手動截止閥閥桿驅動銅套斷裂問題處理

劉少偉

（中核核電運行管理有限公司，浙江海鹽314300）

手動截止閥閥桿驅動銅套斷裂問題處理

劉少偉

（中核核電運行管理有限公司，浙江海鹽314300）

某核電廠應急堆芯冷卻系統（以下簡稱ECC系統）小口徑手動截止閥曾多次發生因閥桿驅動銅套斷裂導致運行人員無法操作閥門的故障。為了正確找出故障原因，通過對閥桿驅動銅套建立受力分析和三維模型，結合有限元分析軟件進行受力計算，并利用不同材質的銅套進行檢測和試驗數據，分別得出不同扭矩，最終找出銅套斷裂故障失效的根本原因，同時針對故障原因，論文最后從現場操作上提出了相應的優化措施，從設備管理角度上針對該類型閥門的預防性維修內容進行了優化，進而提高閥桿驅動銅套的可靠性。

手動截止閥；驅動銅套；有限元分析；優化措施

0 引言

某核電廠在一回路管系中廣泛使用了進口的小口徑（2英寸以下）Newman WC6065/15型手動截止閥，自機組2004年商運以來，隨著運行堆年的增加，已經多次出現閥桿驅動銅套斷裂導致運行人員無法操作的事件。

2007年執行ECC系統氣動閥控制邏輯試驗時，發現高壓水箱疏水閥V22閥桿脫開，導致現場大量漏水。后檢查發現系手動閥V22驅動銅套斷裂閥門無法操作。2008年執行ECC系統相關試驗時發現V124閥門無法操作，檢查確認銅套損壞，該項缺陷機組運行期間無法處理,原閥采取臨時夾具進行處理，處于關閉狀態，閥門短時失去操作功能，臨時安裝二次隔離閥。閥桿驅動銅套是手動截止閥驅動裝置的重要零件之一。工作時,操作人員通過旋轉手輪帶動閥桿驅動銅套轉動，進而將驅動力傳遞給閥桿，帶動閥芯組件上下運動，使閥門實現開啟或關閉功能。閥桿驅動銅套主要由螺紋面和光滑面兩部分組成。在閥門的開關過程中起傳遞軸向力和力矩的作用。出現閥桿驅動銅套斷裂的截止閥核級手動鍛造碳鋼對焊截止閥（閥蓋密封焊）。按設計要求，閥門在系統設計壓力（進口側）工況下，閥門的關閉力矩均較小，滿足人員操作的需求。但在機組實際運行期間，出現了不少閥桿驅動銅套（見該閥門YOKE SLEEVE部件）斷裂故障且出現閥桿驅動銅套斷裂現象的閥門均為口徑＜2英寸的核級小行程截止閥，而閥門所在管道內介質為氣體、輕水或氣、水混合對碳鋼管道容易造成腐蝕產物，一旦出現驅動銅套斷裂后，閥桿操作失控進而容易引起閥芯損壞閥門關閉不嚴而內漏出現（圖1）。

1 閥門結構及力學分析

1.1 閥門結構

Newman手動截止閥從結構上講為閥蓋與閥體螺紋連接密封焊結構，該結構便于通過切割密封焊來實現對閥芯檢查和維修。啟閉件是盤形的閥瓣，密封面呈錐面型，閥芯沿閥座的中心線作直線運動。屬于強制密封式閥門，所以在閥門關閉時，必須向閥瓣施加壓力，以強制密封面不泄漏。當介質由閥瓣下方進入閥門時，操作力所需克服的阻力是閥桿和填料的摩擦力與由介質的壓力所產生的推力關閥門的力比開閥門的力大，所以閥桿的直徑要大，否則會發生閥桿頂彎的故障。這類型的閥門調節性能較差不適用于帶顆粒、粘度較大、易結焦的介質。閥桿驅動銅套外觀呈倒T形（圖2），底座上按順序依次放置止推軸承組件（圖3）銅套內部為ASME ACME系列螺紋。整體材質為鋁青銅與閥桿區別。其螺紋結構為左旋梯形內螺紋，轉動時將手輪的扭力轉化為閥桿的軸向力,螺紋部位產生表面擠壓應力、根部剪應力和根部彎曲應力。當閥桿繞軸線回轉運動時，其梯形螺紋與閥桿接觸后傳遞摩擦力矩和軸向力。根據牛頓第三定律，驅動銅套同時受到相反方向的螺紋摩擦力矩和閥桿軸向力的作用，在閥門操作過程中會因轉矩過大使銅套發生軸向滑移從而造成失效。為此，應保證螺紋接觸面間過盈配合，在正常傳遞摩擦力矩和軸向力時，驅動銅套不發生位移或者塑性變形。同時應具有較小的摩擦力矩,能夠承受設計規定的操作扭矩,并適應復雜工況下耐磨損、耐腐蝕和耐熱等多種性能要求。

圖1 根部斷裂的驅動銅套

圖2 驅動銅套

1.2 驅動銅套力學分析

根據上述閥桿驅動銅套結構形式和力的傳遞方式，可將驅動銅套與閥桿之間的運動簡化為螺紋副之間的力學傳動，建立驅動銅套的受力分析圖。當驅動銅套與閥桿之間受到軸向力Fa時，轉動驅動銅套，螺旋面之間將產生摩擦力。將螺旋副在螺紋中徑d2處展開形成一傾角為ψ的直線繞在圓柱體上便形成一條螺旋線，而沿螺旋線做出具有相同剖面的連續凸起和溝槽就是螺紋（圖4）。

圖3 止推軸承組件

圖4 螺紋連接參數

驅動銅套為ASME ACME螺紋，查閱手冊可知其螺紋規格為3/8英寸-16ACME-2G-LH，外徑3/8英寸（9.53 mm），中徑0.3333英寸（8.46 mm），螺距P=0.625英寸（1.587 mm），其受力模型見圖5，參數含義見表1。

圖5 驅動銅套受力模型

在閥門關閉過程中，因閥桿驅動銅套收到鎖緊螺母約束，其在收到手輪驅動力發生轉動時，推動閥桿向下運動。分析螺旋副之間的摩擦：驅動螺母順時針旋轉，閥桿收到向下的作用力Fn，同時驅動螺母收到向上的反作用力Fn′，人員操作手輪時相當于施加某一力矩使銅套逆著軸向力Fa相當于滑塊上加一水平推力F使滑塊沿斜面等速上滑?；瑝K滑動時摩擦阻力位Ff，此時Ff=fFn方向沿斜面垂直向下，螺紋升角為ψ，摩擦系數為f。此時總的反作用力FR=Fn+Fa，其與Fa之間的夾角為ψ+ρ，且ρ=arctanf。由平衡條件可知F，FR，Fa組成力學封閉三角形（圖5），可知，F=Fatan（ψ+ρ）。假設此時對驅動銅套施加外接力矩為M，可推算出水平推力F=M/d2，從2個F計算公式可得出軸向力Fa= M/d2tan（ψ+ρ），其中，對于梯形螺紋查閱實用閥門設計手冊，具有良好潤滑條件下的螺紋摩擦系數f取值0.15，則摩擦升角ρ為acrtan0.15，假設銅套施加力矩值M為10 N·m和56 N·m進行力學計算可得出軸向力Fa=M1000/8.46tan[（arctan1.587/ π8.46）+（arctan0.15）]，則Fa分別為5555.6 N和31 111 N。對于螺紋連接傳動來說，應力不得超過其材料的屈服極限σs的80%。否則將導致螺紋拉伸受力過載，很可能出現脆弱部位的斷裂，即本文中出現的驅動銅套斷裂現象。

表1 參數含義

2 斷裂驅動銅套原因分析

2.1 銅套根部外貌分析

目視觀察，4個樣品的斷口基本一致（圖6），斷口處并無明顯的塑性變形痕跡，脆性斷裂特征較明顯。該銅套沿圓柱與圓盤之間的外根部斷成兩截，斷口上大部分區域向內有大約10°～30°的向下凹陷，有若干棘輪狀的棱，有一個向下較緩或說較平的凸起總體呈起伏狀（圖7）。其中銅套基座的上表面有一圈放射環狀壓痕，且深度較為明顯，進一步對斷口處進行高倍顯微鏡下微觀分析。

圖6 斷裂的閥門驅動銅套

用掃描電鏡觀察了失效銅套的斷口微觀形貌。銅套圓盤部分和圓柱部分包括外圓根部附近斷口形貌均為韌窩，即微觀斷裂方式均為韌性的孔坑聚集型（圖8）。從微觀圖可以看出斷裂呈現以沿晶斷裂為主要特征的斷裂形式，顯示典型的冰糖狀斷口形貌，表現出明顯的脆性斷裂特征。

2.2 銅套基座及閥芯外貌分析

手動截止閥設計時銅套基座上表面依次安裝有平墊片、滾針軸承、平墊片，基座下表面有一平墊片。銅套基座上表面的環狀放射條紋系軸承下墊片安裝缺失，手動操作閥門時滾針軸承在重載下直接壓在銅套圓盤上表面導致的，這會導致銅套轉動不靈，承受較大的扭轉載荷。同時對碳鋼閥體的閥座密封面和閥芯進行檢查，閥座接觸處出現一圈環形腐蝕的凹凸不平印跡，這應該主要是長期使用過程中介質與閥體產生電偶腐蝕和縫隙腐蝕導致的。而在閥芯接觸面處出現明顯的向上卷邊，系收到過大的閥桿向下作用力與閥座互相擠壓導致。該閥座密封面上腐蝕特別是局部的腐蝕坑產生膨脹銹蝕產物，直接導致密封面的不平整，操作人員在正常關閉閥門時閥芯密封副失效，常常處于關不緊狀態，勢必通過加大力矩方式，使閥芯和密封面進一步擠壓，這才出現了硬度較小的閥芯上載密封面處出現卷邊，進一步惡化了閥門的狀態。同時過量關緊閥門一旦超過銅套的屈服強度就會導致銅套過載而出現斷裂。

圖7 失效的銅套內剖面宏觀照片

圖8 斷裂銅套微觀分析

2.3 化學成分及金相分析

采用電感耦合等離子光譜發生儀對驅動銅套基體化學成分進行分析。驅動銅套合金屬于復雜鋁青銅，黃銅中添加鋁元素，提高銅強度同時使其塑性更好，耐蝕性提高。樣本顯微組織為在以銅為基的α相基體上分布著κ相，α相為面心立方晶體結構，κ相為體心立方晶體結構的Ni-Fe-Al相。銅套的顯微組織細密，晶粒細小，沒有觀察到明顯的夾雜物，二者分布均勻，無有害缺陷（圖9），具體數據見表2。從化學成分和銅套選擇區域的能譜分析結果可以看出驅動銅套基體化學成分符合ASTM B150成分要求，符合鋁青銅合金元素的組成。

2.4 有限元仿真分析

本節中通過對驅動銅套實物尺寸測繪，在Ansys軟件中對閥桿驅動銅套創建三維模型，材質填充設定為國產鋁青銅QAL9-4（與文中斷裂銅套ASTM B150 63200性能近似），劃分網格，固定面設為銅套基座面并施加一定載荷尋找銅套中的薄弱環節。對銅套受力形變進行直觀數據對比。

通過測繪驅動銅套，發現銅套基座根部位置設置了圓弧倒角，外圓根部圓弧半徑0.25 mm。根據元件工作情況簡化工況為：在圖10中A平面施加固定約束，在元件內壁上沿軸向施加固定力載荷。從有限元分析可以看出材料為QAL9-4鋁青銅時，在受到9956 N的力時，最大應力280 MPa達到鋁青銅材料的屈服極限275 MPa（圖11），此時銅套將開始發生塑性變形直至斷裂出現，應力最大值出現在元件根部相應區域。

圖9 銅套顯微組織分析結果

表2 驅動銅套化學成分（wt%）

圖10 驅動銅套模型

圖11 材料為QAI9-4鋁青銅

為了增加對比效果，將材料分別設置為45#鋼和奧氏體不銹鋼施加同樣的載荷進行有限元分析，得出最大應力分別為298 MPa（圖12）和297 MPa（圖13），低于上述兩材料的屈服極限，材料不會發生塑性變形。

基于上述分析，從三維模型中修改驅動銅套根部倒角尺寸，由原來的R0.25修改為R0.4后，在受力9936 N時，最大應力為263 MPa，低于鋁青銅材料的屈服強度（圖14）。

從不同材料的閥桿驅動銅套三維仿真軟件模擬受力分析可以得出以下結論。

（1）相同材料，在驅動銅套元件根部作倒圓角優化后，應力降低6%，且隨著倒角的增加，元件根部應力也會呈逐漸降低趨勢。

（2）3種材料中45#鋼根部應力最大，但因其屈服強度最高，因此相同工況下顯得最為“結實”，不易在外力作用下發生塑性變形。

從銅套的受力分析可以看出，雖然在人員施加扭力時銅套受剪切應力的作用，但是該力對于銅套發生塑性變形斷裂的貢獻并不大，主要還是源于軸向的拉伸變形。

基于試驗數據的分析，可以認為銅套的失效原因是在拉伸應力和扭轉應力的綜合作用下發生的機械斷裂。閥門內較高的、有一定波動的水壓導致銅套的圓柱和圓盤間根部的應力集中處承受較高的波動性拉應力；關緊閥門時較大的力，閥門不銹鋼堵頭的腐蝕漏水可導致操作者施加過大的力，如使用F扳手，更容易在該根部產生較大的拉應力。另一方面，使用F扳手產生的過大載荷會導致銅套圓盤上表面與滾針軸承及其之間的墊片狀軸承止推板三者之間壓力太大，失去相互滑動的靈活性，導致較大的扭轉應力；當出現墊片狀軸承止推板缺失時，也會導致銅套不能自由地滑動旋轉，承受較大的扭轉應力。

3 優化對策

3.1 優化銅套設計

根據閥門結構特性，驅動軸套既要承受閥桿的作用力，又要作為與閥桿嚙合傳動的關鍵零件。因此，它既要有足夠的強度和韌性，又要有良好的減摩性。該銅套的設計本身是作為閥門有意的一個薄弱點，通過其斷裂失效的方式來將過大的軸向力進行釋放，避免對于難檢修更換部件如閥桿、閥芯、閥座帶來難以修復的損傷。

（1）增加銅套基座根部過度角。采取優化設計（加大圓角過渡）理論上可以減小根部應力。但隨著倒角的增大，相應的原止推軸承和墊片安裝也需要改變，否則因為根部圓弧過渡段的存在導致止推軸承組件無法安裝到位于基座上表面完全貼合，該間隙的存在直接影響鎖緊螺母的安裝和閥門手輪的操作。

（2）更換銅套材料。在不改變原零件的設計尺寸下，可以改變閥桿驅動套的材料，通過選用屈服強度高的材料可以達到提高驅動套抵抗扭斷能力，如ASM A320/A320或ASM A193/A194等不銹鋼材質，但是作為閥門傳動元件的驅動套在選用材料時，還要考慮良好的抗蝕性和減摩性。其與閥桿之間為螺紋傳動，要求摩擦系數小，不生銹和避免咬死現象。由于工作條件和結構上的原因，驅動套經常處于半摩擦或干摩擦狀態，因此在選用材料時應有良好的自潤滑性。普通的鋼鐵合金在潮濕環境容易銹蝕，即便是噴涂防腐漆料或者采用噴塑處理，作為一種使用頻率非常高的零件，在軸向力的作用下，保護層很快就會磨損脫落，所以鋼鐵材料不符合條件。球墨鑄鐵不易生銹，有一定的耐腐蝕性，而且球墨鑄鐵價格相對低一些，不過鑄鐵材料具有易斷裂的通性，同時上述鐵基材料的驅動套與閥桿材料接近，很容易產生咬死而損害閥桿螺紋出現試驗中閥桿彎曲而驅動套并未斷裂的情況，所以并不適合。

當截止閥在操作或密封時，該銅套承受大的變應力，特別是頻繁的啟閉更是如此，這將使受載時銅套變徑處因應力突變，成為斷裂的危險截面，發生斷裂。該種情況的出現也是處于對閥桿和閥芯組件的保護，在出現過載時驅動軸套首先失去作用，避免連續施加力量至閥桿和閥芯而對這些組件帶來損壞。從維修角度來考慮驅動軸套在閥門部件中屬于易檢查和更換的部件，而閥芯和閥桿的更換需要切割密封焊等離線要求。因此銅以及銅合金是作為閥桿螺母材料的最佳選擇。

3.2 優化預防性維修策略

（1）消除或減弱人為因素影響。對于小口徑（2英寸以下）手動截止閥，從程序上規定嚴格禁止人員操作時增加加力桿。由于上述碳鋼閥門本身的材質和所在管道內腐蝕產物，容易導致內壁鐵渣等異物產生，在閥芯和閥座面上堆積影響密封面的完整性引起閥門在關閉時常常會出現管后滴漏，進而促使操作人員增加閥門關閉的操作力量引起驅動軸套過載斷裂。

（2）增加小口徑手動截止閥對閥桿驅動軸套的定期檢查預防性維修項目內容。由于閥桿驅動軸套屬于閥門啟閉過程中易損壞的傳動部件，其狀態的好壞直接影響到閥門的功能性，而對驅動軸套的檢查相對于閥門解體來說更容易實現，不涉及到密封焊的打磨切割等動火作業，且定期的檢查能夠及時記錄部件的狀態，事前維修的方式能夠減少手動閥驅動部件損壞的幾率，提高設備的可靠性。

綜上所述因此，目前最經濟、最有效的手段是在人因和預維策略上進行適當調整，這種方式既能實現對閥門狀態的掌控，又能減少上述缺陷的產生。同時避免了對閥門驅動軸套部件不必要的改造和試驗，解決問題的同時又節約了成本。

圖12 材料為45#鋼

圖13 材料為1Cr17Mn6Ni5N奧氏體不銹鋼

圖14 根部倒角優化后

4 結束語

閥桿驅動軸套的斷裂不僅會造成閥門既定啟閉功能的喪失，對于重要系統更會導致其它重要設備失去功能，給電廠系統的穩定運行帶來不可控的風險。通過對驅動軸套斷裂產生的機理進行分析和歸納，采取有針對性的改進措施，是可以從根本上解決核電站小口徑手動截止閥驅動軸套斷裂的問題。

［1］陸培文.閥門使用設計手冊[M].北京:機械工業出版社，2007.

［2］王訓鉅，張漢林，關書訓.閥門使用維修手冊[M].北京：中國石化出版社，1999.

［3］楊國義.材料力學[M].哈爾濱工業大學出版社，2013.

〔編輯 凌瑞〕

TM623.7

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.16