核島電動閥填料引漏環卡澀在線處理工藝的開發與應用

李攀攀

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314303)

0 概述

國內重水堆核電廠一回路系統中大量使用電動閥用于系統狀態控制。電廠經過長期運行后，一回路中的系統介質會具有放射性，介質外漏后將會污染廠房環境。電動閥外漏主要通過兩個渠道，一是閥門的中法蘭，二是閥門的閥桿，本文主要對后者進行分析研究。為避免閥桿密封失效，介質從閥桿處外逸污染環境，閥門閥桿密封處通常會設計一個填料引漏環，用于收集閥桿處泄漏介質并引流至密封容器或系統中。由于閥門運行工況的影響以及填料引漏環設計上的不足，導致填料引漏環外壁與填料函內壁發生卡澀，填料引漏環無法從填料函中取出，繼而造成填料引漏環下方的填料無法更換的后果。如果填料引漏環下方的填料損壞后持續惡化且無法及時更換，將會導致機組的一回路系統失去裝量控制，機組被迫停堆。國內某重水堆核電廠在運行期間已發生過兩起核島電動閥填料引漏環卡澀、填料引漏環無法取出的故障，但閥門動作情況正常，未造成機組的停機停堆。

1 填料引漏環的結構及卡澀故障原因分析

1.1 填料引漏環的結構

核島部分閥門的閥桿密封結構[1]如圖1所示。填料引漏環上端面有2個對稱分布的螺紋孔，用于安裝絲桿，以便于沿閥桿將引漏環從填料函中取出。填料引漏環內壁和外壁各有一個環形凹槽，引漏環中部徑向對稱設置2個引漏孔，用于收集并將泄漏的重水引流至引漏管。

圖1 帶填料引漏環的閥桿密封結構

1.2 填料引漏環卡澀故障現象及影響

1)填料引漏環外壁與填料函內壁發生粘連和卡澀，填料引漏環與填料函之間摩擦力過大，填料引漏環無法沿閥桿向上提起，導致填料引漏環下方的填料無法更換。

2)填料引漏環內壁與閥桿發生卡澀，不僅造成填料引漏環無法沿閥桿向上提起，同時閥門動作性能和閥桿密封性能也直接受到影響。

1.3 填料引漏環卡澀故障原因分析

1)填料引漏環下方填料發生泄漏，導致填料函(材質：ASME SA-105 管道元件用碳鋼鍛件)內壁腐蝕，填料函內壁與填料引漏環外壁之間的間隙被鐵銹等異物填滿，同時閥門長期處于高溫環境中，填料函內壁與填料引漏環外壁發生“粘黏滲透”現象，造成填料引漏環與填料函內壁之間的靜摩擦力極大。

2)閥桿異常受損而發生變形，閥桿在上下動作過程中，閥桿受損部位與填料引漏環摩擦擠壓而發生卡澀現象。

3)填料引漏環外壁與填料函內壁配合間隙偏小(直徑方向間隙：0.15～0.20 mm)，填料引漏環內壁與閥桿外壁配合間隙也偏小(直徑方向間隙：0.51～0.64 mm)，填料碎屑及異物進入這些間隙后，也容易造成引漏環的卡澀現象。

2 填料引漏環卡澀后在線取出方案的確定

由于閥門無法隔離，且執行機構禁止拆除，填料引漏環卡澀后只能采取在線取出的方案。

2.1 填料引漏環在線取出的難點

1)填料引漏環上端面自帶的螺紋孔口徑小(僅4.8 mm)，不可能承載很大的提升力，很難利用螺紋孔上安裝的絲桿向上取出填料引漏環，且螺紋孔可能被填料碎屑堵塞。

2)引漏環寬度較小，基本和填料的寬度相同，且位于填料函深處，閥門的執行機構和軛架也無法拆除，因此現場作業空間非常受限。

3)填料引漏環取出過程中，需避免損傷閥門本體部分。

目前在這種情況下，暫未找到一種既能取出填料引漏環又不損傷填料引漏環的工具或方案，但可以考慮對填料引漏環進行在線切割，然后再取出填料引漏環的方案。

2.2 填料引漏環在線切割工藝的選擇

目前常見的切割工藝及特點分析如下：

1)機加工法。優點：切削力大，加工速度快，缺點：目前暫無合適的針對狹小空間作業的在線機加工工具，如果開發制造，技術難度非常大，因此，此方法可行性較差。

2)激光切割法。優點：激光是一種高能可聚焦的光能量，可切割各種金屬、非金屬材料，切割過程中基體只受熱而不受力。理論上也可以對填料引漏環進行在線切割，缺點：該工藝必須在閥門執行機構拆除的情況下進行，否則激光光束傳導和聚集空間受限，無法把激光束聚焦到填料引漏環表面，因此，此方法可行性較差。

3)電火花加工法。優點：可以切割任何高強度、高硬度、高韌性、高脆性以及高純度的導電材料；切割時無明顯機械力，切割形狀可自行定制，特別適用于低剛度工件和微細結構的加工[2]，缺點：加工速度相對較慢。從原理上講，通過開發設計合理的電極和必要的工裝，采取有效的閥桿絕緣措施，并設計一套專用冷卻裝置對加工部位進行冷卻并帶走加工所產生鐵屑，即可實現填料引漏環的在線切割工作。

4)還有其他一些方法，例如化學腐蝕方法，加工高強度取出絲桿等，但現場作業空間狹小，設備和系統對作業方法要求較高，很多工具和方法不具備可實施性。

通過分析各種在線加工方法的優缺點，結合現場實際情況，認為電火花加工法比較適合于填料引漏環的在線切割。

3 電火花加工法介紹及模擬試驗

3.1 電火花加工法介紹

電火花加工法是蘇聯拉扎林科夫婦于1943年發明的，他們在研究開關觸點受火花放電腐蝕損壞的現象和原因時，發現電火花的瞬時高溫可以使局部的金屬熔化、氧化而被腐蝕掉，從而開創和發明了電火花加工方法。電火花加工法最初用在高強度的坦克鋼板上打孔，去除折斷在工件中的鉆頭和絲錐以及加工各種模具等。二戰的關鍵時刻，電火花加工法曾解決了當時蘇聯坦克和武器裝備中經常出現的絲錐斷裂無法取出的問題。

電火花加工法是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時產生的電蝕作用蝕除導電材料的特種加工方法，又稱放電加工或電蝕加工。常規的電火花加工機器本可以用于核島作業，但工作液的選擇必須考慮對一回路系統的影響。工作液是具有一定絕緣度的液體介質，常用煤油或礦物油或去離子水。但在秦山第三核電廠核島電動閥上禁止采用上述液體，目的就是為了避免這些液體介質沿閥桿滲入進入系統內部，造成系統介質污染或降級。因此，需要選用系統介質——重水作為工作液，同時為了滿足絕緣性的要求，以及避免含氚重水對人體的傷害，最終選用純凈重水作為工作液。這是業內首次采用純凈重水作為電火花加工的工作液。對于非重水堆核電廠或其他環境下，亦可采用純凈水作為工作液。

3.2 電火花加工法的模擬試驗

為了驗證電火花加工法的安全性和可行性，在車間加工制作了1∶1的填料函與軛架部件的模擬體以及不銹鋼填料引漏環模擬體，并設計便攜式數控電火花加工機床的工裝和液體介質循環冷卻系統，采用電火花加工法對填料引漏環模擬體進行切割試驗，切割效果達到填料引漏環的切割要求，同時也證明了采用電火花加工法切割填料引漏環是可靠、合理、可行的。

4 切割后的填料引漏環在線取出工具的設計和使用

4.1 切割后的填料引漏環在線取出方案

使用電火花加工法對填料引漏環進行切割后，填料引漏環將被切分為三個部分，一個填料引漏環內環和兩個填料引漏環外環。根據模擬試驗的結果再設計制作填料引漏環內環和外環取出專用工具。

4.2 填料引漏環內環在線取出工具的設計和使用

填料引漏環內環在線取出專用工具如圖2所示。

圖2 引漏環內環取出專用工具

該專用工具原理如下：錐面彈性爪中部與錐套的上部之間采用螺紋配合，下部之間采用錐面配合，錐套旋轉下移時，給引漏環內環提供一個徑向夾緊力，夾住填料引漏環內環，且錐面彈性爪底部設計有倒鉤狀結構，能夠鉤住填料引漏環內環，通過套錘反復向上錘擊錐套，即可取出填料引漏環內環。

該專用工具的使用方法如下：

1)將錐面彈性爪安裝在閥桿外側，用緊固螺釘進行連接固定；

2)將錐套安裝在錐面彈性爪中部和下部外側，用緊固螺釘進行連接固定；然后將套錘安裝在錐面彈性爪上部的凹槽內，用緊固螺釘進行連接固定；

3)把內環取出專用工具下移到閥門填料函中；

4)將錐套旋轉下移，給錐面彈性爪提供一個徑向夾緊力，夾住填料引漏環內環；

5)通過套錘反復向上錘擊錐套，將填料引漏環內環沿閥桿向上提起，置于閥桿上的開闊位置，旋松錐套，脫開引漏環內環，用工具將填料引漏環內環鋸開或夾斷即可；

6)從閥桿上拆除內環在線取出專用工具。

4.3 填料引漏環外環在線取出工具的設計和使用

填料引漏環外環在線取出專用工具如圖3所示，該工具原理如下：錐套的中部與錐面彈性爪的上部通過螺紋連接，錐套的下部與錐面彈性爪采用錐面配合，旋轉錐套向下移動時，錐面彈性爪的爪體向外擴張，并產生徑向外撐力，錐面彈性爪底部的倒鉤狀結構，能夠鉤住引漏環外環，通過套錘反復向上錘擊錐套，即可取出填料引漏環外環。

圖3 引漏環外環取出專用工具

填料引漏環外環在線取出專用工具的使用方法如下：

1)將錐套安裝在閥桿外側，用緊固螺釘進行連接固定；

2)將錐面彈性爪安裝在錐套中部和下部外側，用緊固螺釘進行連接固定；然后將套錘安裝在錐套上部的凹槽內，用緊固螺釘進行連接固定；

3)把外環取出專用工具下移到閥門填料函中合適位置；

4)將錐套旋轉下移，給錐面彈性爪提供一個徑向外撐力，撐住填料引漏環外環；

5)通過套錘反復向上錘擊錐套，將填料引漏環外環沿閥桿向上提起，置于閥桿上的開闊位置，旋松錐套，脫開引漏環外環，用工具將填料引漏環外環鋸開或夾斷即可；

6)從閥桿上拆除外環在線取出專用工具。

5 現場應用情況

國內重水堆核電廠——秦山第三核電廠在106大修和206大修期間，使用電火花加工工藝和填料引漏環切割后的在線取出專用工具，采用純凈重水作為工作液，分別對5號集管停冷隔離閥1-3341-MV1和7號集管停冷隔離閥2-3341-MV2卡澀的填料引漏環實施在線處理工作。最后均成功取出兩臺電動閥中卡澀的填料引漏環，同時閥門本體及閥桿均完好無損。

6 結束語

現場實踐表明，采用電火花加工工藝在線切割填料引漏環的選擇是安全、合理、可行的，填料引漏環切割后的在線取出工具的設計是合理、可行的。目前，填料引漏環內環取出專用工具[3]和外環取出專用工具[4]已獲得國家發明專利。

卡澀的填料引漏環被切割取出后，可以采用一種對開半環式引漏環[5]進行替代，這種新型的填料引漏環可以在線安裝，并且功能和結構滿足原設計要求。

電火花加工工藝和填料引漏環在線取出專用工具的設計理念可以推廣應用于火電廠、化工廠等工礦企業中各類帶填料引漏環的閥門，也可以考慮用于軸套和銷釘等設備零部件卡澀在線處理，為設備在線不停機檢修提供一種新的思路和想法。