温度和压力。
在此情况下 , 大气释放隔离阀起到了调节和保持热
态时一回路温度和压力的作用。在此期间大气释放
阀处于开启状态 (先导阀处于持续排气的开启状
态) , 当完成二回路消缺后准备预热蒸汽管线时 ,
在关闭 3 # 大气释放隔离阀时发现先导阀断电后无
法关闭大气释放隔离阀的主阀。现场检查发现先导
阀电磁头断电后其排放管线仍然有持续排气 , 导致
主阀上腔压力无法升高因而主阀无法关闭。经分
析 , 确定是先导阀产生了故障 , 根据运行规程 , 机
组只能退出试运行状态 , 进行设备的检查和维修。
11 阀杆 21 阀杆导向套 31 销钉 41 调节螺钉
51 阀芯 61 阀体 71 阀座
图 3 阀杆阀芯结构
11 阀杆导向套 21 销钉 31 阀杆 41 阀芯 51 阀体 61 阀座
图 4 改进的阀杆阀芯结构
5 部件检查
首先对故障先导阀阀芯部件的调节螺钉、阀
芯、阀杆和销钉做了检查。
511 调节螺钉
当采用 10 ×放大镜低倍宏观分析先导阀阀杆
顶部的调节螺钉时 , 发现其螺纹磨损严重 , 在磨损
表面有许多的蚀点 , 并且螺钉下端与阀芯接触的顶
部已磨平。当采用扫描电子显微镜进行微观形貌分
析时 , 发现螺纹磨损表面有大小不等、形状不同的
斑坑 , 斑坑放大后的显微形貌分析 , 斑坑是由基体
的剥落所形成 , 存在磨粒及剥落磨屑的微观特征。
另外 , 局部区域有不连续、短距离的划痕。能谱分
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析结果表明磨损表面发生了金属迁移。金相分析还
可知 , 调节螺钉横截面和纵截面的金相组织特征均
为调质处理后的回火索氏体 , 其金相组织正常 , 在
样品纵截面的外表层还可观察到沿螺钉轴向分布的
形变流变组织特征。
512 阀芯
阀芯上部销孔磨损 , 销孔内侧有较为明显的被
磨压形成的凹槽 , 微观形貌可见有磨屑磨粒及较短
的划痕等特征 , 磨痕边缘为挤压辗平的金属磨屑形
态。阀芯内腔底部与调节螺钉接触处 , 可见有明显
的磨损痕迹 , 靠中间位置形成一圆形的凹坑 , 微观
形貌可见有剥落及腐蚀微孔等显微特性。
513 阀杆
阀杆仅外圆表面有局部磨损 , 存在部分剥落现
象 , 局部区域留下了与轴向基本平行的沟槽特征 ,
可认为该阀芯与阀杆间存在周向相对运动。
514 销钉
销钉两端有明显的磨损及沟槽 , 表面有可见剥
落及较短的划痕等显微特性。
6 原因分析
经检测 , 阀芯、阀杆、调节螺钉和销钉材料的
化学成分均与设计技术要求一致。硬度测试结果显
示 , 调节螺钉的硬度约为 280HV , 阀芯硬度约为
440HV , 阀杆硬度约为 500HV , 销 钉 硬 度 约 为
550HV 。分析确定 , 阀门开启时阀芯等组件沿轴向
产生微小振动及周向的相对微小转动 , 造成了销
钉、阀芯销孔处以及阀杆外表面的局部磨损。
对于调整螺钉的螺纹部位而言 , 宏观分析及微
观分析表明 , 该部位主要为接触疲劳引起的失效。
由于螺纹连接部位存在一定的间隙 , 在接触应力以
及泄漏引起的振动荷载作用下 , 金属表面的直接接
触以及相对的运动 , 使硬度相对较低的螺杆螺纹表
面产生剥落 (能谱分析结果表明磨损表面发生了金
属的迁移) 。剥落的磨屑及基体脱落的粒子又使表
面产生了磨料磨损 , 同时兼有腐蚀磨损等 , 导致了
螺纹部的失效。由金相分析可知 , 螺纹部的外表层
存在较明显的形变流变痕迹 , 表明该螺纹部位存在
较大的应力作用。调节螺钉螺纹处的腐蚀麻点及腐
蚀斑 , 加上先导阀长期开启后 , 其电磁头保持带电
产生磁性 , 引起调节螺钉和阀杆材料之间电极电位
存在差异 , 使调节螺钉螺纹处与阀杆之间的电化学
腐蚀作用加速了螺纹处的失效。对于调节螺钉下端
顶部而言 , 由于阀芯与调节螺钉电极电位存在差
异 , 导致阀芯产生电化学腐蚀引起表面粗糙以及接
触强度下降 , 因而导致调节螺钉下端顶部与阀芯接
触面产生粘着磨损 (能谱分析中也可看出磨损面上
产生的金属迁移) , 随着泄漏引起的轴向振动载荷
以及周向转动载荷的不断作用 , 较软的螺钉顶部将
随着粘着磨损的进行不断削平 , 最终导致螺杆接触
端面的失效。
部件的失效分析表明 , 失效不是由于单向高载
荷引起的 , 而是一种循环载荷 (如振动) 现象。
7 改进
为了消除阀芯组件的振动问题 , 其有效的方法
就是在先导阀处于开启状态时 , 消除阀芯的自由活
动性。因此对阀芯组件做了改进 (图 4) 。
①取消阀杆的上密封 , 将阀芯的筒体长度增
加 , 以阀芯与阀杆套筒控制阀门的行程。
②取消调节螺钉 , 不再通过调节螺钉来调节阀
门的行程 , 避免材料不同引起电极电位差导致的电
化学腐蚀。阀杆加长 , 顶部呈圆头 , 材料仍采用
Inconel , 与阀芯材料接近。
③销钉直径由Φ3mm 增加到Φ5mm , 提高了
强度 , 以便在阀门处于开启状态下将阀杆的力传递
到阀芯上 , 将阀芯的上密封压紧在阀杆套筒上 , 防
止阀门开启后阀芯在蒸汽流的情况下发生振动。
阀门的行程则通过阀芯的筒体长度来调整 , 在
先导阀组装初期 , 通过加工阀芯的倒密封端来控制
行程 , 并控制先导阀的行程为负偏差 , 阀芯和阀座
密封面研磨后 , 其行程取正偏差 , 这样即使阀芯和
阀座密封面多次研磨后也能保证先导阀的行程在允
许误差范围内。
阀芯组件改进后 , 通过热态试验台架对一个新结
构的先导阀进行了 500 次的开关排放试验。试验完成
后 , 对阀芯组件进行了解体检查 , 未发现振动造成的
磨痕。又经现场实际运行 3 个月后解体检查 , 先导阀
状态良好 , 未发现阀芯部件存在磨痕 , 证明已经消除
了电磁先导阀不能长时间开启的缺陷。
8 结语
先导阀的阀芯组件改进后 , 消除了阀芯在气流情
况下的振动问题 , 为保证机组的安全经济运行奠定了
基础。
参 考 文 献
〔1〕 杨源泉. 阀门设计手册 〔M〕. 北京 : 机械工业出版社 ,
1992.
(收稿日期 : 2007109125)
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