ETY安全壳隔离阀故障分析及处理

ETY安全壳隔离阀故障分析及处理

马春明

中核检修有限公司福清分公司 技术部

摘  要：在核电厂中ETY安全壳隔离阀在反应堆正常运行工况下，能够正常开启和关闭阀门。在设计基准事故工况中，将安全壳和外部进行隔离，安全壳隔离阀是核电厂的安全屏障，具有屏蔽放射性功能，在反应堆正常运行工况下保证阀门密封性，防止放射性物质释放至大气中。对环境保护及人身安全，阀门能够正常关闭、开启尤为重要。本文结合核电厂ETY系统安全壳隔离阀根据结构、工作原理以及常见故障进行分析处理，从而可以快速定位故障及原因分析，达到缩短检修工期的目的。

关键词：ETY；安全壳隔离阀；执行机构；常见故障分析；

1. 安全壳隔离阀结构及工作原理

ETY安全壳隔离阀要求阀门能承受事故压力和温度，每一个贯穿件串联二个，均位于安全壳外，第一个阀门靠近安全壳，第二个阀门是手动打开，两个阀门均要求能自动快速关闭且关闭时间≤1s。主要结构由阀门本体、驱动装置、控制附件三部分组成。阀门本体组成部分由阀体、蝶板、阀轴、阀座、配对法兰等部件。驱动装置组成部分由气动马达或者手动执行机构、拨叉、弹簧、涡轮蜗杆、齿轮齿条、弹簧等部件。控制附件电磁离合器、电磁阀、减压过滤器、仪控限位开关等部件。

ETY阀门开启工作原理：电磁离合器得电，根据指示驱动装置上的开关指示，逆时针转动手轮或者通气源靠气动马达来开启阀门，涡轮蜗杆啮合将力矩传递给齿条，齿条将力矩转化成直线运行进行严压缩弹簧为蓄力做准备。阀门在开启过程中，限位开关处于失电状态，需根据限位指示开关，将阀门开到位（开限位开关处于工作状态），若阀门开启过程中，万一电磁离合器失电则阀门将会自动关闭。

ETY阀门关闭工作原理：电磁离合器失电，离合器主动侧和从动侧脱开，同时涡轮蜗杆、齿轮齿条同时脱开，将之前蓄力做准备的弹簧力释放，齿条做直线运行将力矩传递给阀门，使阀门快速关闭要求（阀门关闭时间≤1s）。

2. 常见故障原因分析
   1. 蜗杆断裂

某核电厂2021年10月31日执行2ETY008VA手动开启阀门，在操作过程中导致蜗杆断裂，无法正常操作开启阀门。电磁离合器得电，蜗杆涡轮啮合，逆时针旋转手轮将阀门开启，将阀门开到75%时，蜗杆断裂导致无法操作阀门，随后对断裂原因进行故障原因分析。

针对ETY安全壳隔离阀蜗杆断裂事件，收集相关设备信息以及各个核电厂同类型设备经验反馈以及收集现场相关证据，确认具体问题和故障范围。查阅运维手册，对蜗杆可能产生故障原因进行原因分析调查。通过对2ETY008VA蜗杆断裂位置进行对比分析如下：

（1）设计缺陷可能产生故障原因分析：蜗杆设计缺陷是指设计存在不合理构思、方案等，存在设计上的失误而造成的产品蜗杆缺陷。设计缺陷一般由生产厂家的错误、原理错误、结构设计错误等方面的原因造成。

经验反馈材料收集：生产厂家提供相关设计资料、试验数据证实并非设计缺陷各核电厂在解体同类型阀门中未发现因设计缺陷导致蜗杆断裂。

（2）疲劳失效可能产生故障原因分析：蜗杆随时间变化的载荷都可能引起疲劳失效，承受扭转疲劳负荷的蜗杆，其表面应力最高。大量疲劳失效分析表明，疲劳断裂绝大多数起源于构件的表面。因此，凡是制造工艺过程中产生各类裂纹、表面粗糙度不符合要求等都将导致疲劳裂纹的形成并降低构件的疲劳寿命。表面粗糙度值越低，材料的疲劳极限越高，材料强度越高，表面粗糙度对疲劳极限的影响越显著。

    经验反馈材料收集：各个核电厂相关数据证实：方家山和深圳大亚湾核电安全壳隔离阀蜗杆断裂频率中等，原因有操作阀门不当等原因，其二蜗杆在原来操作的基础上已产生裂纹肉眼很难辨识，金属材质在静态应力下也为裂纹扩展，再加上后续操作次数过多以及操作不当导致裂纹扩展断裂，操作不当指暴力蛮力操作阀门手轮。

    （3）维护保养可能产生故障原因分析：安装不当：蜗杆在安装过程中因人为因素导致，蜗杆安装歪斜、设备表面有损伤敲击等损伤。保养不当：蜗杆因长期未保养，导致设备老化等情况。

    经验反馈材料收集：秦山核电方家山1/2机组也出现过同类型故障，处理措施更换同类型备件。深圳大亚湾核电厂也出现过同类型故障，处理措施更换同类型备件。

    通过上述结论分析蜗杆断裂最大可能性是：蜗杆疲劳失效和维护保养两方面造成。

2.2滚动轴承磨损

某核电厂大修期间对2ETY007VA和2ETY008VA阀门执行机构解体检查，在检修过程中发现蜗杆滚动轴承滚珠与保持架脱落，阀门在开启过程中摩擦阻力增大，内部滚珠与保持架磨损严重，内部润滑脂较少，并呈现黑色。在轴承在检查过程中，轴承在转动中造成磨损严重，从外部因素和内部因素来分析故障原因。

1.外部因素：主要由制造缺陷导致轴承产生原本缺陷，在使用过程中容易损坏。查阅相关资料安全壳隔离阀在安装初期和后续大修中对阀门多次操作未发现轴承损坏等情况。

2.内部因素：主要人为因素包含在检修过程中装配方式不当和维护保养力度不够，轴承运行时间较长缺少维护保养，轴承磨损久而久之磨损更加严重直至失效。轴承失效如下：

（1）轴承安装不当，用手锤或者其它工具直接敲击轴承，靠滚动体传递力，造成轴承表面有损伤，另外在安装过程中受到敲击力，很容易造成轴承在安装过程中受力不均且造成轴与轴承内圈有划痕等情况；

（2）轴承安装调整不到位，安装有偏心或未装配到位，造成轴承游隙过大或小，内外圈不处于同一旋转中心现象。

（3）轴承润滑不良是造成轴承过早损坏的主要原因之一，未及时加注润滑脂使轴承起到润滑的作用。润滑脂未加注到位使轴承未起到润滑的作用。

（4）轴承内部污染是指轴承在更换过程中未对轴承和设备内部进行清理。安装前过早打开轴承保护盒，造成轴承工作表面侵入污染物。装配时工作现场未清理，造成轴承工作表面有污渍。

（5）疲劳磨损指轴承长期处于超负荷中未及时保养、维护等，造成轴承过早老化磨损等情况；

根据上述原因对比分析：外部因素通过对比其它几台阀门蜗杆轴承，未出现因制造缺陷等原因导致手动执行机构不可用，因此外部因素可以排除。内部因素：通过对轴承疲劳磨损、轴承内部洁净度、润滑、轴承安装等分析，内部因素导致轴承磨损加剧可能性更大。

2.3气动马达有异音

某核电厂4号机组在404执行4ETY007VA阀门开启过程中发现气动马达有异音。安全壳隔离阀是核电厂安全屏障，随后对气动马达故障原因进行排查分析。气动马达将压缩气体的压力能转换为机械能并产生旋转运动的气动执行元件。气动马达产生故障是多方面的。主要原因：气动马达腔室缺少润滑油，导致无法对其腔室零部件进行润滑，马达内部转轴锈迹斑斑，内部灰尘较多。

2.4电磁离合器端面齿磨损严重

某核电厂2号机组2ETY007VA执行机构解体检修中发现电磁离合器端面齿磨损严重。ETY系统阀门执行机构均采用固定线圈牙嵌式电磁离合器，具有离合器的主动侧和从动侧带有端面齿，通电时，离合器处于激磁状态，在电磁吸力作用下啮合而传递力矩，断电时终止力矩的传递。齿面磨损主要原因：由于牙嵌式电磁离合器的主、从动端是端面齿相啮合（刚性连接），无缓冲作用，在有转速差时会造成结合件的损坏因而应在主动侧与从动侧静止或转速相对较低的情况下啮合，否则会损坏端面齿，端面齿由转速差造成齿面磨损。主动侧和从动侧带有端面齿缺少润滑脂润滑导致齿轮相互磨损胶合等情况。

某核电厂2021年08月30日执行3ETY008VA阀门关闭过程中，阀门无法关闭。电磁阀失电主动侧和从动侧齿脱开，使其内部弹簧力释放关闭，对阀门执行机构解体发现，发现离合器动静环间隙过小，故障分析：离合器动静环测量间隙为0.09mm，远低于标准0.6-0.8mm，该离合器为首次解体，初步判断为工厂内制造配合公差过大导致动静环间隙过小，导致电磁离合器失电后动静环不能及时脱离，阀门快关功能失效。

离合器工作方式为通电接合，断电脱开。脱开和结合过程中对轴套表面有磨损，在往复运行过程中，轴套间隙变大，使阀门不能正常动作。其它原因分析离合器内部销钉损坏以及弹簧失效等原因，分析由于电磁离合器失电，阀门关闭时间在1S内，由于缸筒内部在释放弹簧力使阀门关闭，阀门在关闭瞬间执行机构内部震动等原因导致销钉损坏，无法满足运行要求。

3故障处理

3.1 蜗杆故障处理

对于蜗杆断裂故障问题，根据其它核电厂经验反馈更换同类型备件，在安装前不得提前拆除包装，防止设备表面有污渍，在安装时对蜗杆与涡轮啮合部分进行润滑处理。在安装过程中不得使用手锤进行敲击，防止对设备表面造成损伤。蜗杆安装过程中加注3号长城润滑脂对蜗杆齿面进行均匀润滑处理。蜗杆经正确安装之后，阀门可以正常操作。

关于蜗杆疲劳失效处理方式，定期对安全壳隔离阀进行外观检查，对其有裂纹或者变形等故障进行记录，待大修窗口统一更换同型号蜗杆，另外对阀门手轮操作处理方案，驱动方式分手动和气动马达驱动开启阀门，禁止使用F扳手开启阀门，因手轮受力不均导致蜗杆断裂，在开启阀门过程中不得蛮力操作手轮。

3.2 滚动轴承故障处理

滚动轴承磨损情况处理方式,可通过装配调整、润滑、清洁度等这几方面入手。滚动轴承内圈和外圈公差非常小，在安装时可以压装到轴上，装配到轴上比较困难，另外防止轴表面有划伤，可在装配前在轴表面均匀涂抹厂家规定的3号长城锂基脂，可对轴承内外圈同时采用压装，压装专用工具可采用黄铜材质，因黄铜材质性比轴承内外圈材质软不会对表面造成损伤。轴承安装到位之后并加注3号长城锂基脂，在加注过程中盘手轮使使其轴承内部都可以润滑到。

根据核电厂也出现过此类情况，在解体执行过程中发现滚动轴承损坏，润滑脂未完全起到润滑作用。通过厂家提供同类轴承进行正确安装，并定期对轴承进行润滑处理，适当提高轴承使用寿命。

3.3 气动马达故障处理

对于气动马达有异音处理方案，将马达从阀门上拆下，开口封堵好，对马达进行解体维修。解体后发现马达内部含有较多灰尘，对马达转轴进行检查，对马达内部锈迹进行打磨后回装，并按照厂家加注润滑油。并对供气管线内部进行防异物排查，供气压力标准：0.4-0.9Mpa满足设备运行要求。通过试验动作阀门，气动马达异音缺陷消除。

3.4 电磁离合器故障处理

对于2ETY007VA电磁离合器齿面磨损严重处理方案，可以对齿面进行修复处理，只能暂时消除缺陷，根据同电厂经验反馈，最终方案更换同类型电磁离合器彻底消除缺陷。

铜套间隙过大磨损严重，联系机加加工轴套，处理意见：机加工新铜套，加工方案为：在当前铜套尺寸下，新铜套大头高度增加0.6mm，其它尺寸不变，即新铜套高度由60.14mm变更为60.64mm，动静环间隙为0.6mm，在标准0.6-0.8mm范围内，满足运行要求。

离合器内部销钉损坏以及弹簧失效处理方式：对离合器销钉进行更换或者进行修复处理。电磁离合器通过得电或者失电压缩或者释放弹簧，因长期运行导致弹簧失效，与厂家沟通更换同类型号弹簧，因弹簧和离合器是一体，根据各个核电厂经验反馈，更换新离合器彻底消除缺陷。

4.结论

核电站安全壳隔离阀ETY阀门常见故障已经引起了国内外核电厂及监测部门的重视，通过对核电站ETY隔离阀执行机构常见故障蜗杆断裂、气动马达有异音、滚动轴承损坏情况，结合现场实际情况以及借鉴其它核电厂同类型故障处理经验，运用在实际工作能够更加快速、有效地消除故障，从而起到保障核电站的安全稳定运行。

参考文献

[1] 王庆芳．百万千瓦级核电站核二级安全壳隔离阀的创新研究［J］．中国新技术新产品，2009 年第18 期．

[3]茅丽华．安全壳隔离阀设备运行与维修手册［M］．江苏神通阀门股份有限公司，2011．